厄瓜多爾TP水電站TOACHI大壩工程導(dǎo)流設(shè)計(jì)優(yōu)化成果淺析

張昆鵬

厄瓜多爾TP水電站TOACHI大壩工程導(dǎo)流設(shè)計(jì)優(yōu)化成果淺析

張昆鵬

根據(jù)招標(biāo)文件及技術(shù)規(guī)范要求，承包商完全負(fù)責(zé)TOACHI大壩導(dǎo)流圍堰的設(shè)計(jì)與施工，且為總價(jià)承包項(xiàng)目，我方在認(rèn)真研究招標(biāo)文件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，綜合整體招標(biāo)設(shè)計(jì)、地質(zhì)、水文等資料后，認(rèn)為招標(biāo)文件中圍堰設(shè)計(jì)過于保守，在實(shí)施過程中有優(yōu)化及修改方案的基礎(chǔ)及條件，通過與專家討論、經(jīng)分析計(jì)算論證最終對(duì)圍堰設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

一、工程概述

厄瓜多爾TP水電站工程距離首都Quito約80公里。本工程由兩級(jí)電站組成，均為引水式電站，各裝機(jī)3臺(tái)，裝機(jī)分別為49MW、204MW。TOACHI大壩工程屬二級(jí)電站工程，為混凝土重力壩，全長157m，最大壩高69m，共布置9個(gè)壩段，其中在3#和4#壩段共布置2個(gè)導(dǎo)流底孔和2個(gè)表孔溢洪道，在5#壩段內(nèi)布置一臺(tái)小型發(fā)電機(jī)組。大壩混凝土主要分為基礎(chǔ)混凝土、壩體混凝土、結(jié)構(gòu)混凝土和高抗混凝土，設(shè)計(jì)混凝土澆筑量17.1萬m3。

二、水文氣象條件

本工程位于亞熱帶潮濕地區(qū)（海拔1000m~2000m），Toachi-Alluriquin二級(jí)電站處年均氣溫22.0℃，平均濕度90%，年均風(fēng)速43Km/h。工區(qū)雨季在12月~5月，受地形影響，年降水量在800mm~2400mm。

三、優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)比（僅針對(duì)上游圍堰進(jìn)行優(yōu)化）

1.投標(biāo)階段設(shè)計(jì)

上游圍堰共由上、下游戧堤及中心粘土心墻圍堰組成，上、下游戧堤成對(duì)稱方式，堰頂高程933.5m、堰底高程922.85m，堰高10.65m、堰頂寬9.8m，粘土心墻頂部高程945m、堰高24.3m、堰頂寬6m，整體圍堰底寬88.54m，設(shè)計(jì)開挖總量約7萬m3，填筑總量約11.2萬m3。

2.實(shí)施階段設(shè)計(jì)

上游圍堰結(jié)構(gòu)形式由兩部分組成，第一部分為上游子圍堰，第二部分為上游粘土心墻圍堰。

（1）上游子圍堰由土、石混合料組成，主要承擔(dān)引水功能，子圍堰長約39m，圍堰高度約13m，堰頂高程935.85m，堰頂寬度5m，迎水面坡比設(shè)計(jì)為1∶1.5，背水面坡比設(shè)計(jì)1∶1.3，最大底寬41m。

（2）上游粘土心墻圍堰全長88m，為滿足汛期水位壅高，設(shè)計(jì)堰頂高程仍采用原設(shè)計(jì)的945.0m高程，堰頂寬度6m，最大堰高22.15m，與子圍堰合并后最大底寬79m；粘土心墻坡比為1∶0.2；粘土心墻兩側(cè)設(shè)堆石堤，迎水面坡比設(shè)計(jì)為1∶1.5，背水面坡比設(shè)計(jì)為1∶1.3；堆石堤迎水面外側(cè)鋪設(shè)塊石護(hù)坡，坡比為1∶1.5。

3.工程地質(zhì)條件

上游圍堰處河床寬度約為15~20m，左岸邊坡陡峭，覆蓋層較薄，植被茂盛，河底可見大量孤石及河卵石；右岸邊坡較為緩和，腐殖土覆蓋層較薄，松散風(fēng)化巖層較厚。

