巴拉水電站樞紐總布置格局技術核心創新實踐

鄧 元 亮, 劉 興 春 , 楊 宏 昆, 周 濤, 梁 勇

(1.四川足木足河流域水電開發有限公司,四川 成都 610041;2.四川省清源工程咨詢有限公司,四川 成都 610072)

1 工程概述

巴拉水電站系大渡河干流水電規劃“3庫28級”自上而下的第2級水電站,位于東源主干流腳木足河上。電站于2007年啟動了勘察設計工作,2016年12月完成可行性研究報告,2018年3月核準批復,2020年12月正式開工建設,預計2024年12月首臺機組正式投產發電,2025年4月前三臺機組全部并網。

電站采用混合式開發,開發任務為水力發電并兼顧減水河段生態用水需要,壩址位于日部鄉色江吊橋下游約2.2 km處,經右岸引水至日部吊橋上游約3.9 km處建地下廠房發電。電站為二等大(Ⅱ)型工程,由首部樞紐、引水建筑物和廠區等建筑物組成。首部樞紐攔河面板堆石壩大壩高138.0 m,引水有壓隧洞長6.9 km,地下廠房裝機3×240 MW,尾水有壓隧洞長1.7 km。

電站前期工作開始至正式動工歷經14年,其過程充滿了各種技術性和非技術性問題,技術性包括開發方式規劃調整、工程規模擴大、選壩河段范圍延展、引水發電系統及泄水系統地下洞室規模龐大等問題。非技術性有“5·12”地震影響復核、川陜哲羅鮭增殖放流、減水河段生態放流、項目經濟性評估等問題。每個問題都是過程中的一道高坎,決定著項目生死存亡,但在業主和各相關單位共同努力下,堅持勘察設計優先,應用先進技術,學習和吸取國內外水電工程的經驗,攻堅克難、勇于創新,達到電站開發預期。

2 河段開發方式規劃調整

為開發利用大渡河豐富的水能資源,自20世紀50年代以來,各有關單位持續進行了大量的勘探、規劃和設計工作,編制了一系列有關大渡河的水電開發報告。2003年7月完成《四川省大渡河干流水電規劃調整報告》首次將大渡河干流向上游延伸至四川省境內的腳木足河段,確定了3庫22級的開發方案,其中雙江口以上的大渡河東源腳木足河按四級開發,梯級自上而下分別為下爾呷、巴拉、達維和卜寺溝。

大渡河干流規劃報告對腳木足上游河段提出的是4級堤壩式開發,其中巴拉梯級壩高230多m,裝機560 MW。通過分析巴拉河段地形、地質和河道比降等自然條件,設計單位提出將巴拉梯級從堤壩式調整為混合式開發,并適當調低達維梯級正常蓄水位減少日部鄉淹沒、從而增加巴拉梯級水頭和裝機容量的建議,以充分利用河段中花崗巖地層和千分之十二的河道縱坡。該建議得到業主和原規劃編制單位成都院的積極響應,隨即委托編制,于2008年獲得水規總院的批復。由此,電站壩高從230.0 m左右壩高降低到140.0 m左右,增加9 km長引水和尾水隧洞,裝機也從560 MW增加為720 MW,工程直接投資減少6～7億元。

3 樞紐總布置定局

一個水電站的樞紐總布置的謀篇布局是電站能否建成的關鍵,巴拉也不例外。

首先,對過工程開發河段進行分析:上游阿壩縣茸安鄉阿柯河口至馬爾康縣日部鄉日部吊橋止,河段全長36.82 km,天然落差242.52 m,河段平均縱坡6.59‰。區內屬中高山峽谷河段,河道縱坡具有“兩頭緩、中間陡”的特點:色江吊橋以上23 km長河道整體較順直,縱坡在3～4‰間,水流平緩,河谷相對較狹窄;以下10.5 km河段至巴拉峽谷口縱坡在12‰～13‰間,谷底寬一般45.0～60.0 m,河谷狹窄,水流湍急;巴拉峽谷口以下2.1 km,縱坡陡降為3‰～4‰間,谷底寬一般50.0～90.0 m,河谷寬緩,水流平緩。

其次,經現場踏勘河段地形地質條件研判:河段為典型高山峽谷地貌,河谷基本呈“V”字型,兩岸山體雄厚,階地、漫灘不發育;與縱坡陡緩分界基本相同,中間河段有侵入燕山期黑云二長斑狀花崗巖,而兩頭為侏倭組變質砂巖,巖質堅硬致密、抗風化能力強;具備建壩的地形地質條件。

再次,為根本上解決達維水庫淹沒征地所帶來關鍵問題,原巴拉規劃壩址-達維水庫庫尾間長約 5 km 的河段 50.0 m 水頭的水能資源,經開發方式調整后,降低原達維電站規劃正常水位2 730.00 m至2 680.00 m,相應 50.0 m 水頭轉移到巴拉電站,巴拉尾水水位約2 680.00 m。

