黃河龍口水利樞紐總體布置設(shè)計

余倫創(chuàng) 遲守旭 苗 青

龍口水利樞紐工程位于黃河北干流托克托—龍口段尾部、山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的交界地帶。作為新中國成立后歷次黃河流域規(guī)劃中梯級開發(fā)的建設(shè)項目,龍口工程自前期規(guī)劃開始,尤其是自20世紀(jì)80年代以來,設(shè)計人員開展了時間跨度長、研究范圍廣的大量研究工作,通過多方案比選,合理確定了樞紐總體布置設(shè)計,為工程順利建設(shè)實施提供了有力的技術(shù)支撐和保證。

1 自然條件

1.1 地形地質(zhì)條件

龍口水利樞紐位于黃河北干流托克托—龍口峽谷段的出口處,黃河由東向西流經(jīng)壩區(qū),河谷呈U形,河床寬360～400m。河床大部分巖石裸露,地形平坦,河底高程858～861m。兩岸為巖石裸露的陡壁,岸坡在85°以上,高50～70m,兩岸岸邊高程在920～960m之間。自壩下游500m處河谷漸漸開闊,總寬達(dá)千米以上。

工程區(qū)處于大地構(gòu)造相對穩(wěn)定地塊,地震基本烈度6度。地層分布穩(wěn)定,附近無較大斷層及新構(gòu)造斷裂。

壩址區(qū)地層主要由奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)、石炭系本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)和第四系(Q3+Q4)地層構(gòu)成,構(gòu)造變動微弱。地層總體呈平緩的單斜,總體走向NW315°～350°,傾向SW,傾角2°～6°。底層馬家溝組有少量小規(guī)模褶皺和斷裂,對工程影響不大。

壩基持力層O2m巖層致密堅硬,試驗濕抗壓強(qiáng)度在100MPa以上,層內(nèi)存在6條泥化夾層及鈣質(zhì)充填夾層,對壩基抗滑穩(wěn)定起控制作用。兩壩肩巖層自下部O2m向上至壩頂依次為O2mO2m、O2m和O2m,其中O2m、O2m為薄層灰?guī)r、白云巖。各層中均發(fā)育有幾條泥化夾層。

1.2 主要工程地質(zhì)問題

1.2.1 深層抗滑穩(wěn)定問題

壩基持力層O2m至壩頂以上各巖層內(nèi)軟弱夾層發(fā)育,這些夾層連續(xù)性好,其中泥質(zhì)類泥化夾層的抗剪強(qiáng)度低,對壩基的深層抗滑穩(wěn)定影響大。

1.2.2 承壓水問題

壩基內(nèi)存在O2m層巖溶裂隙承壓水和O2m層巖溶承壓水兩個含水層。水庫蓄水后O2m層承壓水水位將達(dá)到或接近庫水位,在壩基面上將形成較大的揚(yáng)壓力,對大壩穩(wěn)定會帶來不利影響,O2m層巖溶承壓水層埋藏較深,其承壓水頭不會直接作用于壩基。

2 樞紐總體布置方案選擇

龍口水庫作為萬家寨水庫的反調(diào)節(jié)水庫,工程主要任務(wù)為發(fā)電,并且對萬家寨水電站發(fā)電流量進(jìn)行反調(diào)節(jié),確保黃河龍口—天橋區(qū)間不斷流,兼有滯洪削峰等綜合作用。其樞紐布置既要滿足功能和安全要求,又要力求方便施工、加快進(jìn)度,盡早發(fā)揮效益。按照經(jīng)上級主管部門審定和批復(fù)的重力壩型,根據(jù)樞紐功能要求及水庫 “蓄清排渾”運用特點,結(jié)合自然條件,設(shè)計過程中對樞紐布置進(jìn)行了多次優(yōu)化。可研階段樞紐大壩由21個壩段組成,壩頂總長度420m,初步設(shè)計階段本著滿足各建筑物功能要求的同時,力求合理、緊湊的原則,根據(jù)兩岸巖石風(fēng)化程度對樞紐進(jìn)行了優(yōu)化,壩段數(shù)調(diào)整為19個,壩頂總長度由420m減少到408m。按電站廠房、底孔、表孔壩段的不同位置比較了下列三方案。

