席燕林 張澤太 龐書聰 王立選

1 基巖特性與防滲體系研究

1.1 基巖的特性研究

壩基巖體為白堊系陸相沉積砂巖,系由不同厚度含有薄層、中厚及厚層沉積層理結(jié)構(gòu)的膠結(jié)不良軟弱砂巖組成,巖層產(chǎn)狀近水平,無構(gòu)造斷裂、褶皺和裂隙發(fā)育。由于其具有膠結(jié)不良的特點(diǎn),其工程特性和滲流特性與通常的砂巖有較大的差異。

通過巖體力學(xué)試驗(yàn)、現(xiàn)場荷載試驗(yàn)、灌漿和壓水試驗(yàn)、聲波測試等方法,對壩基巖體結(jié)構(gòu)特性和滲流特性進(jìn)行了研究,通過試驗(yàn)研究揭示了基巖的特性。

(1)壩基巖體膠結(jié)性差,呈半成巖狀態(tài)。巖體干密度一般在2.0 g/cm3左右,工程特性主要表現(xiàn)為承載力低。單軸抗壓強(qiáng)度一般小于5 MPa,巖體變形模量指標(biāo)在1 GPa左右,屬于極軟巖。

(2)壩基巖體具有大孔隙、低密度的特征,孔隙率在25%左右,壩基砂巖總體屬于強(qiáng)透水地基。

(3)巖體由粒徑0.1～1 mm的均勻砂粒組成,形成了密實(shí)的粉細(xì)砂的孔隙結(jié)構(gòu)。灌漿試驗(yàn)反應(yīng),巖體只透水不吸漿,水泥灌漿在本工程特殊的基巖條件下是無效的。

(4)灌漿前后的聲波檢測結(jié)果看,灌漿前后的聲波值變化微小,灌漿影響范圍小,灌漿對巖體的加強(qiáng)作用微弱,水泥灌漿在本工程的巖體中不能形成有效的帷幕。

(5)實(shí)際的施工過程反應(yīng),巖體抗沖刷能力差,特別是在沿巖層層面,極易產(chǎn)生層面沖刷。

(6)聲波速度 (vp)與巖體質(zhì)量之間具有較好的相關(guān)性,可以采用測聲波對建基面巖體質(zhì)量進(jìn)行檢測。

1.2 樞紐的防滲體系設(shè)計(jì)

根據(jù)基巖的特性,設(shè)計(jì)采用三維有限元方法對基礎(chǔ)滲流和滲流控制方案進(jìn)行了分析,由于壩基砂巖屬于無限深強(qiáng)透水地基,防滲帷幕的成幕效果極差,即使形成了有效的帷幕,其減滲作用仍然較差。當(dāng)防滲幕墻較淺時(shí),消減滲透水頭的作用微弱。通過對壩基滲透性、灌漿效果的分析,樞紐最終采用以下措施形成了有效的防滲體系:

(1)兩岸土壩為心墻與上游內(nèi)鋪蓋 (并延伸至壩體外)相結(jié)合形成壩體與基礎(chǔ)防滲體系；

(2)泄水閘及河床電站采用上游設(shè)混凝土防滲護(hù)坦防滲；

(3)左右壩肩的岸坡采用貼坡防滲鋪蓋；

(4)將左右壩肩貼坡防滲鋪蓋、土壩上游內(nèi)鋪蓋與泄水閘及河床電站壩段的混凝土防滲護(hù)坦通過上游縱向?qū)B接過渡,形成樞紐的上游整體防滲體系；

(5)土壩在壩趾滲流出逸區(qū)設(shè)置水平反濾層,左右壩肩的岸坡在下游設(shè)貼坡反濾層排水,泄水閘和電站在下游均設(shè)置反濾層和排水管,形成了樞紐有效的排水保護(hù)系統(tǒng)。

2 建基面的保護(hù)與選擇標(biāo)準(zhǔn)

本工程壩基巖體一般膠結(jié)程度較差,巖層表部風(fēng)化程度較高,開挖后表層受擾動(dòng)強(qiáng)烈,往往會(huì)在建基面殘留一層散粒砂,確定建基面的選擇標(biāo)準(zhǔn)比較困難。

考慮到本工程壩體高度較小,承載力和沉降變形問題并不嚴(yán)重,強(qiáng)透水性及其可能發(fā)生的滲透變形破壞,則是最主要的工程地質(zhì)問題。設(shè)計(jì)根據(jù)壩基巖體的特性,并結(jié)合不同壩段對壩基巖體的性能要求,提出了建基面以保護(hù)措施加縱波波速控制的綜合選擇標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)際中取得了較好效果,不同壩段建基面的保護(hù)措施和選擇標(biāo)準(zhǔn)為:

(1)土壩段建基面位應(yīng)于完整的第③層砂巖,清除上部全—強(qiáng)風(fēng)化軟弱砂巖后,及時(shí)撒潑1∶3的水泥漿與基礎(chǔ)面不均勻的松散砂自然結(jié)合形成了砂漿保護(hù)層,對建基面進(jìn)行了有效保護(hù)。建基面控制的實(shí)測縱波速度值一般應(yīng)大于1 700 m/s,實(shí)測縱波速度低于1 700 m/s時(shí),應(yīng)進(jìn)行局部換填處理。

(2)泄水閘及河床電站等混凝土壩段荷載較大,要求大部分基礎(chǔ)應(yīng)置于第②大層砂巖,為避免人為因素對巖體產(chǎn)生影響,開挖完成后及時(shí)澆筑C15混凝土墊層20 cm厚,形成基礎(chǔ)保護(hù)層?；A(chǔ)鋼筋混凝土施工應(yīng)在混凝土墊層上進(jìn)行,建基面的實(shí)測縱波速度值一般應(yīng)大于2 000 m/s,實(shí)測縱波速度低于2 000 m/s時(shí),應(yīng)進(jìn)行局部混凝土換填處理。

3 壩肩繞壩滲流控制問題

本工程兩岸壩肩上覆砂壤土,由于砂壤土覆蓋層較厚,且越向山體內(nèi)厚度越大,對砂壤土的防滲需要較深的帷幕。設(shè)計(jì)利用三維有限元滲流程序?qū)τ摇⒆蟀秹渭绶罎B帷幕的防滲效果進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示淺層防滲帷幕的作用不明顯,繞壩滲流現(xiàn)象會(huì)在左右岸下游岸坡較大范圍出現(xiàn)。

設(shè)計(jì)采用在上游岸坡設(shè)鋪蓋防滲,并使河床鋪蓋與岸坡鋪蓋形成一個(gè)完整的鋪蓋防滲系統(tǒng),對山體砂壤土覆蓋層進(jìn)行防滲保護(hù),在左右壩肩的岸坡下游岸坡滲流出逸區(qū)設(shè)置了貼坡反濾層保護(hù)。

右岸廠前區(qū)由于廠區(qū)平臺(tái)的寬度較大,利用自然排水無法保證廠區(qū)平臺(tái)不受浸沒影響,設(shè)計(jì)在右岸廠前區(qū)岸坡沿上下游方向設(shè)置了排水盲溝,溝深2.5 m,采用PVC花管排水。外圍采用透水反濾料填筑,保證了右岸廠前區(qū)不被滲透水浸沒影響。

4 筑壩材料選擇與土壩設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)業(yè)主規(guī)定的筑壩材料主要為3種,各種筑壩材料的特性及存在的問題為:

(1)林中空地土料場的材料為防滲料,輕壤土及砂壤土,土料天然含水率9.7%～16.5%,黏粒含量11.3%～17.9%。最優(yōu)含水率11.29%,最大干密度1.93 g/cm3,天然含水率較最優(yōu)含水率高2%～3%,在雨季實(shí)際天然含水率比勘察結(jié)果高,一般會(huì)超出施工允許含水率。

(2)壩基開挖料為白堊系地層為巨厚的砂巖沉積,由薄層、中厚及厚層膠結(jié)不良砂巖巖層組成。由于砂巖呈孔隙式點(diǎn)接觸膠結(jié),膠結(jié)差,開挖擾動(dòng)后呈松散砂狀,以中、細(xì)顆粒為主,粒度模數(shù)1.45左右,碾壓后不是石渣,而是中細(xì)砂,即筑壩材料發(fā)生了性質(zhì)的改變。

(3)貢貝石料場的塊石料。貢貝石料場距工程區(qū)215 km,巖層為前寒武系長石石英砂巖和含礫砂巖,巖石堅(jiān)硬,完整性較好,儲(chǔ)量和質(zhì)量均滿足技術(shù)要求,但運(yùn)輸費(fèi)用很高。

由于林中空地土料場實(shí)際天然含水率比勘察結(jié)果還要高,在剛果這種潮濕地區(qū)降低含水率是十分困難的。受每年6個(gè)月雨季的影響,使得擴(kuò)大使用范圍不太可能。壩基開挖料碾壓后不是實(shí)際意義的石渣,使得開挖料在壩體上的使用范圍大大減小,僅能在下游干燥區(qū)使用,由此導(dǎo)致原壩體設(shè)計(jì)不能實(shí)施。