基于上述三方面分析認識,總樞紐布置格局原則在2007年12月首次現場綜合踏勘后就基本確定,即:充分利用陡縱坡河段引水,壩址盡量上移至上游河段陡緩分界范圍內,地下廠房洞室避開不利地層而置于花崗巖體下游邊界內,同時設1.7 km尾水洞退水至廠房銜接下游梯級庫水位。該樞紐布置格局的重要意義是針對巴拉梯級流域內不利自然地形地質條件,充分利用河段特點和區內地質地層特性,大膽地謀定“廠房中部開花、長引水加長尾水的雙調壓井”混合引水樞紐布置格局,不僅從本質上為電站宏觀技術可行和投資可控定下調子,亦為整個電站后續勘察設計、申請立項和開工建設奠定了基礎。

4 壩址壩型精細化選擇

為精細化決策,結合巴拉水電站與上、下游梯級銜接關系,在達爾倉溝至下游峽谷出口長約 12 km 河段,選擇了上、中、下三個壩址進行壩址壩型及布置格局綜合比選,三個壩址均具備修建壩高120.0～230.0 m 級當地材料壩和混凝土壩的地形地質條件,通過比選先排除地質條件較差的下壩址,重點對上、中壩址進行綜合比選。設計通過對混凝土面板堆石壩、粘土心(斜)墻堆石壩、瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土重力壩及混凝土拱壩的初步分析比較,以混凝土面板堆石壩作為當地材料壩的代表壩型和碾壓混凝土拱壩作為混凝土壩的代表壩型[1]。

從兩壩址面板堆石壩方案和混凝土拱壩方案樞紐布置及建筑物設計方面比較,上、中壩址各有優缺點,技術難度均在已有成熟經驗范圍內,社會和環境影響因素不制約。上壩址大壩規模略小但引水線路長2.4 km,上、中壩址面板堆石壩方案和混凝土拱壩方案靜態投資分別約為 67.64、67.70、67.22和68.97 億元。

綜合分析各項因素,考慮中壩址的長期電量效益優勢,最終選定中壩址、混凝土面板堆石壩為推薦壩型,期間對近壩庫岸穩定性開展了專題研究,確保了方案落實。

5 泄洪系統布置優化

巴拉電站設計洪水2 900 m3/s、校核洪水3 900 m3/s,總泄洪功率超過4 000 MW。為使樞紐布置方案合理可靠且經濟,在壩址壩型選擇成果基礎上,可研階段根據泄水建筑物設置原則,考慮溢洪道、溢洪洞、放空洞及導流洞等建筑物在左岸和右岸的布置相互協調,分配不同的泄流能力進行組合,放空洞與導流洞的結合形式,擬定了3類共7個布置格局方案進行綜合比較,重點研究左右岸泄洪通道布置重心、單側開敞溢洪道方案、高低泄水通道泄量分配及功能、導流洞利用等[2]。各方案技術上均在工程經驗范圍內,均為技術可行方案。

通過分析河道左岸具有裁彎取直天然地形,確定泄洪通道重心布置于左岸。

開敞式溢洪道與洞式溢洪道相比,由于兩岸河谷狹窄、陡峻,溢洪道進口轉彎及出河條件較差,靠山側邊坡開挖工程量巨大,最大坡高近210 m,致使邊坡支護工程量巨大和“高邊坡”問題突出;相反,高陡峽谷多采用的洞室式溢洪道方案具有較好的地形適應性,進出口邊坡高約80 m,施工及運行風險相對較小,投資比溢洪道高低約3 600萬元左右,因此,推薦采用洞式溢洪道方案。

在確定左岸高高程洞室溢洪道為主泄水通道和低高程放空洞的前提下,進行了泄量分配和導流洞利用的比較,綜合考慮推薦采用技術難度最低,可靠性最高的“三通道”泄水的組合方案,作為推薦壩址面板壩泄水建筑物方案,即左岸布置溢洪洞和泄洪放空洞,溢洪洞可單獨宣泄100 a一遇洪水,泄洪放空洞可參與宣泄設計和校核洪水,也可單獨宣泄常年洪水,右岸導流洞只承擔施工期導流任務,蓄水發電前進行封堵。

為確保方案的合理可靠,在上述基礎上開展了樞紐整體水工模型試驗和洞式溢洪道單體水工模型試驗,細化確認了可研方案。施工階段再次對泄洪放空洞及其出口挑流消能開展了單體水工模型試驗,優化了細部結構型式。

6 引水發電系統技術難題的解決和優化

引水發電系統采用地下廠房居中、高低隧洞輸水、雙調壓室的特有布置模式,即:“上平引水隧洞+上調壓井+地下廠房+下調壓室+下平尾水隧洞”。雖電站整體規模中等,但其引水系統結構規模和技術難度高于絕大多數大中型電站。其主要技術難點集中在隧洞、調壓室、高壓管道混凝土襯砌及系統水力過渡四個方面。

