張金良 謝遵黨 邢建營(yíng)

摘要：厄瓜多爾CCS水電站項(xiàng)目存在泥沙含量高、地震烈度大、覆蓋層埋深大、輸水距離長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜、水頭高等不利自然條件，基于BIM和信息化設(shè)計(jì)，采用設(shè)計(jì)和施工深度融合的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，成功解決了在不均勻地基上修建特大規(guī)模沉沙池，超深覆蓋層上修建大泄量混凝土過(guò)水建筑物，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系下深埋長(zhǎng)隧洞設(shè)計(jì)優(yōu)化，復(fù)雜地質(zhì)條件下高水頭壓力管道設(shè)計(jì)，薄巖壁大跨度地下洞室群支護(hù)措施，大容量水輪機(jī)和高壓發(fā)電機(jī)配電裝置型式選擇等一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為工程的高質(zhì)量建設(shè)和運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì);深覆蓋層;泥沙;地震烈度;CCS水電站

中圖分類(lèi)號(hào)：TV6I;TV741

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05 .021

厄瓜多爾CCS（ Coca Codo Sinclair）水電站為徑流引水式電站，總裝機(jī)容量1 500 MW.是該國(guó)最大的水電站，也是目前世界上已建成的總裝機(jī)容量最大的沖擊式機(jī)組水電站。項(xiàng)目采取EPC合同模式，總工期66個(gè)月，項(xiàng)目EPC合同金額超過(guò)23億美元[1]。

該項(xiàng)目為厄瓜多爾最重要的建設(shè)項(xiàng)目，是采用中國(guó)融資并由中國(guó)公司承建的“一帶一路”重要工程，建成后可滿足該國(guó)三分之一以上的電力供應(yīng)。該項(xiàng)目受到中國(guó)及厄瓜多爾兩國(guó)政府的高度重視，建成意義重大[2]。

1 工程概況

項(xiàng)目所在的Coca河流域位于厄瓜多爾安第斯山脈向西部亞馬遜平原的過(guò)渡地帶，流域內(nèi)分布有高山氣候區(qū)、熱帶草原氣候區(qū)及熱帶雨林氣候區(qū)，降雨量由上游地區(qū)1331 mm（Papallacta站）向下游逐漸遞增到4 834 mm（San Rafael站）、6122 mm（Reventador站）.Coca河在擬建壩址處多年平均流量為296 m³/s.從首部樞紐到廠房直線距離約30 km，落差650 m，具有很高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。但受自然條件的影響，工程的開(kāi)發(fā)利用存在以下難點(diǎn)：

（1）工程區(qū)位于環(huán)太平洋地震帶，CCS水電站DBE（設(shè)計(jì)地震加速度）為0.3g，MCE（最大可信地震加速度）為0.4g[3]。

（2）工程區(qū)位于活火山附近，Coca河兩岸和古河道分布有較厚的松散火山灰沉積物，在強(qiáng)降雨條件下易受侵蝕，造成河流輸沙量變化較大。

（3）首部樞紐工程區(qū)廣泛分布第四系松散堆積物，砂礫石覆蓋層最大厚度超過(guò)200 m。

（4）引水隧洞沿線地形起伏較大，隧洞埋深一般為300- 600 m，最大埋深達(dá)722 m，沿線共發(fā)育33條不同規(guī)模的斷層，穿過(guò)侏羅紀(jì)一白堊紀(jì)Misahualli地層（JK）的凝灰?guī)r、安山巖，白堊紀(jì)下統(tǒng)Hollin地層（Kh）的砂巖、頁(yè)巖互層，局部洞段可見(jiàn)花崗巖侵人體（Gd）[4]。

要滿足工程的功能要求和合同規(guī)定的條件，需要在設(shè)計(jì)中通過(guò)研究解決這些難點(diǎn)。

2 不均勻地基上修建特大規(guī)模沉沙池研究

2.1 主要研究?jī)?nèi)容

首部樞紐所在河道多年平均流量296 m3/s，泥沙以火山灰質(zhì)懸移質(zhì)為主，多年平均輸沙量1 211.6萬(wàn)t，其中懸移質(zhì)輸沙量為932萬(wàn)t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.01 kg/m³，最大含沙量5.00 kg/m³。沉沙池基礎(chǔ)部分為基巖，部分為深度超過(guò)80 m的覆蓋層，工程場(chǎng)地MCE為0.4g。由于工程規(guī)模大，引水沖沙要求高，以及高地震烈度下可液化深厚覆蓋層和基巖地質(zhì)條件復(fù)雜，因此需要對(duì)沉沙池的工程布置、沖排沙方式及基礎(chǔ)處理措施進(jìn)行研究：

