固增水電站首部樞紐設計變更分析與評價

張 巨 會

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 彭山 620860)

1 概 述

固增水電站位于四川省涼山州木里縣,工程樞紐由攔河閘壩、進水口、引水隧洞、調壓室、壓力管道、地面發電廠房組成。固增水電站采用EPC建設模式,充分發揮了設計施工一體化優勢,在其實施過程中通過不斷進行優化調整以達到方便施工、節約投資、有利于風險控制的目的。

固增水電站于2011年7月即完成初步設計報告并通過了發改委能源局委托組織的審查,其距技施階段時長已約8年,在此期間,其上游的沙灣電站、俄公堡電站及卡基娃電站已相繼建成發電,外部條件發生了較大變化。另外,由于技施階段與初設階段的設計精細化程度存在差異,通過更深入的設計,在滿足規范及合同要求的前提下,對首部樞紐的設計進行適當的變更調整是必要的。其主要部位有:防滲布置,上游左岸導墻布置,進水口、泄洪、沖沙閘、護坦及海漫結構,均屬于一般設計變更。具體介紹于后。

2 設計變更的分析與評價

2.1 防滲布置方案的變更

2.1.1 變更內容

與初設階段相比,對技施階段首部樞紐防滲線的走向、兩岸防滲深度、防滲長度均進行了一定的調整。

(1)防滲線平面布置走向的調整。初設階段左岸防滲線布置在進水口底部靠近下游側,導致進水口底部揚壓力較大。為滿足整體穩定應力要求,進水口下游側邊墻采取與左岸擋水壩相結合的型式導致進水口混凝土方量偏大,而且其結構受力較復雜。為減小進水口底部的揚壓力、有利于進水口結構的穩定,同時節省投資,技施階段對防滲線走向進行了局部調整。防滲線依舊采用折線布置,將防滲墻河床部位布置在閘前長度為13.5 m的混凝土鋪蓋下,防滲中心線樁號為(閘)0-011.00;右岸從樁號(壩)0+038.00處向下游轉至右岸擋水壩段底部靠上游側(閘)0+002.50),與右岸岸坡深入基巖的防滲帷幕相連接;左岸在取水口底部靠上游側(取)0+001.50布置,再沿引水中心線方向上游9 m布置至左岸岸坡與岸坡深入基巖的防滲帷幕相連接。混凝土防滲墻的方量在初設階段為3 608 m3,技施階段為2 340 m3。

首部樞紐防滲線走向的調整有利于進水口結構的穩定,安全且合適。

(2)兩岸防滲深度、長度的調整。初設階段采用河床段全封閉混凝土防滲墻+兩岸帷幕灌漿深入弱風化、弱卸荷巖體下限的方案。技施階段河床段依然采用全封閉混凝土防滲墻,墻底深入基巖1 m,與初設階段一致。由于該電站首部樞紐擋水高度較低(最大擋水高度為22 m),根據該工程閘址區水文地質條件并結合閘壩布置特點,技施階段對兩岸帷幕施工考慮采取分期形式實施,第一期先實施洞口段的帷幕灌漿(左岸30 m,右岸30 m),帷幕深入巖體弱風化、強卸荷線下,與河床段防滲標準一致。第一期防滲帷幕施工完成后進行壓水試驗,若其透水率小于5 Lu,可不進行第二期帷幕灌漿,否則需采取第二期防滲帷幕進行處理,以確保電站滲漏量在可控范圍內。

2.1.2 防滲布置方案變更的分析評價

通過滲流計算對基礎防滲的安全性及經濟性進行了評價與分析。變更后的總滲流量較小,為0.068 m3/s,僅占枯期平均流量49 m3/s的0.14%,對電站的運行及電能損失極小。

(1)運行安全。技施階段的方案與初設階段的方案在覆蓋層段的防滲布置方案一致。通過復核,其閘室基礎水平段和出口段的滲透坡降均小于土層允許的滲透坡降,且其護坦底部布置有排水和反濾層,滲流穩定安全裕度大。因此,其基礎滲透穩定是安全的。

通過防滲線的調整,將大壩左岸防滲體布置在進水明渠上游側可減少明渠底部揚壓力,有利于其結構穩定。

(2)運行效益。由于技施階段的方案與初設階段的方案在基巖段的防滲范圍有所區別,故其在滲流量方面存在差異。根據合同要求,設計總滲流量(包括壩基、壩體、兩岸繞滲量)應不高于國內已建類似規模水電工程擋水建筑物實際滲漏量的平均值。而根據相關規范[1],四川省境內的一些已建工程,如太平驛、福堂、姜射壩、冷竹關、桑坪、小溝頭等工程的基礎滲漏量一般按小于枯期平均流量的1%～3%設計。該工程技施階段防滲布置調整后其總滲流量僅占枯期平均滲流量的0.14%,遠小于一般工程要求,對電站運行的電能損失極小,可忽略不計。