引水和尾水隧洞設計引用流量383.1 m3/s,輸水經濟洞徑11.0 m,最大開挖洞徑14.2 m,規模在川內排前3名,國內外也名居前列。上平引水隧洞圍巖比較好,Ⅱ、Ⅲ類居多,難點主要是斷層和密集帶。尾水隧洞基本上都是Ⅳ、Ⅴ類圍巖,炭質板巖巖性較差。電站項目在核準前開展大量研究工作,過程充分融合和借鑒了各種先進理念和成果?？碧椒矫娓麟A段按規范并針對隧洞的特點完成了引水線路跨溝段的4個鉆孔和沿線13個平洞勘探的地質勘查實物工作,基本查明引水隧洞所穿越區的地層條件和圍巖情況,沿線未有大斷裂和斷層,僅一條次級1.0～2.0 m斷層破碎帶,隧洞常遇的巖爆、斷層、地下水等地質難題對巴拉電站在常規經驗預期范圍。依托勘探成果,大膽運用現代隧洞設計理念,即“以圍巖自身為主要承載結構,輔之以噴錨支護、二次支護以及固結灌漿等加固圍巖措施,最終目的使噴錨支護、圍巖灌漿加固、圍巖結構組成復合體聯合承載”,采用Ⅱ、Ⅲ圍巖噴錨不襯砌,Ⅳ、Ⅴ類圍巖全斷面鋼筋混凝土薄襯砌(厚0.8～1.0 m)為隧洞結構設計,大大節省了工期和造價,為項目最終可研審查和項目投資評審通過奠定了良好的基礎[3]。

上、下調壓室均為地下埋藏圓筒式,單室阻抗式,上調壓室開挖直徑34.9 m、穹頂36.5 m、井深90.5 m,下調壓室開挖直徑40.8 m、穹頂44.0 m、井深45.97 m。相比目前已完建的一些大型水電工程(糯扎渡、小灣、錦屏一級水電站調壓室,以及近期建成白鶴灘水電站尾水調壓室)[4],其結構規模較為近似,設計和施工技術難度均具挑戰性。尤其是上調壓室,預可研階段上調壓室采用長廊阻抗式,跨度僅15.0 m,但可研階段審查后推薦地下埋藏圓筒阻抗式,跨度規模突增。由于前期選址勘探通道極端困難,沒有平洞勘探條件,僅在可研審查前完成了一個穹頂鉆孔,因此,這個方案選擇客觀上存在一定風險,或要求繼續等待具備勘探條件后補勘,或隨工程施工過程進行位置的動態和精準選址。為繼續等待時機而拖延整體項目進程,最終選擇了后一種跟進措施,目前已經有效精準實施。

壓力管道最初設計為全部鋼板襯護,最大內水壓力0.8～3.1 MPa,在可研審查過程中,考慮地下廠房平洞圍巖較好、壓力中等,審查專家提出僅廠前100.0 m段鋼板襯護、其余均采用混凝土襯砌的方案,后經專題論證研究最終可研方案予以采用,直接節省投資約2 000萬元。

前期和施工階段均委托四川大學水電學院進行引水發電系統水力過渡過程計算,成果表明電站調節保證計算值滿足規范要求,壓力鋼管全線正壓,電站機組間水力干擾不大,調壓室面積滿足引水系統小波動穩定性要求。

7 建設過程中的樞紐布置持續優化和深化

巴拉電站前期至主體工程開工建設歷時較長,期間經歷了規程規范的更新迭代、建設理念和工程技術的更新。在建設過程中,按審定的樞紐布置格局和主建筑物型式不變的基本原則,持續開展優化調整工作,使各建筑物使用功能和施工方案符合現行規程規范要求,在保證安全和質量的前提下,力求技術先進,盡可能節約工程投資、便于施工并縮短工期[5]。不完全統計采取的優化調整和深化工作有:

(1)邊坡開挖支護動態設計,支護措施精準施用,有效的使水電站永久邊坡降低至80.0 m以內,并經歷了馬爾康“6·10”地震考驗;

(2)進水口位置優化調整,在降低邊坡的同時縮短引水線路,節省工程投資;

(3)出線場布置格局調整,減小永久邊坡高度,提高出線場施工和運行安全;

(4)大型溢洪洞室淺埋段專項研究和泄洪放空洞水力條件優化,為工程實施和未來安全運行打下基礎;

(5)上游調壓室型式及位置的專題研究,通過施工期補充勘探、專題研究和專家咨詢,復核了結構型式和選定了最終的調整位置。

8 結 語

巴拉水電站大渡河干流源頭雙江口以上最后一批規劃開發的梯級電站之一,與下游已建和在建梯級相比,地理環境條件較差,自然區內地質條件不好,加之前期規劃勘察工作深度不足,因而梯級投資指標不好且存在項目可行與否的風險。巴拉梯級作為最后一批四個梯級電站中指標最好的一級電站(單位千瓦靜態投資9 500元、單位電度投資2.6元)能核準開工建設,主因是對電站總樞紐布置格局重要性的高度認知和創新實踐,既充分結合梯級區內的自然邊界條件(河道特性、地質情況等),又不斷借鑒先進工程經驗和技術,并針對涉及樞紐布置的關鍵技術有的放矢地開展了多項專題研究,達到預期效果。文中所列若干巴拉電站技術核心的思路和方法對于后水電時期的梯級開發具有一定的借鑒意義。