（1）分析和研究多單元小底孔有壓廊道沖排沙方式結(jié)構(gòu)布置、排沙流量、排沙運(yùn)用方式及排沙效果等，為底孔排沙沉沙池設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

（2）分析和研究火山灰質(zhì)懸移質(zhì)管流沖排沙結(jié)構(gòu)布置、排沙流量及排沙效果等為，管流沖排沙沉沙池設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

（3）根據(jù)引水、除沙要求，分析和研究管流沖排沙沉沙池的布置，實(shí)現(xiàn)管流沖沙沉沙池設(shè)計(jì)。

（4）研究深厚砂礫石覆蓋層不均勻基礎(chǔ)處理方案，進(jìn)行沉沙池基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)。

2.2 解決思路和方法

對(duì)該工程復(fù)雜水沙條件、引水運(yùn)用條件、強(qiáng)地震下可液化基礎(chǔ)處理及沖排沙方式、沉沙池布置等進(jìn)行了一系列研究，提出了以下解決思路和方法：

（1）采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值分析方法，選用合適模型，研究沉沙池在不同水沙條件下的流速、流態(tài)、水面線特征，對(duì)沉沙池的結(jié)構(gòu)、布置進(jìn)行全面分析。

（2）通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究不同運(yùn)行方式下沉沙池泥沙淤積形態(tài)。

（3）采用不同分析方法研究不同地基處理措施的處理效果，并對(duì)混凝土灌注樁樁土之間、樁和基巖之間、樁和砂礫石墊層之間的接觸特性及不同樁端形式對(duì)處理基礎(chǔ)液化和不均勻沉降的效果進(jìn)行分析。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）目前在國(guó)內(nèi)外已建沉沙池工程中CCS水電站沉沙池規(guī)模及引流量最大。通過(guò)對(duì)比分析，該工程采用8條單池槽凈寬13.00 m、深18. 50 m、工作長(zhǎng)度150.00 m的連續(xù)水力沖洗式沉沙池解決了過(guò)機(jī)泥沙問(wèn)題，該沉沙池為目前世界最大規(guī)模的連續(xù)水力沖洗式沉沙池。

（2）管流沖排沙沉沙池設(shè)計(jì)處于世界領(lǐng)先水平。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外沉沙池應(yīng)用實(shí)例，首次將管道沖排沙應(yīng)用在大型水電沉沙池設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)沖沙流量?jī)H為引水流量的7.5%，達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。

（3）首次將頂擴(kuò)頭灌注樁應(yīng)用于基礎(chǔ)處理。根據(jù)樁頂端對(duì)水平荷載影響較大的特點(diǎn)，首次提出并采用了頂端擴(kuò)大混凝土灌注樁復(fù)合基礎(chǔ)，解決了沉沙池深厚覆蓋層沉降量及沉降差大、基礎(chǔ)液化等問(wèn)題。

（4）首次將以火山灰質(zhì)為主的懸移質(zhì)泥沙處理技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐?；跀?shù)值分析技術(shù)對(duì)流場(chǎng)和沉沙、沖沙之間關(guān)系‘5-7]的研究表明，沉沙池結(jié)構(gòu)尺寸與沉沙粒徑、沉沙效率關(guān)系較大。在數(shù)值分析和物理模型研究[8]的基礎(chǔ)上，成功將以火山灰質(zhì)為主的懸移質(zhì)泥沙處理技術(shù)運(yùn)用于工程實(shí)踐并取得了良好的效果。

3 超深覆蓋層上修建大泄量混凝土過(guò)水建筑物研究

3.1 主要研究?jī)?nèi)容

首部樞紐由混凝土面板堆石壩、溢流壩、引水閘及沉沙池組成。首部樞紐區(qū)域最大洪峰流量為15 000m³/s，溢流壩和沖沙閘最大泄流量為16 444 m³/s。由于工程泄水規(guī)模大、地震烈度高，且建在厚2 - 217 m不等的砂卵礫石覆蓋層上，存在抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定、不均勻變形等關(guān)鍵問(wèn)題，另外泄洪建筑物運(yùn)用頻繁，需保證不同流量的下泄水流與河道天然流態(tài)平順銜接，以避免下游河床及兩岸發(fā)生沖刷，因此需要研究并解決如下問(wèn)題：