方案1:左岸布置電站廠房,右岸布置泄洪建筑物,表孔位于河床中部,底孔位于右岸岸邊。

方案2:左岸布置電站廠房,右岸布置泄洪建筑物,底孔位于河床中部,表孔位于右岸岸邊。

方案3:右岸布置電站廠房,左岸布置泄洪建筑物,表孔位于河床中部,底孔位于左岸岸邊。

樞紐布置各方案比較如表1所示。

表1 樞紐布置各方案比較表

由表可見,方案2與方案3相比較,地形條件基本相當(dāng),泄流條件相似;方案2的電站建筑物及開關(guān)站靠近左岸邊,交通便利,出線方便。由于壩基巖層傾向左岸及下游。方案2的另一個明顯優(yōu)點是壩基(包括電站廠房基礎(chǔ))開挖深度和壩基軟弱夾層埋藏深度相適應(yīng),減少為挖除軟弱夾層額外增加工程量,經(jīng)計算,方案2與方案3相比可減少巖石開挖量6.1萬m3,節(jié)省混凝土澆筑量5.3萬m3,節(jié)約投資1930萬元。綜合比較,方案2優(yōu)于方案3。

方案2和方案1的區(qū)別在于底孔和表孔的相對位置不同,方案1將底孔布置于右岸,表孔位于電站和底孔之間。經(jīng)水工模型試驗證實:方案1將會在底孔和電站進(jìn)水口之間形成寬約60m的淤積帶,對電站運行產(chǎn)生不利影響。方案2更有利于電站進(jìn)水口 “門前清”及水庫排沙,且底孔泄洪主流略偏向河床中部,對右岸防沖有利。兩方案排凌、排污效果相同,土建工程量也基本相同,投資相同。

設(shè)計最終選定樞紐布置方案2:左岸布置電站廠房,右岸布置泄洪建筑物,其中底孔位于河床中部,表孔位于右岸岸邊。

3 樞紐總體布置設(shè)計

樞紐壩軸線方位為NW5.4484°,基本為南北向。樞紐壩頂高程900m,壩頂全長408m,最大壩高51m。大壩共19個壩段,從左到右依次為非溢流壩段、主安裝間壩段、電站壩段、小機(jī)組壩段、副安裝間壩段、隔墩壩段、底孔壩段、表孔壩段、非溢流壩段,具體布置見圖1。

圖1 龍口水利樞紐平面布置圖(單位:m)

3.1 擋水建筑物布置設(shè)計

樞紐大壩壩型為混凝土實體重力壩,按單個壩段驗算壩體穩(wěn)定和應(yīng)力。設(shè)計擬定的基本三角形斷面為:頂點高程900.0m,下游壩坡1∶0.7,上游面高程880.0m以上為鉛直面,高程860.0～880.0m為1∶0.15斜坡,壩頂寬18.5m,向上、下游分別挑出懸臂寬2.5m和1.0m。底孔壩段因設(shè)置弧形閘門和啟閉機(jī)室,壩體消弱較多,其基本三角形斷面頂點高程改為909.00m,下游壩坡改為1∶0.75,折坡點高程改為889.0m。左右岸岸坡壩段及隔墩壩段因穩(wěn)定要求,下游壩坡亦為1∶0.75。電站壩段及安裝間壩段為典型河床式電站布置,廠房與上游擋水壩連成一體。

由于樞紐壩基奧陶系馬家溝組(O2m)地層中發(fā)育多條泥化夾層,連續(xù)性好,抗剪強(qiáng)度低,壩基深層抗滑穩(wěn)定成為事關(guān)本工程安危的重大技術(shù)問題。設(shè)計對此采取了如下工程措施:(1)對淺層夾層予以挖除;(2)壩踵處深挖齒槽切斷夾層;(3)泄洪消能方式采用二級尾坎式底流消力池、以較長底板和尾坎深槽確保抗力體整體作用;(4)對壩段間橫縫下部一定高程范圍實施接縫灌漿、使各壩段聯(lián)合受力;(5)壩基下設(shè)防滲帷幕和排水幕消減揚(yáng)壓力;(6)對壩基和尾巖全面進(jìn)行固結(jié)灌漿;(7)對底孔和表孔壩段壩趾部位(一級消力池首部)設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索等。通過上述綜合工程措施,各擋水建筑物壩體應(yīng)力及壩基深層抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求,保證了工程安全。

