CCS水電站首部樞紐設計特點

□耿 莉（黃河勘測規劃設計有限公司）

CCS水電站首部樞紐設計特點

□耿 莉（黃河勘測規劃設計有限公司）

CCS水電站位于南美洲厄瓜多爾國，總裝機容量1500 M W，為EPC總承包項目。CCS水電站首部樞紐設計根據水文泥沙條件、地形地質特點，電站運行要求并結合施工導流布置提出了技術可行，經濟合理的首部樞紐布置方案；根據不同建筑物地基的特性及運行要求提出安全可靠、經濟可行的基礎處理方案，從監測結果來看，地基基礎處理達到較好的效果，有效解決了地基基礎的沉降變形問題，實際沉降量遠小于規范允許最大沉降量，均滿足工程運行要求。文章結合引水式電站首部樞紐布置所涉及的工程要素及特點，介紹了CCS水電站首部樞紐設計特點，為在建及待建類似工程設計提供參考。

厄瓜多爾CCS水電站；首部樞紐布置；地形地質；泄洪規模；泥沙；基礎處理

1 項目建設背景

COCACODOSINCLAIR（簡稱CCS）水電站為引水式電站，位于厄瓜多爾共和國北部NAPO省和SUCUMBIOS省的交界處，工程任務主要為發電，電站總裝機容量1 500 MW。該電站為厄瓜多爾目前最大的水力發電項目之一，工程建成后，將成為厄瓜多爾國家電網的骨干電源，多年平均發電量84.66億kW.h，提供厄國70%的電力。CCS水電站主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道和地下廠房等，為中水集團EPC總承包項目。

CCS工程概念設計（相應于國內的可研）由意大利ELC公司完成，本公司于2009年9月開始經歷了概念設計復核，基本設計階段（相應于國內的初設）和施工圖設計階段，2016年4月電站首臺機組發電，基本按合同工期完成了建設目標。

2 首部樞紐工程概況

首部樞紐位于Salado河和Quijos河兩河交匯處下游約1 km的Coca河上，由擋水建筑物（混凝土面板堆石壩）、泄洪排沙建筑物（溢流壩及沖沙閘）、取水建筑物（引水閘及沉沙池）三部分組成。首部樞紐根據功能要求，各建筑物之間既相互獨立又相互交錯，功能上既要滿足水庫泄洪要求，同時要解決引水發電進口泥沙淤堵問題，保證引水口門前清，有效控制過機泥沙，滿足合同對引水泥沙含量和粒徑的要求。

結合首部地形地貌特點，經多方案比選，首部樞紐采用左岸集中泄水布置方案，既在首部樞紐壩址區左側埡口處集中布置泄水和取水建筑物，現狀河道處布置混凝土面板壩擋水。泄洪排沙建筑物布置在壩址區左側埡口處，從左到右依次布置為8孔溢流堰和3孔沖沙閘，承擔整個首部樞紐的泄洪排沙任務。壩頂高程1 289.50 m，壩頂長度約271.75 m。水庫最高水位1 288.30 m，最大泄流量16 444 m3/s。取水閘緊貼沖沙閘右側布置，與溢流壩軸線呈70°交角，為帶胸墻的平板閘，閘底板高程1 270.00 m，比沖沙閘進口引渠底板高10 m，引水閘共16孔，四孔一聯，共四聯。沉沙池緊接引水閘布置，共布置8條池室，主要包括上游過渡段、工作段、下游出口閘、靜水池、側向溢流堰及排沙廊道系統。沉沙池工作段長153 m，單池過流斷面凈寬度13 m，沉沙池底部排沙采用SEDICON排沙系統，泥沙通過下部排沙系統管道匯集到排沙廊道，經排沙廊道排沙至下游海漫；沉沙池后連接無壓長輸水隧洞?；炷撩姘宥咽瘔挝挥贑oca河主河槽上，軸線長156.12 m，壩頂高程1 289.80 m，壩頂寬度8.00 m，最大壩高26.80 m。

3 首部樞紐設計特點

3.1 泄洪規模大，地形地質條件限制，樞紐布置難度大

首部樞紐所處的Coca河流域中大部分地區屬于熱帶雨林氣候，徑流分配較為均勻，降雨充沛。首部樞紐防洪標準為10 000年一遇設計，災害性洪水校核。災害性洪水設計流量為15 000 m3/s。施工導流標準采用25年一遇設計洪水，設計流量為4 430 m3/s。建筑物具備以下幾方面的特點：一是水庫要求泄洪規模非常大，需要根據地形地質條件，考慮溢流壩段布置寬度，以滿足泄流規模和下游防沖消能的需要；二是施工期洪峰流量大，需要充分考慮導截流工程布置的經濟性和方便性，布置方案要利于施工導流工程的實施。

首部樞紐庫區由Quijos河谷與Salado河谷組成，在兩河交匯一帶以相對寬廣的“U”型谷為主，谷底寬約300～700 m，發育有多處河心灘、河漫灘，河道縱比降約2.70‰～4.70‰。河谷岸坡陡峻。壩址處的突出特征是河谷中間凸現一錐形花崗巖侵入體，受該侵入巖體控制，河道寬度縮窄形成了“V”型峽谷。河道在右岸形成一個彎道，河道左岸有一埡口，最低處高出河床僅約25 m。該特殊的地形條件為首部建筑物布置帶來了一定難度。根據地形地質特點，設計進行了兩岸泄水布置、右岸集中泄水布置和左岸集中泄水布置方案比選，最終確定采用左岸集中泄水布置方案。該布置方案的特點：一是在主河道深厚覆蓋層上布置混凝土面板堆石壩，充分利用面板壩對地基適應能力強的優點，減少河床地基處理投資，縮短工期，施工也相對簡單；二是取水閘和沉沙池布置在中部侵入巖體下游側，充分利用河灘山包擋水，同時減少基礎土石方開挖量和基礎處理工程量；溢流壩和沖沙閘基礎仍置于深覆蓋層上，但覆蓋層地質條件優于右岸主河道，地基土層已完成固結，密實程度高。采用左岸集中泄水布置方案是技術經濟綜合選擇。

