緬甸道耶坎Ⅱ級水電站樞紐布置設計

萬云輝,張 超,熊澤斌,孔凡輝

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢430010)

0 引 言

道耶坎Ⅱ級水電站位于緬甸錫唐(Sittaung)河流域,東吁(Taungoo)市以東21 km,對外交通條件較便利。樞紐布置是道耶坎Ⅱ級水電站設計的重要內容。在設計過程中,需考慮的因素眾多,主要包括水文氣象、工程地質條件、主要建筑物設計方案、施工組織等,樞紐各建筑物布置的合理性直接影響電站投資、功能和效益發揮[1-3]。在前期的樞紐布置研究中[4-6],主要考慮如何適應工程客觀條件,發揮工程最大效益,而對工程建筑物形式調整和優化、自然環境影響等的考慮偏少。道耶坎Ⅱ級水電站采用當地材料壩,既要滿足樞紐的各項任務和功能要求,又要因地制宜充分發揮當地材料壩的優點[7]。道耶坎Ⅱ級水電站地處東南亞熱帶雨林,森林覆蓋率98%,自然環境條件優良,植被茂盛。通過在樞紐布置方案設計中對擋水建筑物大壩壩型方案的調整,可節約當地的黏土資源,減少料場開采、運輸對熱帶雨林的破壞,最大限度地保護當地人民群眾賴以生存的自然環境。

道耶坎Ⅱ級水電站樞紐工程區主要為全強風化巖體,抗沖刷和風化能力差,給水工建筑物設計帶來較大的挑戰。本文主要介紹了道耶坎Ⅱ級水電站樞紐布置設計方案優化過程,總結了樞紐布置的主要特點,可為今后類似東南亞地區水電站工程設計提供參考。

1 工程概況

道耶坎Ⅱ級水電站壩址以上流域面積2 152 km2,多年平均流量為134 m3/s,多年平均徑流量為42.2億m3。正常蓄水位為127.00 m,校核洪水位為130.34 m,總庫容4.470億m3,調節庫容3.026億m3,電站裝機容量為120 MW,年平均發電量為6.047億kW·h。電站開發任務以發電為主,兼有灌溉及其他效益。樞紐工程主要由河床混凝土面板堆石壩、3座副壩、左岸正常溢洪道、非常溢洪道和引水發電系統等組成,工程規模大,樞紐布置需考慮復雜的水文氣象、工程地質、社會環境等因素。

根據規范GB 50201-2014《防洪標準》、NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》,道耶坎Ⅱ級水電站為Ⅱ等大(2)型工程,大壩、溢洪道、引水發電等主要永久水工建筑物均為2級建筑物,設計洪水標準為500 a一遇,對應洪峰流量為3 560 m3/s;校核洪水位按5 000 a一遇洪水加20%洪峰流量設計,對應洪峰流量為6 200 m3/s。工程場址區基本烈度為Ⅷ度,壅水建筑物抗震設防類別為乙類,非壅水建筑物抗震設防類別為丙類,均采用基本烈度作為設計烈度,相應設計地震加速度代表值為0.3g。

電站于2008年11月開工,2010年10月完成截流,2012年12月下閘蓄水,2013年3月,3臺機組全部并網運行,工程總投資約18億元。截至2023年,工程各項運行指標優良。

2 水文氣象與地質條件

2.1 水文氣象條件

道耶坎河是錫唐河左岸一級支流,流域形狀為長條形。從河源到與錫唐河匯合處,主河長約120 km。河源處高程為1 450 m,河口為40 m。工程所在流域為熱帶氣候,受季風影響,一年分為兩季,即雨季和旱季。雨季通常從5月中旬持續至10月中旬,降雨量可占全年90%左右。流域年均降雨量約2 692 mm。多年極大風速6.4 m/s,風向ES,最小風速0.2 m/s,風向SN。