（1）根據(jù)地質(zhì)條件、工程布置和初擬結(jié)構(gòu)型式，研究不同建基面高程和結(jié)構(gòu)型式，以滿足抗滑穩(wěn)定和承載力控制要求。

（2）覆蓋層的滲透系數(shù)為10^-2～ 10^-3cm/s，屬于中等透水，其厚度較大，壩基滲漏問(wèn)題突出;覆蓋層顆粒級(jí)配不良，在高水頭作用下，存在滲透變形問(wèn)題，需要根據(jù)覆蓋層組成確定不同的地基處理措施。

（3）混凝土建筑物建基于厚2- 217 m的覆蓋層上，覆蓋層存在部分中等壓縮性粉質(zhì)黏土和粉土層，需根據(jù)變形控制要求確定不同的地基處理措施。

（4）消能防沖標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)下泄流量為0-6 020 m³/s，上下游水位差為6.52 - 20.28 m，下游河道水位最大變幅為7m，需要研究不同消能防沖方案和消能效果以解決出閘水流的平順連接問(wèn)題，減輕對(duì)下游河道的沖刷，保證水工建筑物安全。

3.2 解決思路和方法

在分析地基覆蓋層物理力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)運(yùn)用方式提出了以下解決思路和方法：

（1）采用理論研究和經(jīng)驗(yàn)分析相結(jié)合的辦法，確定所在河段的抗沖流速。

（2）采用數(shù)值分析和物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究庫(kù)區(qū)不同淤積情況下首部樞紐泄流能力和沖沙閘沖沙效果。

（3）采用有限元靜動(dòng)力分析方法，研究高地震烈度下建基于深覆蓋層上的混凝土建筑物結(jié)構(gòu)布置和細(xì)部設(shè)計(jì)。

（4）通過(guò)覆蓋層組成和施工能力分析，研究滿足防滲和滲透穩(wěn)定要求的混凝土建筑物基礎(chǔ)處理方案。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）其為目前國(guó)內(nèi)外建在深覆蓋層上的泄流量最大的混凝土過(guò)水建筑物之一。首部樞紐工程區(qū)覆蓋層最大深度超過(guò)200 m.修建的開(kāi)敞式溢流壩和沖沙閘最大泄流能力為16 444 m³/s，最大壩高39 m，最大單寬流量94 m²/s。

（2）采用塑性混凝土防滲墻進(jìn)行防滲。根據(jù)地質(zhì)情況和運(yùn)行特點(diǎn)，覆蓋層采用最大深度為30 m的塑性混凝土防滲墻進(jìn)行永久建筑物防滲處理。

（3）數(shù)值分析和物理模型試驗(yàn)相互驗(yàn)證。為論證溢流壩的過(guò)流能力和消能效果，采用數(shù)值模擬分析、整體和局部物理模型試驗(yàn)進(jìn)行相互驗(yàn)證和比較，為工程的合理布置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要參考。

（4）采用分縫和鍵槽相結(jié)合的措施解決不均勻沉降問(wèn)題。溢流堰順?biāo)飨虻装彘L(zhǎng)度為52.61 m，垂直水流向長(zhǎng)度為22 m.溢流堰面分縫為2 cm寬，縫內(nèi)設(shè)一道銅片止水，一道PVC止水，伸縮縫迎水表面填充0.05 m厚聚硫密封膠封閉。為減小分塊之間地基不均勻變形的影響，提高堰體整體性，縫面布設(shè)多層鍵槽，塊體間相互咬合。

（5）采用多種地基處理措施。根據(jù)地質(zhì)條件和上部結(jié)構(gòu)要求，在沖砂閘下部采用素混凝土端承樁解決不均勻變形較大問(wèn)題，在左岸擋水壩段下部采用振沖碎石樁解決可液化砂層問(wèn)題，對(duì)溢流壩段采用放緩上部壩坡的措施解決抗滑穩(wěn)定和基礎(chǔ)承載力問(wèn)題。