4.導(dǎo)流工程設(shè)計(jì)

本工程圍堰使用年限小于3年，堰高小于50米，因此圍堰設(shè)計(jì)等級(jí)為4級(jí)。導(dǎo)流洞斷面為城門洞形，尺寸8.1m×8.8m，過流能力為640m3/s，相對(duì)應(yīng)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選用25年洪水重現(xiàn)期。

5.圍堰優(yōu)化穩(wěn)定性計(jì)算

計(jì)算目標(biāo)：安全系數(shù)計(jì)算

滑裂面形狀：圓弧滑動(dòng)

計(jì)算方法：瑞典條分法

安全系數(shù)：根據(jù)圍堰設(shè)計(jì)等級(jí)，需滿足安全系數(shù)K≥1.05。

為方便計(jì)算，將圓弧在水平長度上均分為10條，每條寬度2.23m。

取γb=γs=21KN/m3，采用圓弧法計(jì)算，考慮0.15g地震作用力影響，計(jì)算公式如下：

式中：

γb—濕容重，KN/m3；

γs—浮容重，KN/m3；

Ni—各條塊間法向力，KN；

Ti —各條塊間切向力，KN；

Wi —各條塊重量，KN；

αi—通過各條塊底面中點(diǎn)的半徑與重力線之間的夾角，°；

b —條塊寬度，m；

hi—各條塊高度，m；

Qi—水平地震慣性力，KN；

Vi—垂直地震慣性力，Vi=Qi*2/3，向上為負(fù)，向下為正，按不利于穩(wěn)定的方向取值，KN；

Mr—抗滑力矩，KN·m；

Mi—滑動(dòng)力矩，KN·m；

φi—各塊內(nèi)摩擦角；

R —滑動(dòng)面半徑 m；

ci —各條塊滑裂面上的凝聚力，取6KPa；

li —各條塊滑裂面長度，li=b*secαi，m；

K —安全系數(shù)；

ah—水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值，取0.15g；

ζ—地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取0.25；

GEi—各條塊產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重力作用的標(biāo)準(zhǔn)值，GEi=γibhi，KN；

ai—?jiǎng)討B(tài)分布系數(shù)；

g—重力加速度，取9.81m/s2。

各條塊參數(shù)見下圖所示：

經(jīng)計(jì)算K= Mr/Mi =32186.4／29316.2=1.10>1.05，滿足穩(wěn)定性要求。

四、優(yōu)化成果

經(jīng)濟(jì)效益：圍堰截流后，充分結(jié)合原河床及堰底的自然地質(zhì)條件，取消了原設(shè)計(jì)中約5萬方的巖石開挖量，改為對(duì)原河床表面的松散材料清除后直接在巖石地基上填筑。通過方案優(yōu)化，不僅減少了堰底本身的開挖量，在堰頂高度和堰體斷面基本相同情況下，由于底部建基面的抬高，大大減少了圍堰底部的填筑方量。方案優(yōu)化后，縮短圍堰施工工期近40天，節(jié)約總成本160.5萬美元。

五、結(jié)語

在方案優(yōu)化初期，項(xiàng)目業(yè)主及監(jiān)理對(duì)我方優(yōu)化設(shè)計(jì)及方案的通過評(píng)審存在一定的異議，在溝通及討論過程中，項(xiàng)目部通過同等案例對(duì)比，數(shù)據(jù)說明等針對(duì)圍堰的穩(wěn)定性、可實(shí)施性、工期等多方面進(jìn)行論證，最終得到業(yè)主及監(jiān)理的認(rèn)可并批準(zhǔn)實(shí)施。整個(gè)工程項(xiàng)目嚴(yán)格按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)環(huán)環(huán)控制，為厄瓜多爾政府上交了優(yōu)質(zhì)工程。2014年4月20日，TOACHI大壩上游圍堰外水位直逼圍堰頂高程，達(dá)到了TOACHI河十年洪水位，而圍堰固若金湯，工程質(zhì)量堪稱上乘，得到了業(yè)主監(jiān)理的認(rèn)可和好評(píng)。

（作者單位：中國水利水電第六工程局有限公司）