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        拉哇水電站高水頭大泄量泄水建筑物布置與設(shè)計

        2020-12-21 01:55:06董金玉王慶祥王曉亮
        水力發(fā)電 2020年9期
        關(guān)鍵詞:溢洪泄洪洞壩址

        董金玉,王慶祥,王曉亮

        (中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司,湖南 長沙 410014)

        1 工程概況

        拉哇水電站位于金沙江上游,水庫正常蓄水位2 702 m,相應(yīng)庫容23.14億m3,電站裝機容量2 000 MW。壩址區(qū)地震基本烈度Ⅷ度,最大洪峰流量11 900 m3/s。樞紐主要由混凝土面板堆石壩、泄水建筑物及輸水發(fā)電建筑物等組成,最大壩高239 m。

        拉哇水電站壩址區(qū)河谷狹窄,河床覆蓋層深厚,不良地質(zhì)體發(fā)育。擋水大壩采用面板堆石壩,最大壩高239 m,超過已建和在建同類工程。壩址兩岸地形陡峭且不對稱,大壩拱效應(yīng)明顯,壩體填筑料采用高壩填筑中較少見的角閃片巖,壩體應(yīng)力水平高,大壩下部約70 m長期處于水下,壩體濕化范圍大,壩體后期變形大,且工程處于強震區(qū),工程建設(shè)難度大。

        泄水建筑物具有泄量大、泄洪水頭高、歷時長、泄洪功率大、抗震設(shè)防烈度高等特點。泄水建筑物的布置既要保證泄洪的安全性,又要保證具有一定的放空水庫的能力,以方便大壩檢修等要求。主要建筑物均布置于右岸,洞室密集,建筑物布置條件復(fù)雜,泄水建筑物軸線與河道夾角大,下泄水流歸槽條件差,布置難度大。通過對泄水建筑物結(jié)構(gòu)布置深入細致的研究,優(yōu)化建筑物布置,確保了泄水建筑物技術(shù)可行、安全可靠、運行方便及經(jīng)濟合理。

        2 地形地質(zhì)條件

        壩址處于松洼背斜(M1)傾伏端。岸坡巖體卸荷作用強烈。壩址左岸發(fā)育區(qū)域性斷層F1和區(qū)域性次級斷層F9-1,受其影響,左岸結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,巖體不完整。壩址區(qū)右岸山體雄厚,地形齊整,岸坡多為基巖弱風(fēng)化陡壁。樞紐區(qū)主要發(fā)育的不良地質(zhì)體包括右岸Ⅴ號堆積體和左岸Ⅵ號、Ⅶ號、Ⅷ號堆積體及2 740 m高程以上深厚全強風(fēng)化自然邊坡。壩址區(qū)河床覆蓋層最大厚度約72 m,成分復(fù)雜。下游消能防沖區(qū)兩岸岸坡基巖裸露,為弱風(fēng)化基巖陡壁。邊坡整體穩(wěn)定條件好,不存在潛在特定的不穩(wěn)定塊體。

        圖1 右岸溢洪洞方案平面布置

        3 泄水建筑物布置原則

        根據(jù)該工程的泄洪規(guī)模,結(jié)合壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件、水庫特性、水文特性、水庫調(diào)度運行方式并兼顧施工中后期導(dǎo)流,泄水建筑物布置原則為:

        (1)合理選擇泄水建筑物形式及泄量分配比例,提高泄洪設(shè)施的可靠性、經(jīng)濟性和運行靈活性。

        (2)泄水建筑物的布置應(yīng)避開主要不良地質(zhì)體,并與其他樞紐建筑物的布置相協(xié)調(diào),避免施工和運行期相互干擾。

        在滿足泄洪要求并保證大壩安全的前提下,考慮泄水建筑物工程量及投資較省。

        4 泄水建筑物泄洪規(guī)模

        拉哇水電站工程主要建筑物,受地形地質(zhì)條件制約,除大壩外,其他均以洞室建筑物的形式布置于右岸地下,布置空間局促,泄水建筑物宜盡量以減小洞室條數(shù)、加大單洞泄量為主要因素進行布置。

        拉哇水電站最大洪峰流量11 900 m3/s,泄水建筑物擬考慮由表孔、中孔和底孔構(gòu)成,表孔以泄洪為主并兼顧水庫放空及水庫水位控制,中孔參與渲泄大洪水,底孔用于水庫放空,不參與泄洪。結(jié)合壩址地形地質(zhì)和建筑物布置條件,擬布置2條表孔、1條中孔和1條底孔,表孔總泄量約8 500 m3/s,中孔泄量約3 000 m3/s,底孔根據(jù)水庫放空要求設(shè)置。

        5 泄水建筑物布置格局[1- 4]

        拉哇大壩壩址左岸被拉哇溝切割,受區(qū)域斷層F9-1、F1和Ⅶ號拉勉堆積體等影響,左岸巖體完整性差,地質(zhì)條件差,不宜布置大型地下洞室建筑物,但壩址左岸壩頂高程以上地形相對較緩,下游河道右拐,具備布置岸邊開敞式溢洪道的地形條件。右岸地形陡峻,無天然埡口,無大型結(jié)構(gòu)面,山體雄厚,地形齊整,斷層、層間夾層不發(fā)育,巖體較完整,地質(zhì)條件明顯優(yōu)于左岸,具備布置大型地下洞室群條件,且右岸為凸岸,可裁彎取直布置洞室泄水建筑物。