3.2 泄洪建筑物布置設(shè)計

3.2.1 運用要求

龍口水利樞紐洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計,1000年一遇校核。入庫洪水由萬家寨—龍口區(qū)間同頻率洪水疊加萬家寨水利樞紐相應(yīng)洪水的下泄流量組成。水庫運用方式是蓄清排渾、汛期排沙。泄水建筑物除應(yīng)滿足泄洪要求外,還應(yīng)滿足沖沙、排污等要求。

規(guī)劃對泄水建筑物泄流能力的要求是:(1)校核洪水位時,下泄流量大于8276m3/s;(2)設(shè)計洪水位時,下泄流量大于7561m3/s;(3)汛期排沙水位888.00m時,下泄流量大于5000m3/s。

龍口壩址距萬家寨水利樞紐僅25.6km,黃河上游來冰被萬家寨水庫攔蓄,龍口水庫少量冰凌必要時由表孔排出。

3.2.2 泄洪建筑物布置

龍口壩址河床相對較寬,具備布置壩體泄洪的條件。由于龍口工程沖沙流量大,汛期要求泄洪兼排沙,故泄水建筑物以底孔為主。考慮汛期泄洪有排污要求,故設(shè)2個表孔。經(jīng)反復(fù)比較后選用的布置方案為:泄水建筑物布置在河床的右半部,表孔緊靠右岸邊坡壩段,底孔布置接近河床中部。

底孔是主要的泄洪、排沙建筑物,布置在河床中部偏右岸的12#～16#壩段,每個壩段寬20.0m,布置2個底孔,5個壩段共布置10個底孔。考慮底孔的功能除泄洪外,還承擔(dān)水庫的主要排沙任務(wù),要求底孔進(jìn)口底高程盡量放低些,同時還要滿足與消力池底板的連接要求。由于電站引水流道底高程為866.00m,故底孔進(jìn)口底高程定為863.00m。根據(jù)樞紐排沙要求,水庫水位888.00m時下泄流量應(yīng)大于5000m3/s。

通過綜合比選,確定底孔控制斷面孔口尺寸4.5m×6.5m(寬×高),最低沖沙水位885.00m時泄流能力為4673 m3/s,排沙水位888.00m時泄流能力為5091m3/s,滿足沖、排沙規(guī)模和運用要求。

表孔擔(dān)負(fù)泄洪、排污任務(wù),必要時也可排冰,2個表孔布置在右岸17#、18#壩段。每個壩段寬17.0m,表孔孔口凈寬12.0m,最大單寬泄量為76.7 m3/(s?m)。表孔堰頂高程為888.00m,能夠滿足泄洪、排污要求。

為保持電站壩段 “門前清”,減少過機(jī)泥沙,防止電站進(jìn)水口在發(fā)電機(jī)組停機(jī)和檢修期被泥沙淤堵,在5#～8#電站壩段每個壩段各設(shè)2個排沙洞,4個電站壩段共設(shè)8個排沙洞,在10#副安裝間壩段壩體內(nèi)設(shè)1個排沙洞。

3.2.3 消能工布置

由于大壩下游尾水位低,水位變幅相對較大,不宜采用面流消能。又因龍口壩基存在多泥化軟弱夾層,必須依靠壩趾下游尾巖支撐才能維持大壩的穩(wěn)定,亦不適宜采用挑流消能。根據(jù)下游消能要求,結(jié)合樞紐工程總布置,底孔和表孔均選用底流方式消能,設(shè)兩級消力池。消能建筑物主要由一級消力池及尾坎、二級消力池、差動尾坎、海漫、消力池左、右邊墻及消力池中隔墻等組成。底孔及表孔的一級消力池池底高程均為858.0m,坎頂高程為865.0m;池長分別為75m和80.33 m,順?biāo)鞣较蛑虚g設(shè)有中隔墻。底孔及表孔的二級消力池共用,池底高程為857.0m,池長64m,二級池出池寬度為150.0m,池末段設(shè)有差動式尾坎,后接鋼筋混凝土海漫。