4 復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋長(zhǎng)隧洞研究

4.1 主要研究?jī)?nèi)容

輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量為222 m³/s.設(shè)計(jì)內(nèi)徑8.2m，隧洞總長(zhǎng)24.83 km，最大埋深722 m，是目前南美洲已建的最長(zhǎng)的大埋深輸水隧洞。隧洞采用全斷面襯砌結(jié)構(gòu)型式，縱坡坡降為0. 173%，隧洞出口設(shè)事故閘門(mén)，閘室段后設(shè)消力池。正常運(yùn)行工況為明流，非常工況即機(jī)組甩負(fù)荷、隧洞出口閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，洞內(nèi)存在明滿流過(guò)渡狀態(tài)。采用兩臺(tái)雙護(hù)盾TBM同時(shí)掘進(jìn)，并輔以鉆爆法施工。

CCS水電站設(shè)計(jì)是在意大利ELC公司完成的概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。鑒于國(guó)際工程的特殊性和隧洞沿線地質(zhì)條件的復(fù)雜性，為確保隧洞工程實(shí)現(xiàn)相關(guān)各方質(zhì)量先進(jìn)、技術(shù)可靠、工期合理和投資節(jié)省的目標(biāo)，需針對(duì)長(zhǎng)距離大深埋隧洞設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行研究。

（1）方案布置優(yōu)化。概念設(shè)計(jì)階段輸水隧洞后半段存在明滿流過(guò)渡且流態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁，轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置不固定，通氣豎井施工難度大，需放空調(diào)蓄水庫(kù)才能對(duì)隧洞出口段檢修等缺點(diǎn)，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化。

（2）管片構(gòu)造選型。由于占全部隧洞長(zhǎng)度近95%的隧洞采用TBM施工，因此管片的厚度、環(huán)間寬度等的選擇不僅直接影響工程的質(zhì)量和安全，而且因涉及不同地質(zhì)條件和施工條件的適應(yīng)性而直接影響隧洞的施工工期。

（3）管片結(jié)構(gòu)分析。經(jīng)過(guò)對(duì)中國(guó)、美國(guó)、歐洲關(guān)于隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范體系的研究，發(fā)現(xiàn)不同規(guī)范體系對(duì)隧洞在相同條件下的配筋計(jì)算所得結(jié)果差別較大，而配筋直接影響到工程的安全，且對(duì)投資影響較大。

（4）施工支洞處理和后期高效利用。為了縮短建設(shè)工期，在隧洞施工中一般采用設(shè)置施工支洞增加工作面的方法進(jìn)行處理，但是工程竣工后施工支洞處理方式將直接影響工程的工期、運(yùn)行維護(hù)和投資。

4.2 解決思路和方法

（1）分析樞紐工程布置和運(yùn)行條件，優(yōu)化隧洞布置。根據(jù)樞紐工程布置和運(yùn)用條件.研究明流洞方案和取消渦流豎井、壩內(nèi)虹吸管及兩個(gè)通氣豎井的可行性。

（2）充分利用BIM設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)布置和施工組織選擇管片類(lèi)型[9-11]。在滿足安全的前提下，采用BIM信息化設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合自主研發(fā)的集成平臺(tái)、流程化軟件及VR技術(shù)，對(duì)可能的管片類(lèi)型結(jié)合施工組織進(jìn)行仿真分析，優(yōu)選管片類(lèi)型。

（3）充分分析不同規(guī)范體系的區(qū)別，選取安全經(jīng)濟(jì)計(jì)算結(jié)果。對(duì)審批方認(rèn)可的中國(guó)、美國(guó)和歐洲規(guī)范體系進(jìn)行充分研究，找出相關(guān)規(guī)定的異同點(diǎn)和設(shè)置原則，對(duì)每種管片類(lèi)型分別采用不同的規(guī)范體系進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析，并從安全度、投資和對(duì)工期的影響等方面進(jìn)行對(duì)比。