2.2 地形地質條件

道耶坎Ⅱ級水電站壩址處河谷形態大致呈“V”形,右岸地形坡度23°～32°,左岸自然坡度31°～36°。正常蓄水位127 m高程處河谷寬度為333 m,枯水期河水面寬45 m,水深1～2 m。河床覆蓋層為沖積砂礫石,厚6.6 m,未發現可能產生地震液化的粉土或細砂層等不利地層。河床基巖主要為砂巖及變質砂巖,其中右岸基巖主要為片巖夾變質砂巖,左岸主要為變質砂巖夾片巖,呈薄層狀至碎裂狀結構,夾少量中厚層狀結構。巖層走向300°～320°,傾NE(傾上游),局部傾SW(傾下游),傾角60°～68°,巖層走向與河流流向近直交,為橫向谷。

電站壩址區巖體抗風化能力差,左岸巖體條件略好于右岸。左壩肩B19、B1、B2等3個鉆孔揭露的巖體強風化帶深度分別為25.0,27.0 m及14.5 m,右岸沿壩線部位實施的6個鉆孔中,B5揭露的全風化帶深度大于60 m,B6揭露的巖體全風化帶深度大于40 m,右岸壩線上游存在風化深槽。地質勘探資料表明:建壩巖體中發育有F1、F2兩條主要結構面,巖體結構以碎裂結構為主,近地表為碎裂狀夾散粒狀結構,巖體較破碎-極破碎。壩肩巖體中的變質砂巖及石英巖屬中硬-硬巖,抗風化能力強,巖體以Ⅲ類和Ⅳ類為主;片巖、黑片巖屬軟巖,抗風化能力差,該類巖體以Ⅳ類及Ⅴ類為主。壩址區分布的透水介質類型主要為裂隙性(基巖)和孔隙性(沖積砂卵石、殘坡積土體和全風化巖體),全、強風化巖石和砂卵石為強透水層,弱風化-新鮮巖石和殘坡積土體為弱-中等透水層。

3 樞紐布置方案

3.1 主壩壩型選擇

根據地形資料,可選壩址處河谷寬高比約為4∶1。壩址基巖主要以砂巖、變質砂巖及片巖為主,片巖為軟巖,不適宜建設拱壩,若建重力壩則基礎處理工程量極大。此外,該工程地處緬甸欠發達地區,應盡量減少水泥、鋼筋等外來物資運輸量。基礎設計階段推薦主壩壩型為黏土心墻堆石壩,壩頂高程132 m,心墻頂高程131.5 m,河床建基面高程40 m,最大壩高92 m,壩頂寬10 m,壩頂長度390 m。大壩上游壩坡坡比為1∶3.15,下游壩坡坡比為1∶2.15。心墻壩上游圍堰與大壩結合,采用黏土心墻防滲。大壩心墻部位建基面采用固結灌漿,在心墻中心線上布置一排主帷幕孔,孔深80 m,主帷幕孔上下游各布置一排輔助帷幕孔,孔深50 m。對于強風化巖層未完全挖除的黏土心墻堆石壩基,將根據實際情況采取防滲墻再接灌漿帷幕的措施。防滲帷幕按灌后基巖透水率小于3 Lu控制。黏土心墻堆石壩和上游圍堰分別需黏土62萬m3和22萬m3。

對前期設計選取的2個土料場儲量進行重新計算:位于右岸的3號料場儲量約42萬m3,位于左岸的7號料場總儲量33萬m3,合計75萬m3,儲量無法滿足黏土心墻的填筑要求,需尋找其他填筑方案。

根據緬甸WREUT公司進行的試驗結果,兩料場土料的液限及塑限超出了SL 274-2020《碾壓式土石壩設計規范》規定的心墻黏土料的上限值,存在施工碾壓困難、孔隙水壓力難以消散、黏土心墻質量難以控制等問題,而混凝土面板堆石壩可以適應當地地形地質條件,且不會面臨黏土心墻壩心墻土料料源因難的問題。此外,緬甸雨季持續時間長,對面板堆石壩施工影響小,對黏土心墻填筑影響較大,且黏土心墻堆石壩的黏土心墻填筑需在基礎帷幕灌漿完成后進行,施工工期較長,直線工期需30個月,而混凝土面板堆石壩施工直線工期只需17個月。并且,面板壩總填筑量少168.72萬m3,工程靜態投資可節省684萬元。

