玻利維亞伊卡拉水電站工程主要建筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)

包第嘯，曹 陽(yáng)

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

伊卡拉（ICLA）水電站工程位于玻利維亞首都蘇克雷（Sucre）東南方向50 km，皮科馬約河（Pilco?mayo）右岸索托馬約爾村（Sotomayor）下游4 km 處。皮科馬約河在流經(jīng)壩址處的右岸山脊時(shí)，流向由東轉(zhuǎn)南，形成了一個(gè)天然90°彎段。彎段上游為廣闊的沖擊平原，彎段處為狹窄的峽谷，河道高程2 060 m，河道兩岸海拔均超過(guò)2 300 m，非常有利于大壩布置。河流流向的突變?yōu)橐绾榈馈?dǎo)流洞和引水隧洞布置提供了理想的地形條件。

1 原方案總體布置

伊卡拉水電站以發(fā)電為主，同時(shí)兼顧下游農(nóng)田灌溉。工程主要由擋水壩、溢洪道、泄洪洞、引水隧洞、地面廠房及附屬建筑物、尾水渠等組成。

大壩位于皮科馬約河河彎段上游700 m，為心墻堆石壩。心墻下方采用混凝土防滲墻，最深處穿越大約80 m的河床沖積物。壩頂高程2 167 m，最大壩高110 m，黏土心墻頂高程為2 164 m。水庫(kù)的最高運(yùn)行水位2 161 m，超高為6 m；在風(fēng)速200 km/h時(shí)，波浪爬高為2.9 m。溢洪道位于大壩上游右岸埡口位置，采用閘門控制。在最高運(yùn)行水位時(shí)下泄流量為3 780 m3/s；在10 000 a一遇洪水時(shí)，水庫(kù)水位為2 164.2 m，可下泄4 550 m3/s。引水隧洞和泄洪洞相結(jié)合，泄洪放空洞滿足15 d內(nèi)，水庫(kù)水位降至2 123 m 要求。隧洞斷面為圓形，內(nèi)徑10.6 m，鋼筋混凝土襯砌。引水隧洞為泄洪洞的支洞，進(jìn)口位于泄洪洞下游側(cè)，和廠房壓力鋼管相接。廠房為地面廠房，裝機(jī)容量102 MW，為3 臺(tái)混流式機(jī)組，單機(jī)容量34 MW。下游設(shè)有尾水渠，位于右岸覆蓋層中，尾水水位2 044 m。開關(guān)站位于廠房頂部，采用單回路220 kV輸電線。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 擋水建筑物

2.1.1 壩型選擇

前期地質(zhì)勘探成果表明，本工程采用的當(dāng)?shù)夭牧蠅问潜容^經(jīng)濟(jì)的壩型。由于壩基為深厚的覆蓋層，基礎(chǔ)變形較大，推薦壩型為黏土心墻土石壩。該壩型受力簡(jiǎn)單，適應(yīng)基礎(chǔ)變形能力強(qiáng)。壩基防滲采用混凝土防滲墻。建筑材料的調(diào)查延伸到壩址上游約10 km 的索托馬約爾村，此處分布有大量的砂和礫石。工程區(qū)內(nèi)壩殼的建筑材料儲(chǔ)量豐富，質(zhì)量較好，基本滿足壩體心墻材料的要求。開采的巖石可以作為填筑料，經(jīng)過(guò)軋制處理后，還可以作為壩體排水材料和混凝土骨料。

2.1.2 壩頂高程

原方案中攔河壩的壩頂高程為2 167 m，水庫(kù)10 000 a 一遇洪水位為2 164.2 m，最高運(yùn)行水位為2 161 m，黏土心墻頂高程為2 164 m。壩頂未設(shè)防浪墻。由于波浪爬高為2.9 m，按照規(guī)范復(fù)核，設(shè)計(jì)工況壩頂安全超高為1.5 m，校核洪水時(shí)安全超高為0.7 m，將壩頂高程提高至2 167.8 m，并設(shè)置高1.2 m的防浪墻。防滲體（黏土心墻）的頂高程應(yīng)高于校核洪水位，但原方案心墻頂高程偏低，抬高至2 165 m。

2.2.3 基礎(chǔ)防滲設(shè)計(jì)