（4）根據(jù)地質(zhì)條件和運(yùn)行方式，研究簡(jiǎn)化臨建設(shè)施、改造永久運(yùn)維通道的方案。目前常用的改建方案是在施工支洞與輸水隧洞主洞交叉連接段內(nèi)設(shè)置檢修閘門(mén)，通過(guò)控制檢修閘門(mén)啟閉實(shí)現(xiàn)輸水隧洞的運(yùn)行和檢修目的，但存在增大工程投資和運(yùn)行維護(hù)成本大的缺點(diǎn)，根據(jù)支洞附近圍巖條件和運(yùn)行方式，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，研究不同的改建方案。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）優(yōu)化隧洞布置。采用明流洞方案，取消概念設(shè)計(jì)階段意大利ELC公司提出的渦流豎井、壩內(nèi)虹吸管以及兩個(gè)通氣豎井等方案，不僅簡(jiǎn)化了工程布置、優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且降低了施工難度，節(jié)約了投資。

（2）選用通用型薄管片。設(shè)計(jì)采用通用四邊形TBM薄管片，轉(zhuǎn)彎或糾偏時(shí)不需頻繁更換管片類(lèi)型，簡(jiǎn)化了施工程序;管片混凝土強(qiáng)度、定位孔、螺栓連接孔、燕尾槽等設(shè)置合理，保證了管片制作、脫模、安裝的施工質(zhì)量。

（3）多方案對(duì)比計(jì)算分析。在管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中分別采用美國(guó)、歐洲和中國(guó)規(guī)范體系的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行對(duì)比分析，保證了工程安全，節(jié)省了投資，為今后國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供了參考實(shí)例。

（4）將施工支洞改為永久運(yùn)維通道12-13]。首次采用在施工支洞內(nèi)設(shè)置“凸”形道路改建檢修支洞的方法，避免了增設(shè)檢修閘門(mén)，不僅降低了施工難度和工程投資，經(jīng)濟(jì)易行，縮短了工期，而且該檢修支洞還可兼作明流輸水隧洞的通氣洞。

5 高水頭壓力管道研究

5.1 主要研究?jī)?nèi)容

該工程共布置兩條內(nèi)徑5.8 m的壓力引水管道，均由進(jìn)水塔、上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段和岔支管段組成。其中：1#壓力管道主管軸線長(zhǎng)度為1 782.935 m.豎井段長(zhǎng)478.55 m;2#壓力管道主管軸線長(zhǎng)度為1856.339 m，豎井段長(zhǎng)476.195 m。兩條壓力管道平面距離為16.2- 80.0 m，最大內(nèi)水壓力水頭約630 m，埋深較深、地應(yīng)力較低，同時(shí)工程運(yùn)行中存在單洞運(yùn)行的工況，兩洞間距應(yīng)綜合考慮滲透破壞、水力劈裂、圍巖特性、工程造價(jià)等因素來(lái)確定。

為解決上述問(wèn)題，需要研究以下內(nèi)容：

（1）1#、2#壓力管道的布置問(wèn)題。根據(jù)進(jìn)水口和廠房位置，通過(guò)布置研究，使任一壓力管道洞身各方向和兩條壓力管道之間的圍巖在不同運(yùn)行工況下不產(chǎn)生滲透破壞和水力劈裂，同時(shí)在高地應(yīng)力區(qū)，管道軸線方向應(yīng)與最大水平地應(yīng)力方向有較小的夾角。

（2）鋼襯起點(diǎn)的選擇。由于壓力管道水頭高、洞線長(zhǎng)，因此鋼襯位置的確定不僅直接關(guān)系著工程的運(yùn)行安全，而且直接影響著工程的安全和投資。

（3）襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。該工程壓力管道內(nèi)水頭最大達(dá)630 m，屬于高壓隧洞范疇，而國(guó)內(nèi)外對(duì)此尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)理論支持，可供借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)較少。壓力管道安全可靠運(yùn)行對(duì)CCS水電站至關(guān)重要，可靠的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法不僅能保證工程的安全運(yùn)行，而且能有效降低投資、縮短工期。

（4）廢井處理檢修。針對(duì)施工中出現(xiàn)的廢井，其與新井距離較近，且該區(qū)域地應(yīng)力相對(duì)較高，同時(shí)其埋深大，地下水位高，采用常規(guī)處理方法不能保證回填密實(shí)，因此研究廢井的有效處理方法，避免其對(duì)相鄰壓力管道產(chǎn)生不利影響，也是該工程的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

5.2 解決思路和方法

（1）根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)分析成果，進(jìn)行三維滲流場(chǎng)分析，研究不同布置方案在各種運(yùn)行工況下的滲流場(chǎng)，為壓力管道的布置提供數(shù)據(jù)支撐，并為襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算提供外水壓力數(shù)據(jù)。