3.2 高水頭沖擊式水輪機對泥沙要求高

CCS水電站設計最大凈水頭618 m，是世界上規模最大的沖擊式水電站之一。首部樞紐壩址處河道多年平均徑流量290 m3/s，流域泥沙以懸移質為主，水庫多年平均輸沙量1 211.60萬t，其中懸移質輸沙量為932萬t，多年平均懸移質含沙量為1.01 kg/m3。為了保證水輪機免受大量泥沙的磨蝕，首部樞紐布置方案應充分考慮首部取水口泥沙問題。根據合同規定，首部沉砂池要求≥0.25 mm粒徑的泥沙沉降率為100%。

針對泥沙問題，首部樞紐取水建筑物布置有兩大特點：一是取水口前布設沖沙閘排沙，保證門前清，盡量減少取水泥沙含量；二是取水口后布置大規模沉沙設施，取水后充分沉沙。

取水建筑物布置采用側向引水，正向沖沙的方式，并在沖沙閘前設水下長導墻構成推移質沉積渠道，結合沖沙閘進行排沙，保證引水口門前清。取水閘及沉砂池布置在溢流壩沖沙閘右側，與溢流壩軸線呈70°交角。取水閘為帶胸墻的平板閘，共16孔，四孔一聯。沉沙池緊接引水閘布置，共布置8條池室，兩閘孔對應下游一條沉砂池池槽，包括上游過渡段、工作段、下游出口閘、靜水池、側向溢流堰及排沙廊道系統。沉沙池采用SEDICON排沙系統，泥沙通過下部排沙系統管道匯集到排沙廊道，經排沙廊道排沙至下游海漫；下游出口閘后連接靜水池，靜水池后連接輸水隧洞。

目前大型水電站沉砂池通常采用漏斗集沙，依靠水力沖沙，沖沙耗水量通常較大，為保證沉砂池效率，通常設置專用的取水建筑物和輸沙廊道進行沖沙。CCS水電站沉砂池規模大，存在工程投資、場地要求、排沙耗水量、運行要求等問題。SED1CON公司研發的沖沙技術是一種布置在沉砂池池室中的開槽排泥管，該技術在在室內試驗和小型工程應用中取得了成功，在工程規模、投資、安裝維護、場地條件及運行控制、沖沙效率上具有很大的優勢。采用該沖沙方式的沉砂池設計將為今后類似工程提供巨大的借鑒意義。

3.3 地質條件復雜，基礎處理難度大

首部工程建筑物物基礎為不均勻的深厚覆蓋層及花崗閃長巖侵入體，組成性質各有差異，巖相變化大，厚度相差大，基礎條件非常復雜，同時因EPC總承包項目對工期及投資有很多限制條件，建筑物基礎處理是設計難點和重點。

根據不同建筑物地基的特性，采取不同的基礎處理方案，采用了軟基換填、振沖碎石樁、混凝土灌注樁復合地基等多種基礎處理措施。根據實際地質揭露情況，溢流壩采用了開挖換填+振沖碎石樁處理方案；沖沙閘基礎采用素混凝土樁復合地基方案；混凝土面板堆石壩壩基河床覆蓋層深厚，地層分布不均一，原設計采用振沖碎石樁進行加固處理，在實施振沖樁時，即使設備功率達到極限時，也無法向下振沖進尺穿透上部砂礫石層，多次試驗過皆不能成功，表明壩基處砂礫石層密實性較好。實施時修改為壩前增加蓋重區；沉砂池基礎左側坐落于花崗閃長巖侵入體上，右側則位于河床，巖石與砂礫石土層交接部位坡度較陡，覆蓋層厚度變化大，兩者之間的壓縮模量和變形模量相差較大，在沉砂池結構的影響下，覆蓋層處的沉降量將必然比基巖部分的沉降大的多，不均勻沉降問題突出。

基礎處理考慮碎石樁方案、碎石樁與堆載預壓聯合處理方案、樁基方案。經計算分析，采用碎石樁方案可以解決砂層液化問題，但是由于沉砂池區域覆蓋層深度較大（最深90 m），沉砂池結構范圍較大（工作段寬度119 m），附加應力影響范圍太深（80 m以下折減系數不超過50%），采用碎石樁不能有效解決沉降問題，難以滿足設計規范要求；采用碎石樁與堆載預壓聯合處理方案，工期安排上不具備條件，因此最終確定采用樁基方案。樁基方案在實施過程中結合現場施工能力，分別布置了直徑1. 50 m和1.80 m的樁基，樁基都為嵌巖樁，在樁頂部分進行擴頭處理；樁頂和結構之間布置0.50 m回填砂卵石墊層。

4 結語

首部樞紐建筑物布置及設計總體基本合理，滿足美國規范及當地有關規范要求，滿足EPC主合同及合同附件要求。目前，CCS水電站首部建筑物全部投入運行，蓄水運行一年多，工程運行狀況良好，其工程設計經驗對其他類似工程具有一定得借鑒作用。

TV 72

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1673-8853(2016)10-0048-02

2016-07-14

（責任編輯：劉 青）

耿 莉（1972-），女，高級工程師，主要從事水工結構設計研究工作。