綜合上述因素,在實施階段,主壩采用混凝土面板堆石壩的施工方式。

3.2 副壩布置

3個副壩布置于大壩庫區左岸的幾個埡口處,距離大壩直線距離約2 500 m,均為均質土壩,壩頂高程均為134.0 m。

3.3 溢洪道布置

前期設計方案溢洪道采用無閘開敞式方案,控制段采用低堰,堰面采用WES曲線,堰頂高程127 m,凈過流堰寬400 m,下游與泄槽段混凝土底板用1∶0.5的坡銜接,泄槽段混凝土底板厚30 cm,距離堰頂斷面20 m后泄槽不襯砌,順水流方向開挖坡比為1∶800。該方案存在以下問題:① 溢洪道寬度較大,開挖山體厚度超過50 m,開挖工程量大,工程投資大;② 盡管泄槽內最大單寬流量不超過15 m3/(s·m),但上、下游最大水頭差超過60 m,泄槽末端流速將超過20 m/s,而消能區基礎巖體主要為強風化砂巖,裂隙發育,抗沖流速一般小于5 m/s,消能防沖問題突出。

經充分論證研究,在可行性研究階段,將溢洪道調整為有閘控制的溢洪道,泄洪軸線方向與無閘控制溢洪道一致,共設5個表孔,采用低堰形式、堰面采用WES曲線,堰頂高程115.0 m,孔口尺寸為10 m×12 m(高×寬)。泄槽寬62 m,底板及兩側均采用厚鋼筋混凝土襯砌,并布置錨筋和底部排水。有閘控制溢洪道可節省投資11 057萬元,且采用全鋼筋混凝土襯砌泄槽,安全風險低;在地震時可降低庫水位,震后低水位有利于安全和檢修,在施工后期,有利于導流隧洞封堵及提前發電,調度靈活。

3.4 引水隧洞及導流隧洞洞線選擇

前期設計方案中引水隧洞布置于左岸,緊靠大壩,導流洞位于左岸上游。該方案引水洞進出口開挖相對較少,但引水洞上覆巖體較薄,尤其在大壩下游的大沖溝位置,上覆山體僅30 m,而巖石地震波速為2 500 m/s左右,巖體質量較差;導流洞地質條件雖較好,但洞軸線較長。

根據現場查勘情況和實測地形圖,推薦將引水洞往左側平行移動約80 m,導流洞軸線調整到原引水洞的軸線位置。雖然調整后兩條洞進口開挖有所增加,但引水洞上覆巖體顯著增加,最小厚度約70 m,地質條件明顯改善;導流洞軸線長度從800 m縮短到500 m。另外,相對于原引水洞,導流洞底板高程降低20余米,上覆巖體厚度增加較多,具備成洞條件。道耶坎Ⅱ級水電站樞紐布置示意見圖1。

圖1 道耶坎Ⅱ水電站樞紐布置示意Fig.1 Layout of Thaukyegat Ⅱ Hydropower Station

4 主要建筑物設計

道耶坎Ⅱ水電站工程主要建筑物由河床混凝土面板堆石壩、3座副壩、左岸正常溢洪道、非常溢洪道和引水發電系統等組成。

4.1 混凝土面板堆石壩

主壩布置于WWS向河谷的主河床,為混凝土面板堆石壩,壩頂高程133 m,河床趾板基礎高程42 m,最大壩高91 m,壩頂長度381.0 m。面板頂高程129 m,壩頂上游面布置防浪墻,墻高5.2 m。上游壩坡坡比1∶1.4;為提高大壩抗震性能,下游壩坡上緩下陡,在高程109.0 m以上和以下的坡比分別為1∶1.5和1∶1.4,并在高程109.0 m、84.0 m和55.0 m分別設3 m寬馬道。

根據壩體各部位工作和受力條件、填料來源及其特性,大壩主要分為上游鋪蓋區、蓋重區、墊層區、過渡區、主堆石區、下游堆石區、下游護坡和壓坡等。蓋重區采用建筑物開挖的棄渣填筑,其他均采用料場開挖的微新花崗巖填筑。