（2）參考目前國(guó)際較為通用的挪威準(zhǔn)則和雪山公式，根據(jù)原位地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，在滿足不同運(yùn)行工況容許滲透坡降的情況下，確定鋼襯的起點(diǎn)位置。

（3）結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)透水襯砌和不透水襯砌進(jìn)行分析，研究不同襯砌方式的襯砌厚度、配筋形式、工期和投資，綜合比較后選定最終的襯砌方式。

（4）結(jié)合充水試驗(yàn)及運(yùn)行期間的監(jiān)測(cè)資料，對(duì)采用的設(shè)計(jì)方法和最終設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并對(duì)采用的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反分析，為工程的安全評(píng)估提供依據(jù)，為后續(xù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒資料。

5.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）首次在高壓管道混凝土襯砌設(shè)計(jì)中采用了混凝土襯砌和土工膜聯(lián)合的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，該項(xiàng)目的實(shí)踐證明，這種襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)降低滲漏量效果良好。

（2）對(duì)于埋深超過(guò)700 m的壓力管道下平段而言，首次在最小地應(yīng)力/內(nèi)水壓力小于1.1的情形下，確定了鋼襯起點(diǎn)，極大地降低了工程造價(jià)，為其他工程設(shè)計(jì)提供了借鑒。

（3）相對(duì)于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，首次基于鋼筋混凝土施工完建裂縫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)施工期襯砌外水壓力進(jìn)行折減，為外水壓力計(jì)算從定性分析轉(zhuǎn)向定量分析進(jìn)行了探索。

（4）在總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于透水襯砌的研究基礎(chǔ)上，將透水襯砌的設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到具體工程實(shí)踐中。

6 大跨度地下洞室群研究

6.1 主要研究?jī)?nèi)容

厄瓜多爾CCS水電站采用地下廠房，埋深為200m左右，主廠房尺寸為212.0 mx26.0 mx46.8 m（長(zhǎng)×寬×高），主變洞尺寸為192.0 mx19.0 mx33.8 m（長(zhǎng)×寬×高），主廠房與主變洞之間巖壁厚度為24 m。地下廠房處地表地形起伏大，且呈現(xiàn)洞室多、洞室群縱橫交錯(cuò)布置、主洞室跨度大、距離近、薄巖壁等現(xiàn)象，應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題突出。

為解決上述問(wèn)題，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了如下研究：①主變洞和主廠房之間、母線洞之間、尾水洞之間的超薄巖壁在施工期和運(yùn)行期的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及其處理方式;②超薄巖壁處理方式施工可行性;③超薄巖壁問(wèn)題地質(zhì)敏感性分析和處理方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

6.2 解決思路和方法

（1）采用不同軟件對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，并對(duì)圍巖性質(zhì)進(jìn)行敏感性分析，得到不同施工階段和地質(zhì)條件下圍巖變形、應(yīng)力及塑形區(qū)分布情況，研究不同支護(hù)方案的支護(hù)效果。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、聲波測(cè)試數(shù)據(jù)等反饋資料動(dòng)態(tài)優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)。

（3）運(yùn)用模糊模式識(shí)別、模糊積分和突變理論，對(duì)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析，并對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

6.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過(guò)研究不同支護(hù)方式，得知鋼拱架加噴混凝土情況下三向薄巖壁安全系數(shù)滿足要求，避免了設(shè)置大范圍預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)施工工期的影響。

（2）根據(jù)應(yīng)力、位移、聲波測(cè)試等多項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行母線洞及其他部位圍巖穩(wěn)定動(dòng)態(tài)反饋分析，總結(jié)并形成系統(tǒng)的圍巖“動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)”方法，成功運(yùn)用于該工程中，保證了工程的安全施工和運(yùn)行。

（3）首次基于MATLAB軟件平臺(tái)采用模糊數(shù)學(xué)、模糊積分、突變理論識(shí)別模型對(duì)洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理性評(píng)判，拓展了洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)合理性評(píng)判新思路。