(3)工程投資。通過調整防滲的范圍,技施階段帷幕灌漿的長度以及灌漿平洞的長度均有一定程度的減少,故其投資亦相應地減少。

綜上所述,技施階段實施的變更后的防滲方案其滲流穩定安全并有利于進水口穩定;滲流量滿足合同以及一般工程要求;在不影響工程質量、安全的前提下,還可以節省工程投資。因此,所實施的防滲布置方案合理。

2.2 上游左岸導墻布置方案變更

2.2.1 變更內容

與初設階段相比,技施階段對首部樞紐上游左岸導墻的長度進行了一定程度的縮短;對導墻高度進行了一定程度的增高,增加了0.5 m;對清污壩段進行了一定程度的加長。

初設階段,一期上游橫向圍堰中心線樁號為(閘)0-087.00,上游左岸導墻上游端樁號為(閘)0-157.38,超出一期上游圍堰約70 m。對于這一段70 m的上游導墻采用的施工方式是枯期水下開挖、水下澆筑混凝土,但其施工工期較長且混凝土施工質量難以得到保證。為節約工期、減少上游水下混凝土施工的難度并保證上游導墻的混凝土澆筑質量,有利于上游圍堰及導流明渠的布置,在技施階段,適當縮短了上游左岸導墻的長度。地質資料顯示:閘首區域兩岸閘肩邊坡高陡,巖性為三疊系上統曲嘎寺組(T3q))中厚層灰巖夾薄層灰巖,局部夾板巖,巖層傾向下游,為斜橫向坡,現場地質測繪未發現有大規模的失穩及變形現象,兩岸閘肩坡體整體穩定,故在技施階段將上游導墻的總長度由初設時的112.7 m減短為技施階段的49.5 m。至上游圍堰后,由靠近清污平臺壩段的半重力式導墻漸變至上游的貼坡式護坡。對導墻上游一定范圍的邊坡進行開挖以使導墻與上游岸坡平順連接。考慮到水流條件,將上游導墻頂高程由初設階段的2 215 m抬高至技施階段的2 215.5 m,超出正常蓄水位2 215 m高程0.5 m。根據對清污工作場地的要求,將上游左岸導墻與取水口間的清污壩段由初設階段的8 m加長至12 m。

2.2.2 方案變更分析

分別進行的多級流量的流速測定和流態觀測的水工模型試驗成果表明:當上游來流量較小、壩前水位保持的汛期排沙運行水位2 212 m高程運行(原設計方案壩前水位)的情況下,庫區水流平緩,水面平靜,閘前及電站進水口附近河段流速均較小。當流量Q為169 m3/s時,電站發電,泄洪閘、沖沙閘全關的情況下,實測閘前附近河段的流速均為0.4 m/s左右。隨著流量的增加,電站取水口及閘前附近河段的流速亦隨之增大,當流量Q=450 m3/s和Q=641 m3/s(P=50%),壩前水位保持在2 212 m高程運行時,實測沖沙閘前最大流速分別為1.37 m/s和2.19 m/s,泄洪閘前的最大流速分別為0.96 m/s和1.42 m/s。模型還實測了當來流量分別為Q=1 020 m3/s(P=10%)、1 230 m3/s(P=3.33%)、1 440 m3/s(P=1%)和1 720 m3/s(P=0.2%),電站停機時,在沖沙閘和泄洪閘全敞泄沖沙的情況下,閘前河道流速的分布由于該樞紐閘上游河床坡降大,閘前附近的流速隨著流量的增大及閘前水位的壅高而逐漸減小,上述各級流量在靠近上游導墻樁號(閘)0-090.00附近的最大流速分別為0.78 m/s、1.02 m/s、0.86 m/s和0.89 m/s。相對而言,取水口上游流速不大,因此,適當縮短上游左岸導墻的變更方案可行。

2.2.3 方案變更評價

首部樞紐上游導墻的調整不影響上游水流條件及岸坡穩定,亦不影響電站安全并可縮短施工工期、節約工程投資,保證上游混凝土的澆筑質量。因此對其進行的方案調整是合適的。

2.3 進水口結構的變更

2.3.1 方案變更內容

與初設階段相比,技施階段對首部樞紐進水口的結構體型進行了一定程度的調整。

技施階段將取水口的底板頂高程由原設計方案的2 202 m降低了1 m,為高程2 201 m。孔口數量維持初設階段的3孔,其寬度由初設時的8 m調整為7 m。對取水口、引渠段及漸變段的結構體型進行了一定程度的優化。由于進水口結構的調整,僅保留了左岸儲門槽擋水壩段。