水力計算及水工模型試驗驗證,在校核洪水、設(shè)計洪水和汛期排沙工況下,底孔、表孔和排沙洞的總泄洪能力均能滿足樞紐工程泄洪運用要求。當(dāng)表孔、底孔聯(lián)合運行或表孔關(guān)閉、底孔及排沙洞運行時,水流平順,未出現(xiàn)不良流態(tài);各典型斷面流速分布均勻。在消能設(shè)計洪水(P=2%)和消能校核洪水(P=1%)工況下,表、底孔,一、二級消力池內(nèi)均為完整水躍,效能率達(dá)到60%以上,出池水流流速分布均勻,各項水力要素?zé)o異常。

3.3 發(fā)電建筑物布置

本工程大壩為混凝土重力壩,且不甚高,利用河床較寬的地形條件,采用河床式電站當(dāng)是首選方案。發(fā)電廠房建筑物布置于左岸3#～10#壩段范圍內(nèi),垂直水流方向長193.00m。為滿足對萬家寨水電站反調(diào)節(jié)運行和下泄環(huán)境用水流量的要求,電站廠房安裝有4臺單機(jī)容量為100mW和1臺單機(jī)容量為20mW的水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量420mW,年平均發(fā)電量13.02億kW?h。

廠房的外形輪廓尺寸為187.00m×81.10m×67.50m(長×寬×高),考慮到有大小兩種機(jī)型需要安裝與檢修的情況以及有利于機(jī)電設(shè)備進(jìn)廠卸車存放等條件,本電站的安裝場分設(shè)于主廠房左、右兩側(cè),主、副安裝場的地面高程均與發(fā)電機(jī)層同高。自左至右依次為長40m的主安裝間壩段、長120m的大機(jī)組壩段、長15m的小機(jī)組壩段以及長18.00m的副安裝間壩段。發(fā)電機(jī)層地面高程872.90m,其下依次為電纜層、水輪機(jī)層、蝸殼層以及尾水管層。為減輕廠房屋頂荷載并有利于加快施工進(jìn)度,主廠房屋頂結(jié)構(gòu)采用輕型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

3.4 其他建筑物布置

電站輸出電壓為220kV,5臺主變壓器布置在尾水平臺上,一機(jī)一變。GIS開關(guān)站室布置在河床左岸1#、2#壩段下游側(cè)廠前區(qū)。開關(guān)站長度50.5m,寬度為13 m,建筑高度11.50m,總建筑面積1377.35m2。

副廠房緊靠于主廠房左側(cè)布置,坐落于1#、2#壩段下游側(cè)壩體上,地面以上為4層框架,長度23.00m,寬度為29.00m,建筑高度18.90m,建筑面積2513 m2。

樞紐左岸下游進(jìn)廠公路與河偏公路相連;左岸上壩公路由下游側(cè)進(jìn)廠公路引入;右岸上壩公路與薛榆公路相接。

4 結(jié) 語

龍口水利樞紐總體布置經(jīng)詳細(xì)方案論證、并經(jīng)水工模型試驗驗證,樞紐布置方案合理,泄洪建筑物的泄流能力滿足設(shè)計要求,排沙效果良好,下泄水流經(jīng)兩級消力池消能后水流平穩(wěn),無嚴(yán)重的回流和沖刷現(xiàn)象。作為萬家寨水電站的反調(diào)節(jié)水庫,為使上下兩個水電站都能靈活運用,電站裝機(jī)采用四大一小的單機(jī)容量搭配較為合適。結(jié)合壩址條件,河床式電站廠房系統(tǒng)布置于主河床的左岸,建筑物布置緊湊、合理。

自龍口水庫建成蓄水運行至今,樞紐各建筑物已經(jīng)歷了近3年 “蓄清排渾”調(diào)度運用和發(fā)電運行,通過對樞紐安全監(jiān)測數(shù)據(jù)整編分析,工程運行正常安全。工程運用管理方便。