7 大容量沖擊式水輪機(jī)組及高壓配電裝置型式研究

7.1 主要研究?jī)?nèi)容

（1）水輪機(jī)型式比選研究。根據(jù)該電站的運(yùn)行水頭范圍，各種類(lèi)型水輪機(jī)適應(yīng)的水頭范圍，水輪機(jī)運(yùn)行效率和最高效率、比轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速，機(jī)組尺寸，廠房開(kāi)挖深度，工程量及綜合造價(jià)，以及相應(yīng)的工期影響和運(yùn)行維護(hù)成本等，進(jìn)行水輪機(jī)型式比選。

（2）沖擊式水輪機(jī)抗磨防護(hù)研究。參考工程實(shí)例并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，研究沖擊式水輪機(jī)不同部位磨蝕程度和原因，據(jù)此研究重點(diǎn)防護(hù)部位和不同抗磨蝕涂層材料。

（3）發(fā)電機(jī)配電裝置型式研究。該電站發(fā)電機(jī)與變壓器采用單元接線方式。發(fā)電機(jī)與500 kV升壓變壓器之間設(shè)備較多，如斷路器、電流電壓互感器、接地開(kāi)關(guān)等。發(fā)電機(jī)出口配電裝置尤其是發(fā)電機(jī)斷路器（ GCB）和電制動(dòng)開(kāi)關(guān)型式的選擇涉及機(jī)組安全運(yùn)行和土建尺寸的確定。為此，需對(duì)上述設(shè)備的選擇及布置型式進(jìn)行研究。

7.2 解決思路和方法

（1）水輪機(jī)型式的確定。該水電站運(yùn)行水頭為594.27 - 616.74 m.根據(jù)運(yùn)行水頭的范圍可供選擇的水輪機(jī)機(jī)型有混流式和沖擊式兩種。根據(jù)電站的運(yùn)行條件，通過(guò)對(duì)兩種機(jī)型水輪機(jī)效率、對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性以及設(shè)備投資和土建投資的綜合比較，并根據(jù)過(guò)機(jī)泥沙特點(diǎn)考慮運(yùn)行維護(hù)頻率和成本，選擇水輪機(jī)類(lèi)型。

（2）抗磨蝕材料和涂層部位分析。根據(jù)水輪機(jī)不同部位的磨蝕程度和原因分析，在采用布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減免的基礎(chǔ)上選擇合適的抗磨蝕材料和涂層部位。

（3）發(fā)電機(jī)斷路器型式選擇。根據(jù)機(jī)組安全運(yùn)行要求，綜合考慮土建和機(jī)電設(shè)備投資，對(duì)發(fā)電機(jī)出口負(fù)荷開(kāi)關(guān)、發(fā)電機(jī)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等型式進(jìn)行研究，綜合分析電氣性能、分?jǐn)嗄芰Α⒃O(shè)備布置型式、運(yùn)行維護(hù)便利性等，最終確定發(fā)電機(jī)斷路器成套裝置。

7.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）水輪機(jī)型式和參數(shù)選擇是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)探索過(guò)程，該工程在對(duì)各種類(lèi)型水輪機(jī)適應(yīng)的水頭范圍、運(yùn)行效率、比轉(zhuǎn)速、綜合投資及運(yùn)行維護(hù)成本等全面分析的基礎(chǔ)上，提出了水輪機(jī)類(lèi)型和參數(shù)的定量選型方案。

（2）通過(guò)工程實(shí)例和數(shù)值分析，確定了沖擊式水輪機(jī)的通常磨蝕部位和磨蝕原因，并選用碳化鎢作為抗磨蝕防護(hù)材料。

（3）發(fā)電機(jī)出口采用發(fā)電機(jī)GCB和專用的電氣制動(dòng)裝置，能夠最大程度地契合該工程實(shí)際情況，技術(shù)性能最優(yōu)，同時(shí)對(duì)土建布置等有較大便利，是一種完美的地下廠房大容量沖擊式機(jī)組機(jī)電設(shè)備選型及布置解決方案。

8 結(jié)語(yǔ)

CCS水電站已于2016年11月18日建成發(fā)電，截至目前CCS水電站累計(jì)發(fā)電160.56億kW.h。CCS水電站作為中國(guó)企業(yè)“走出去”戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程，一系列設(shè)計(jì)難點(diǎn)的成功解決塑造了中國(guó)水電設(shè)計(jì)的品牌形象，為中國(guó)水電在國(guó)際市場(chǎng)的開(kāi)拓做出了貢獻(xiàn)。

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【責(zé)任編輯張華巖】