4.2 副 壩

3座副壩布置于主壩左岸上游的幾個埡口處,距離大壩直線距離約2 500 m,均為均質土壩。3座副壩壩頂高程均為134.0 m,壩頂寬度均為8.0 m,上、下游壩面坡比分別為1∶3.5和1∶3.0。其中,1號副壩最大壩高20.8 m,壩頂長度98 m;2號副壩最大壩高30.3 m,壩頂長度147.0 m;3號副壩最大壩高46.2 m,壩頂長度254 m。

4.3 溢洪道

溢洪道布置在主壩上游左岸的鞍部山體,距離主壩直線距離約700 m。溢洪道由進水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎、下游消能區等組成。

引水渠渠底高程110 m,渠底寬75 m,中心軸線長54.3 m。閘室為開敞式,壩頂長度140.8 m,共5個表孔壩段,孔口尺寸為10 m×12 m(寬×高),堰型曲線為WES曲線。

泄槽凈寬70 m,上緩下陡,上半段坡比1∶100,下半段坡比1∶2.5,中間采用豎坡曲線銜接,泄槽底板厚80 cm。泄槽底板設置卵石填充內包排水軟管的排水盲溝。采用挑流消能,挑坎反弧半徑R=25 m,挑角25°,挑坎底高程54 m,在挑坎底板末端設置齒腳。

4.4 非常溢洪道

非常溢洪道布置在1號副壩與2號副壩中間的小山丘上,底部開挖高程127.0 m。流道中間設置擋水埂,長92 m,頂部高程127.5 m,頂部總寬5.0 m,由填土和干砌石組成,其中填土總寬4.4 m;上下游各設頂寬0.3 m的干砌石護坡,護坡坡度1∶1.5。

4.5 引水發電系統

引水發電建筑物布置在河道左岸,采用引水式岸邊明廠房型式,安裝3臺單機容量40 MW的混流式水輪發電機組,總裝機容量120 MW。引水發電系統由引水系統、電站廠房、尾水渠及地面開敞式開關站組成。

引水隧洞長538 m,廠房為岸邊地面廠房。引水隧洞進水口高程77 m,上游設置攔沙坎,坎頂高程80.0 m,引水洞直徑8.5 m,出口采用斜三岔管,岔管直徑3.5 m。

電站廠房位于主壩下游左岸灘地,廠房尺寸為66.70 m×37.70 m×39.40 m(長×寬×高)。廠房建基面高程35.00 m,機組安裝高程46.50 m,發電機層高程57.50 m,尾水平臺高程59.00 m。尾水渠軸線垂直于廠房縱軸方向,渠底高程47.00 m。廠房開關站為開敞式,布置在廠房進廠公路左側,地面高程為64.00 m,平面尺寸為91.56 m×66.80 m(長×寬),其下游側設進場公路連接廠房進廠公路。

4.6 導流建筑物

導流建筑物由導流洞、上下游圍堰組成。導流洞布置在左岸。按20 a一遇洪水設計(最大洪峰流量1 930 m3/s),導流洞長500 m,斷面為馬蹄形,斷面尺寸10.0 m×10.9 m(寬×高),凈過流面積95 m2,隧洞進口高程50 m。上下游圍堰頂高程分別為84 m和55 m。

5 工程主要特點及成果

(1) 強風化巖層上修建高水頭趾板?；炷撩姘宥咽瘔畏罎B體系一般由厚度不到1 m的混凝土趾板、面板及其分縫止水和基礎帷幕組成,關鍵在于趾板定線及建基面的選擇。按一般的設計理念,高水頭面板堆石壩趾板基礎要進入弱風化巖層,而本工程壩基巖體巖性軟弱,巖石風化強烈,呈不均勻風化,全強風化層深度較厚,多為30～40 m,左右岸全風化槽發育,局部達60～80 m。如果大壩趾板基礎全部進入弱風化巖層,則工程量增加較多。經過分析研究,最終確定趾板基礎大多位于強風化巖體之上。

(2) 軟弱地區邊坡處理及洞室開挖支護。溢洪道、導流洞進水口、廠房進水口等建筑物邊坡多為強風化圍巖條件,且大直徑導流洞和引水隧洞多次穿過軟弱巖層。對此,總結出一套軟弱地區邊坡處理及洞室開挖支護的設計方法,并提出了相應的設計原則、分析方法及技術標準,有效保證了邊坡穩定和地下洞室成洞。