為解決筑壩材料問題,在項(xiàng)目區(qū)經(jīng)過補(bǔ)充勘測,找到左岸砂類土料料場。土料粉粒含量0.20%～5.80%,黏粒含量1.2%～2.5%,天然密度1.51 g/cm3,天然含水率13.01%,最優(yōu)含水率14.24%,擊實(shí)后滲透系數(shù)為 3.7×10-5～1.75×10-4cm/s。補(bǔ)充材料儲(chǔ)量較小且擊實(shí)后滲透系數(shù)較小,雖可以部分替代開挖料石渣填壩,但在上游飽水區(qū)不滿足水庫水位降落的排水要求,設(shè)計(jì)通過多方案研究,提出了四分區(qū)的土壩設(shè)計(jì)斷面,解決了筑壩材料的問題。

最終土壩設(shè)計(jì)斷面在壩體中部和上游壩體的底部為防滲土料,壩殼料由左岸砂類土料和壩基砂巖開挖料兩部分組成。左岸砂類土料用于土壩上游區(qū)和下游區(qū)水下部分,壩基砂巖開挖料用于土壩下游區(qū)水上部分。為提高上游區(qū)左岸砂類土料的透水性,在該區(qū)利用透水性較好的壩基開挖料設(shè)置兩層水平排水,以增強(qiáng)壩殼料的透水性能。這樣調(diào)整分區(qū)后,3種筑壩材料的儲(chǔ)量和力學(xué)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求,壩體穩(wěn)定滿足各種運(yùn)行條件。

5 水輪發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計(jì)與安全措施

目前,在中國和電網(wǎng)容量較大的其他國家,水電站的容量一般占電網(wǎng)的容量都較小,機(jī)組的并網(wǎng)和運(yùn)行條件都很好。在這種電網(wǎng)條件下,機(jī)組出現(xiàn)突然甩負(fù)荷時(shí),對電網(wǎng)的沖擊影響較小。甩負(fù)荷后,機(jī)組也能很快的進(jìn)入穩(wěn)定的狀態(tài)；因此,在大電網(wǎng)中,機(jī)組選型往往只需要考慮機(jī)組的能量效率、設(shè)備的可靠性及工程造價(jià)等問題。

剛果英布魯水電站是剛果首都電網(wǎng)中惟一一座大型水電站,其建成后幾乎是獨(dú)立承擔(dān)首都布拉柴維爾及北方城市的供電任務(wù),電站距負(fù)荷中心較遠(yuǎn),最大供電的距離約 320 km。電站設(shè)計(jì)水頭16.1 m,為低水頭電站,單機(jī)容量為30 MW,總裝機(jī)4臺(tái)機(jī)組為120 MW。根據(jù)電網(wǎng)的特性,對水輪發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,采取以下措施保證了水輪發(fā)電機(jī)組的安全和功能發(fā)揮。

(1)優(yōu)選機(jī)型。由于電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)能力小于0,燈泡貫流式機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2值僅為2 200 t?m2,無論調(diào)速器的參數(shù)如何調(diào)整,機(jī)組在該電網(wǎng)中的穩(wěn)定域小于50%；而采用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),盡管電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)能力小于0,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以大大提高。如合理調(diào)整調(diào)速器的參數(shù)值,機(jī)組在該電網(wǎng)中的穩(wěn)定域?yàn)?5%～100%；因此,選擇立式軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組。

(2)優(yōu)選參數(shù)。電站水輪機(jī)為孤網(wǎng)運(yùn)行,要求水輪機(jī)既要有良好的水力性能,又要具有很高的穩(wěn)定性。為提高水輪機(jī)局部抗氣蝕性能,轉(zhuǎn)輪葉片出口增加了抗氣蝕裙邊,并合理確定水輪機(jī)的安裝高度,保證機(jī)組無氣蝕運(yùn)行。選定的水輪機(jī)參數(shù)如下。額定轉(zhuǎn)速為107.1 r/min,額定比轉(zhuǎn)速561.2m?kW,額定工況點(diǎn)效率92.5%,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2為6 600 t?m2。

(3)完善安全措施。針對機(jī)組的運(yùn)行條件,采取了一套完整的安全防護(hù)措施,包括長臂抓斗、清污抓斗、清污小車和攔污柵組成清污系統(tǒng)；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)采用彈簧連桿安全結(jié)構(gòu),防止活動(dòng)導(dǎo)葉卡死；電氣測量與調(diào)速器、事故配壓閥協(xié)聯(lián)配合,形成完整的安全保護(hù)系統(tǒng)。設(shè)置機(jī)械防飛逸裝置要求,在全廠失去電源的極端情況下,保障了機(jī)組的安全；設(shè)置電站進(jìn)水口快速閘門作為機(jī)組防飛逸事故,保護(hù)電站廠房安全的最后措施。