攔河壩基礎(chǔ)坐落在深厚覆蓋層上，壩基防滲標(biāo)準(zhǔn)采用3 Lu。壩基砂卵礫石的滲透系數(shù)變化很大，包括深度方向和壩體延展方向，須對(duì)基礎(chǔ)采取切實(shí)有效的防滲措施。1982 年版招標(biāo)文件推薦垂直防滲方案，選用混凝土防滲墻。大壩的防滲心墻與其下部的垂直混凝土防滲墻聯(lián)接，形成整個(gè)防滲屏障。兩岸壩肩巖石出露，采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理。根據(jù)兩岸壩肩基礎(chǔ)滲透性和地下水情況確定帷幕的排數(shù)、深度和范圍。

2.2 泄水建筑物

本工程采用溢洪道和泄洪洞聯(lián)合泄流。根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，溢洪道布置在右岸埡口。溢洪道分3孔，每孔寬14 m，設(shè)弧形閘門，閘門尺寸為14 m×11.5 m（寬×高）。中間閘墩厚3 m，邊墩厚2.3 m，墩頂高程2 169 m。溢洪道堰頂高程2 151 m，為WES堰面，下游接反弧段，反弧段接坡比為6%的泄槽段，泄槽寬48 m。10 000 a一遇入庫(kù)洪峰流量10 600 m3/s，經(jīng)水庫(kù)調(diào)蓄后，出庫(kù)流量6 570 m3/s，其中低水位泄洪洞下泄2 250 m3/s，溢洪道需承擔(dān)4 320 m3/s，上游水庫(kù)最高水位為2 164.2 m。經(jīng)驗(yàn)算，在流量系數(shù)為0.52、收縮系數(shù)為0.95 時(shí)，溢洪道泄流能力為4 407 m3/s，滿足泄流要求。

2.3 發(fā)電引水建筑物

原方案采用引水隧洞與泄洪洞結(jié)合，在泄洪洞下游控制閘前設(shè)一條短支洞，隧洞出口接壓力鋼管。壓力鋼管直徑5.0 m，由上水平段、斜坡段和下水平段組成。優(yōu)化方案中，引水隧洞與泄洪洞平行，由水平段、斜井段和高壓水平段組成。電站進(jìn)水口布置在大壩右岸上游約250 m 處，為豎井式，采用一管三機(jī)的引水方式。引水壓力管道長(zhǎng)290.54 m（含5 m長(zhǎng)漸變段），內(nèi)徑5.5 m。漸變段后接下彎段，長(zhǎng)13.51 m，鋼襯內(nèi)徑4.5 m。下彎段末端接近廠房處為岔管段，長(zhǎng)44 m，分成3個(gè)支管，支管內(nèi)徑2.6 m。

優(yōu)化方案中，電站進(jìn)水口的位置盡量靠近泄洪洞。高壓管道加長(zhǎng)了鋼襯段長(zhǎng)度；在混凝土襯砌段和鋼襯段相接處增設(shè)深層帷幕灌漿，鋼襯段增設(shè)止水環(huán)。

2.4 廠房

主廠房位于河流90°彎道以下，在主壩軸線下游約1 000 m 處，為地面廠房，裝機(jī)容量為102 MW，安裝3臺(tái)立軸混流式水輪機(jī)，單機(jī)容量34 MW，年均發(fā)電量404.5 GW·h，最大凈水頭為117 m，最小凈水頭86 m，平均凈水頭111 m，設(shè)計(jì)流量120 m3/s。

2.5 尾水系統(tǒng)

尾水系統(tǒng)包括尾水支洞、尾水閘門室、尾水洞、尾水埋涵及尾水渠等建筑物。為增加有效發(fā)電水頭，在河流左岸沖積層開挖尾水渠，尾水渠從主廠房延伸到下游約3 km 處。尾水洞與尾水渠間，穿越河床部位采用埋涵型式連接，埋涵采用雙孔結(jié)構(gòu)。

3 優(yōu)化方案評(píng)估

（1）在進(jìn)行了地質(zhì)、水文補(bǔ)勘的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了工程總體布置，確定工程總布置方案和主要特征指標(biāo)。

（2）在補(bǔ)充地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了大壩的滲透穩(wěn)定以及壩體的應(yīng)力應(yīng)變，優(yōu)化了大壩的斷面。

（3）大壩坐落在深厚覆蓋層上，覆蓋層厚度大于80 m，優(yōu)化方案中改進(jìn)了防滲墻的結(jié)構(gòu)型式，使施工更便捷，投資更經(jīng)濟(jì)。

（4）復(fù)核了原方案溢洪道孔口尺寸，優(yōu)化溢流堰堰面曲線，并通過(guò)水工模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了溢洪道泄流能力和消能措施。

（5）優(yōu)化了泄洪洞和引水隧洞布置，節(jié)省了金屬結(jié)構(gòu)工程量，方便運(yùn)行管理。