2.3.2 方案變更分析

固增水電站的天然懸移質年輸沙量為159萬t,多年平均年含沙量為398 g/m3,推移質年輸沙量為3.57萬t,考慮到卡基娃水庫建成攔沙后其懸移質年輸沙量為44.3萬t,多年平均年含沙量為111 g/m3,且因卡基娃壩址到固增閘址區屬高山峽谷地貌,入庫推移質仍按天然情況考慮。根據四川省近年部分已建成水電站泥沙資料、取水口高程的確定可以看出:固增水電站推移質輸沙量不大。根據工程類比,目前電站取水口的底板頂高程高出沖沙閘底板以上5 m是合適且合理的,能夠滿足電站引水防沙要求。

該電站初設階段取水口的過柵流速為0.94 m/s,遠小于規范規定的1.2 m/s;技施階段,取水口底板頂高程降低1 m后,孔口寬度由初設時的8 m調整為7 m,過柵流速略有增加,為0.98 m/s,遠小于規范值,完全能夠滿足規范[2]和合同要求。

2.3.3 方案變更評價

技施階段對進水口結構的調整只是在初設階段方案的基礎上進行的局部調整并通過了復核計算,優化后的結構安全系數不低于現行規范要求的1.1倍,其基礎應力分布均勻,所進行的調整不影響電站安全,可縮短施工工期并節約工程投資,滿足相關要求。

2.4 泄洪、沖沙閘等結構的變更

2.4.1 方案變更內容

與初設階段相比,技施階段對首部樞紐泄洪、沖沙閘、鋪蓋等結構進行了一定程度的調整,對抗沖耐磨措施亦進行了一定程度的調整。

(1)將泄洪、沖沙閘底板高程抬高了1 m。根據河床區域的原始地形,初設階段泄洪、沖沙閘的底板頂高程為2 195 m,低于原始河床地面線1 m;技施階段,為了確保引水防沙及良好的泄洪效果,將泄洪、沖沙閘室底板及鋪蓋高程由2 195 m抬高至2 196 m,基本接近主河床高程。

(2)閘室結構尺寸的調整。根據初步設計審查意見:“根據地質提供的參數對泄洪閘、沖沙閘及左、右岸擋水壩段進行穩定應力計算結果,在各種工況下均滿足穩定應力要求,且抗滑穩定安全系數偏大,施工圖階段根據實際情況可作適當優化。”技施階段,為響應審查意見,節約工程投資,設計單位對閘室結構根據穩定應力計算成果進行了適當優化,將泄洪沖沙閘的底板厚度由初設階段的4 m調整為3 m;閘室的邊墩和縫墩由初步設計時的3 m調整為2.5 m。

(3)抗沖耐磨措施的調整。結合國內已建成的采用急流銜接電站的運行情況,技施階段將泄洪閘工作門后底板表層的鋼襯改為40 cm厚的抗沖耐磨C40硅粉混凝土,泄洪閘1.2 m高邊墻的鋼襯和沖沙閘底板、邊墻的鋼襯維持原初設方案不變。

2.4.2 方案變更分析

根據相關規范[3]: “閘檻高程不宜低于閘址處枯水期河槽的河床平均高程”“山區河道推移質泥沙較多時,閘檻高程宜略高于閘址處枯水期河槽的河床平均高程”。初步設計階段的泄洪、沖沙閘底板頂高程為2 195 m,低于原始河床地面線1 m多,較易造成淤積。技施階段,為了確保引水防沙及良好的泄洪排沙效果,將泄洪、沖沙閘室底板及鋪蓋高程由2 195 m抬高至2 196 m,基本接近主河床高程,能夠滿足規范要求,且對泄洪、沖沙閘的安全運行更有利。水工模型試驗成果表明:閘底板高程適當抬高,對沖沙更為有利[4]。

根據泄流能力計算,設計洪水位高程為2 208.52 m,校核洪水位高程為2 210.98 m,分別比初步設計方案高1.33 m、1.49 m;但遠小于正常蓄水位高程2 215 m,能夠滿足電站泄洪要求。

由于上游龍頭水庫——卡基娃水庫建成蓄水后,固增水電站壩址以上入庫的大部分泥沙被攔淤在水庫內,河流來沙量(特別是易造成閘室混凝土磨損加劇的推移質)將大幅度減少。根據已建工程的經驗,閘室采用鋼板襯護對于抵抗泄洪高速水流挾帶泥沙的沖刷效果更好,但其施工工藝復雜,質量保證率要求高,若施工質量稍有缺陷未進行處理,泄洪時高流速水流及其挾帶的推移質將會對襯護鋼板造成破壞。由于泄洪閘工作門后具有易檢修和維護的條件,技施階段將泄洪閘工作門后底板表層的鋼襯改為40 cm厚的抗沖耐磨C40硅粉混凝土,其既能滿足相關規范要求且施工工藝簡單,施工質量和工期更能夠得到保障。對泄洪閘工作門后的底板表層采用抗沖磨混凝土作為抗沖措施同樣為類似工程普遍采用,因此,最終確定對泄洪閘工作門后的底板表層采用C40硅粉混凝土作為抗沖耐磨材料以替代初設階段的鋼板襯護。由于沖沙閘泄流量小,同時兼顧小流量泄洪和沖排沙功能,其使用更為頻繁,故仍然采用全閘室鋼板襯護方案。