采用以上措施后,經(jīng)過1年的運(yùn)行考驗(yàn),保證了機(jī)組安全和效能的發(fā)揮。

6 電站孤網(wǎng)運(yùn)行研究與措施

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱,一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。在我國一般限定電網(wǎng)中單機(jī)容量應(yīng)小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%,以保證當(dāng)該機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷時(shí),不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

英布魯電站單機(jī)容量為30 MW,在剛果 (布)與剛果金電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)時(shí),英布魯電站單機(jī)容量占系統(tǒng)容量的12%,應(yīng)屬于小網(wǎng)運(yùn)行。由于剛果金電網(wǎng)輸出的電能質(zhì)量較低,而且剛果 (金)國內(nèi)缺電的情況也比較嚴(yán)重,因此剛果 (布)政府在英布魯電站建成后急于切斷兩國之間的電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線。當(dāng)兩國電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線斷開后,英布魯電站單機(jī)容量占系統(tǒng)容量的25%左右,形成典型的孤網(wǎng)運(yùn)行。

設(shè)計(jì)根據(jù)剛果 (布)的電網(wǎng)情況,對英布魯電站孤網(wǎng)運(yùn)行所需的外部和內(nèi)部條件進(jìn)行了分析,對機(jī)組的勵(lì)磁、調(diào)速、保護(hù)、控制系統(tǒng)、線路電抗器配置等提出了以下要求,實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的孤網(wǎng)運(yùn)行。

(1)電站運(yùn)行初期,在 “金—布”聯(lián)絡(luò)線斷開后,無功功率的平衡問題直接影響英布魯電站孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于電站距離首都的距離較遠(yuǎn),線路較長,線路的容性無功功率較大,僅靠機(jī)組自身的能力無法滿足線路無功功率的需求,需要在各個(gè)節(jié)點(diǎn)變電站內(nèi)設(shè)置電抗器用于補(bǔ)償線路的無功。

(2)電站在對長距離輸電線路充電以及繼電保護(hù)動(dòng)作、誤操作等過程中,往往出現(xiàn)單機(jī)帶長線的情況,這時(shí)相當(dāng)于發(fā)電機(jī)接入一個(gè)大電容。由于同步電機(jī)電抗參數(shù)周期性的變化引起系統(tǒng)產(chǎn)生參數(shù)諧振,發(fā)電機(jī)電流與電壓將不受勵(lì)磁電流控制而迅速增長,此時(shí)發(fā)電機(jī)有過電壓的危險(xiǎn),必須采取措施來改變系統(tǒng)參數(shù),破壞參數(shù)諧振條件,避免自勵(lì)磁的發(fā)生。

(3)在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí),根據(jù)負(fù)荷端對電能質(zhì)量的要求以及廠用電系統(tǒng)對電壓穩(wěn)定的要求,發(fā)電機(jī)的端電壓應(yīng)基本保持不變。這就要求機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)投入勵(lì)磁系統(tǒng)AVR的自動(dòng)電壓控制功能,隨無功電流的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流,保持發(fā)電機(jī)端電壓的穩(wěn)定,同時(shí)要將勵(lì)磁系統(tǒng)PSS功能切除。

(4)在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí),主要問題不是負(fù)荷調(diào)整,而是孤網(wǎng)頻率調(diào)整,使之維持在額定頻率的附近。由于孤網(wǎng)容量較小,其中旋轉(zhuǎn)慣量儲(chǔ)存的動(dòng)能和鍋爐群所具備的熱力勢能均較小,要求主力機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度,更小的遲緩率和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),以保證在用戶負(fù)荷變化的情況下自動(dòng)保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

(5)機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)抗擾動(dòng)能力較差,因此需要保護(hù)配置、后備保護(hù)的配合、自動(dòng)裝置就顯得格外重要。實(shí)際上孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)很難做到象大網(wǎng)運(yùn)行那樣完善的保護(hù)配置,除將縱差保護(hù)、線路距離保護(hù)作為主要保護(hù)外,應(yīng)該特別注重對一些簡單的保護(hù)的應(yīng)用,比如低壓保護(hù)、方向過流啟動(dòng)的低壓保護(hù)、復(fù)壓啟動(dòng)的過流保護(hù)、過流及低壓聯(lián)鎖的速斷保護(hù)等。同時(shí)應(yīng)該對一些常規(guī)保護(hù)進(jìn)行重新設(shè)定,并且退出一些不適用于孤網(wǎng)運(yùn)行的保護(hù),比如失磁、失步保護(hù)。