(3) 軟弱巖層消能防沖設計。溢洪道消能區底板高程以上基本位于全風化區,為防止泄槽挑坎基礎被淘刷和有效改善水流對消能區邊坡的沖刷,采取“柔性防護,先沖后護”的原則,明渠底板采用厚80 cm柔性排水墊底,明渠擴散段下游不進行專門的襯砌。與工程量巨大的傳統剛性防護方法相比,節省了大量的施工資金,加快了施工時間。

(4) 利用專業三維軟件進行三維設計。道耶坎Ⅱ級水電站工程地質資料缺乏,需根據開挖揭露的地質條件對設計進行實時調整。由于水工結構自身的復雜性,設計難度大,設計周期長,容易出錯,后期不便調整,如趾板為三維異性結構,其控制點必須通過復雜計算才能得到。自2009年初開始,通過引入CATIA三維設計軟件,歷經2 a時間,建立了“骨架控制標準化模塊”等多個控制模塊,對面板壩、溢洪道等特征進行了三維可視化參數設計,大幅度提高設計的效率和精度,為工程樞紐布置優化奠定了堅實的基礎。

(5) 自然環境和諧,人文環境協調。道耶坎Ⅱ級水電站為建設于緬甸道耶坎河中的大型構筑物,在滿足水電站安全運行的功能要求下,充分考慮當地的社會風俗習慣,合理運用各種技術手段,以“適用、經濟、美觀”為原則,塑造具有現代水電工程特色的新形象,尤其注重建筑與環境的相互依存和相互協調,實現主體工程和自然環境的完美結合。通過實施水土保持工程,在防治施工區水土流失的同時美化施工區景觀和生態環境。注重開展陸生生態和水生生態保護,通過就地保護、遷地保護的方式反哺自然。

(6) 工程建設采用新型的水電項目咨詢模式。道耶坎Ⅱ級水電站是緬甸第一個由民營企業投資、建設和運營的水電項目。建設單位和主要土建施工單位都是首次涉足水電行業,大多數管理和施工人員未參與過水電站的建設,施工詳圖階段設計采用“全過程、全方位咨詢”的新型水電項目咨詢模式,解決了一系列具有開創性和挑戰性的技術難題,使部分水電建設需求較大的國家可以利用國際先進技術,以最小的資金發揮他們的資源和人力優勢,成功建設水電項目推動經濟發展,并通過項目建設培養技術管理人員。

(7) 打造為中緬合作建設典范性工程。首次將面板堆石壩這一壩型引入緬甸水利水電工程中,并協助一個首次涉足水電行業的當地企業用53個月時間完成工程建設(同期緬甸國內水電建設周期一般為8～10 a)、創造了緬甸水電建設新速度。該項目被視為中緬合作建設水電站典范,并已成為緬甸國家水電建設培訓基地。該工程建設過程中全部采用中國標準和規范,促進中國標準“走出去”;2014年工程獲得東盟頒發的杰出工程成就獎;2021年獲得國際小水電聯合會頒布的中外水電國際合作優秀案例獎。

6 結 語

道耶坎Ⅱ級水電站位于緬甸國內用電負荷中心,自2013年3月,3臺機組全部并網運行以來,大大緩解了緬甸電力供應的緊張局面。運行期電站基本處于正常蓄水位的高水位運行。混凝土面板堆石壩的變形和滲流已基本趨于穩定[10-11],最大沉降量不足1 m,低于壩高的1%,最大滲漏量小于10 L/s。溢洪道多次放水,并經歷最大泄流量549 m3/s的泄洪考驗。水力學原型觀測和汛后檢查表明:泄洪消能主要建筑物完好無損,下游沖刷情況與預測一致。運行監測結果表明:引水隧洞圍巖穩定性良好,邊坡穩定,主要建筑物運行良好。工程實踐驗證了緬甸道耶坎Ⅱ級水電站樞紐布置及建筑物設計的合理性,可為類似土石壩工程樞紐布置提供良好借鑒。