2.4.3 方案變更評價

將泄洪、沖沙閘底板高程抬高1 m未減少工程安全裕度,未削弱工程的功能,并可改善泄洪效果,對沖沙更為有利,能夠確保工程運行的安全,滿足相關規范要求,故調整后的方案是合適的。

技施階段,為響應審查意見,節約工程投資,對閘室結構進行了優化。優化后的結構安全系數不低于現行規范要求的1.1倍,滿足招標文件要求,因此,調整后的方案是合適的。

由于河流上游電站的建成使河流來沙情況大為改善,故將該電站泄洪閘工作門后的抗沖耐磨材料由原設計的鋼板調整為抗沖耐磨混凝土即能夠滿足抗沖磨要求,亦能達到簡化施工、降低造價的目的,故調整后的方案是合適的。

2.5 護坦及海漫結構的變更

2.5.1 方案變更內容

與初設階段相比,技施階段對該工程的首部樞紐護坦、海漫結構進行了一定程度的調整,主要變更內容為:

(1)將護坦段貼坡扭面改為直墻型式,對左岸邊墻采用半重力式;右岸首端塊邊墻結合永久交通公路布置。本著盡量保留原公路、少開挖、少支護的原則并考慮生態流量管的布置,最終決定采用外側擋土側臺階加高的半重力式擋墻。

(2)根據水工模型試驗的建議取消了護坦上沖沙閘與1號泄洪閘之間的中隔墩;根據下游洪水水位,適當降低了護坦邊墻高度,由高程2 206 m降低至2 205 m。

由于泄洪沖沙閘閘室底板頂高程抬高了1 m,其相應下游護坦底板頂高程由初設階段的高程2 191 m抬高了1 m至高程2 192 m。

(3) 將護坦下游20 m長的鋼筋混凝土海漫改為大塊石護底。閘首施工完成后,實測河道地形,對護坦下游兩岸一定范圍進行了清理并采用混凝土結構進行防護。

2.5.2 方案變更分析

水工模型試驗成果表明:在1號泄洪閘和沖沙閘之間設置中隔墩將會影響沖沙運行時水流的擴散,加劇其對左岸的沖刷;而取消沖沙閘下游右側隔墻則可使水流的擴散更加充分,盡可能地減小了下泄水流對左岸河床及岸壁的直接沖刷,能夠改善中小流量情況下沖沙閘開啟運行時壩下游的消能條件。鑒于以上原因,在技施階段取消了該隔墻。

2.5.3 方案變更評價

調整護坦邊墻型式后能夠使護坦內部的水流更為平順,能夠減輕對護坦的磨蝕,同時能夠盡量減小開挖對右岸公路的影響,降低施工難度,因此,方案調整是合適的。

該工程的下游消能采用急流銜接方式,適當抬高護坦高程有利于護坦與下游河道的銜接,平順護坦內的水流,減小其對護坦結構的沖刷;取消護坦內沖沙閘與1號泄洪閘之間的隔墻,可以使樞紐在沖沙閘小流量泄洪拉沙運行時水流擴散更為充分[5],從而減輕其對左岸的沖刷。根據水工模型試驗成果:護坦校核洪水工況下的下游水位均低于護坦邊墻約2.37 m。因此,適當降低護坦邊墻頂高程,完全能夠滿足下游消能防沖水位對護坦岸坡防護的要求,在宣泄設計洪水時其下游的靜水位亦較邊墻更低,故以上方案的變更是合理的。

該工程將護坦末端下游的鋼筋混凝土海漫變更為大塊石護底,只要在滿足塊石粒徑足夠大、強度足夠高的前提下,同樣能起到類似海漫調整流速分布和保護河床免受沖刷的作用。調整方案后對兩岸防護的強度并沒有減小,調整方案后有利于簡化施工,降低造價,故調整后的方案是合適的。

3 結 語

由于初設階段到技施階段期間其施工的外部條件變化及設計精細化程度差異性的存在,在施工階段對初步設計進行適當的變更調整十分必要。固增水電站首部樞紐施工階段進行的設計變更調整遵循和響應了初步設計階段和有關審批文件的規定,滿足現行國家有關規程規范和招標文件的要求,變更后布置合理,在方便施工、節約投資、風險控制方面具有重大的意義。