7 防雷與接地問題

英布魯水電站是罕見的高電阻率和強(qiáng)雷暴區(qū)域,河水與土壤顯酸性,河水電阻率高達(dá)1 130 Ω?m,含水砂壤土電阻率為2 300 Ω?m。

剛果 (布)220 kV電網(wǎng)按2020年規(guī)劃的結(jié)構(gòu)考慮,根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算,電站220 kV母線單相接地故障電流將為6.5 kA,即英布魯水電站220 kV系統(tǒng)流入地網(wǎng)的最大短路電流約為4.88 kA。電站升高電壓為220 kV系統(tǒng),是中性點(diǎn)直接接地的大接地電流系統(tǒng),地區(qū)供電的30 kV系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)電壓網(wǎng)絡(luò)為小電流接地系統(tǒng),廠用電網(wǎng)絡(luò)為低壓中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。按照常規(guī)設(shè)計(jì),英布魯水電站接地網(wǎng)要滿足接地電阻R≤2 000/I,即地網(wǎng)電位升高小于2 000 V,接地電阻小于0.410 Ω,并保證電氣設(shè)備不受雷擊困難很大。

通過對接地網(wǎng)進(jìn)行了大量的分析研究和計(jì)算,取得以下研究成果。

(1)將電站各級(jí)電壓系統(tǒng)采用1個(gè)共用接地系統(tǒng),在接地設(shè)計(jì)中考慮河水相對于砂壤土電阻率低的特性,利用低電阻率介質(zhì)——水的散流作用,盡可能地?cái)U(kuò)大水中接地網(wǎng)面積,獲得了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性價(jià)比高的接地網(wǎng),同時(shí)又具有較小的總接地電阻。根據(jù)相關(guān)計(jì)算成果,英布魯電站在上游水庫中增加接地網(wǎng),該接地網(wǎng)與主廠房、開關(guān)站接地網(wǎng)連接成整體的大接地網(wǎng)系統(tǒng),以增加總接地網(wǎng)的面積,降低接地電阻。

(2)對于全廠總接地網(wǎng),按高電阻率地區(qū)的要求適當(dāng)提高接地網(wǎng)總接地電阻值。在滿足接觸電位差和跨步電位差前提下,選擇適當(dāng)?shù)谋芾灼骷皩S內(nèi)外電位采取隔離等措施后,接地電阻的允許值放寬到5 Ω。

(3)為保證設(shè)備及人身安全,在220 kV開關(guān)站等地區(qū)設(shè)置均壓網(wǎng),開關(guān)站還鋪4 cm厚的瀝青混凝土層,當(dāng)取其 ρ=5 000 Ω?m,經(jīng)計(jì)算能滿足接觸電勢及跨步電勢的要求。

依據(jù)研究成果及采取措施后,實(shí)施的英布魯水電站接地網(wǎng)系統(tǒng),實(shí)際測量的接地電阻為:220 kV開關(guān)站接地電阻為2.3～2.5 Ω,主廠房尾水側(cè)接地電阻為 2.0～2.2 Ω,主廠房進(jìn)水側(cè)接地電阻為1.7～1.9 Ω,主廠房內(nèi)接地電阻為2.0～2.1 Ω,測試結(jié)果遠(yuǎn)小于工程設(shè)計(jì)的5 Ω,為運(yùn)行奠定了很好的基礎(chǔ)；電站自2009年8月～2011年6月經(jīng)歷4個(gè)強(qiáng)雷雨季節(jié)的運(yùn)行,接地系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。通過本工程的總結(jié),獲得了對高電阻率和高雷暴地區(qū)接地設(shè)計(jì)的新經(jīng)驗(yàn)。

8 結(jié) 語

在英布魯水電站的設(shè)計(jì)過程中,針對特殊的地質(zhì)條件、高電阻率條件、氣候條件、筑壩材料、水輪機(jī)組穩(wěn)定、孤網(wǎng)運(yùn)行、高雷暴區(qū)條件等種種不利因素,通過設(shè)計(jì)過程中的分析、研究,使電站設(shè)計(jì)的眾多技術(shù)難題得到了解決,通過近1年的運(yùn)行檢驗(yàn),所有制定的重大技術(shù)問題的解決方案是成功的,目前整個(gè)工程處于安全運(yùn)行狀態(tài)。