        根據(jù)左右岸地形地質(zhì)條件,將中孔泄洪洞、底孔放空洞及輸水發(fā)電系統(tǒng)均布置于右岸地下,表孔考慮兩種布置方式,分別為:布置于左岸的溢洪道,采用開敞式進口、明渠泄槽;和布置于右岸的溢洪洞,采用開敞式進口、隧洞泄槽。因此,根據(jù)表孔位置及泄槽形式的不同,泄水建筑物布置格局分為右岸溢洪洞方案(見圖1)和左岸溢洪道方案(見圖2)。

        圖2 左岸溢洪道方案平面布置

        5.1 方案布置

        右岸溢洪洞方案將泄水建筑物均布置于右岸地下,包括2條溢洪洞、1條泄洪洞、1條放空洞。溢洪洞采用開敞式進口,洞室泄洪。溢洪洞單孔孔口尺寸15 m×23 m,相應(yīng)堰頂高程2 679 m,單洞最大泄量4 137 m3/s,單寬流量276 m3/s,無壓隧洞斷面尺寸15 m×23 m,出口挑流消能。泄洪洞進口底板高程2 640 m,采用有壓接無壓隧洞布置形式,最大擋水水頭62 m,工作閘門孔口尺寸12 m×9 m,圓形有壓隧洞直徑13.5 m,無壓隧洞斷面尺寸12 m×18 m,出口挑流消能。泄洪洞最大泄量3 149 m3/s,單寬流量262 m3/s。放空洞不參與泄洪,僅在庫水位低于2 660 m時參與水庫放空。進口底板高程2 585 m,采用有壓接無壓隧洞布置形式,工作閘門孔口尺寸6 m×6 m,圓形有壓隧洞直徑8 m,無壓隧洞斷面尺寸7 m×12 m,出口采用挑流消能。放空洞最大泄量1 084 m3/s。

        左岸溢洪道方案是將表孔溢洪道布置于左岸,泄洪洞和放空洞布置于右岸。溢洪道采用開敞式進口,明渠泄洪,共2孔。各建筑物泄洪規(guī)模與孔口尺寸和右岸泄洪洞方案相同。

        5.2 方案比較

        右岸溢洪洞方案避開了左岸各不良地質(zhì)體和大型結(jié)構(gòu)面,較好地適應(yīng)了壩址的地形地質(zhì)條件。主要開挖邊坡分布于右岸,均為反向巖質(zhì)坡,邊坡穩(wěn)定性較好。消能區(qū)遠離大壩壩腳,可避免下泄水流淘刷壩腳堆石。

        左岸溢洪道方案的開敞式溢洪道超泄能力強,但進水渠開挖觸及左岸深厚全強風(fēng)化自然邊坡,對其穩(wěn)定有較大影響。泄槽段施工及施工道路布置對Ⅶ號堆積體有影響。溢洪道下泄水流淘刷Ⅷ堆積體,泄洪霧化有可能影響Ⅶ號和Ⅷ堆積體的穩(wěn)定。挑流鼻坎緊鄰大壩壩腳布置,壩腳堆石需采取防護措施。另外,左岸開挖邊坡主要為斜交順向坡,邊坡穩(wěn)定條件相對較差,處理難度大。

        經(jīng)綜合經(jīng)濟技術(shù)比較,左岸溢洪道方案工程潛在風(fēng)險大、投資大,且投資可控性較差;右岸溢洪洞方案投資較左岸溢洪道方案少約12.6億元,更好地適應(yīng)了壩址的地形地質(zhì)條件,具有不擾動左岸不良地質(zhì)體、潛在風(fēng)險小、工程投資可控程度高等優(yōu)點。因此,選擇右岸溢洪洞方案為泄水建筑物布置方案。

        6 泄洪洞與放空洞結(jié)合研究

        拉哇水電站地形地質(zhì)條件復(fù)雜,工程規(guī)模大,樞紐主要建筑物占投資比例高。為降低工程投資,優(yōu)化樞紐布置,并確保工程安全,研究泄洪洞與放空洞結(jié)合布置的可能性。

        6.1 研究方案擬定

        按泄洪洞是否與放空洞結(jié)合,擬定四洞方案和三洞方案進行比較。四洞方案在右岸溢洪洞方案基礎(chǔ)上進行優(yōu)化,共設(shè)置4條洞室;三洞方案在四洞方案基礎(chǔ)上取消放空洞,降低泄洪洞進口底板高程,使其兼具泄洪和放空水庫的功能,共設(shè)置3條洞室。

        6.2 方案布置

        6.2.1四洞方案布置

        四洞方案設(shè)3層泄水通道,表層為2條溢洪洞,中間為1條泄洪洞,底層為1條放空洞。

        四洞方案在右岸溢洪洞方案基礎(chǔ)上進行優(yōu)化,將電站進水口布置在右岸壩頭與泄水建筑物之間,將放空洞洞線與④機引水洞上平段平面共線布置。優(yōu)化后的布置縮短了輸水發(fā)電系統(tǒng)長度,經(jīng)論證可取消調(diào)壓井,水頭損失小,單機單洞布置,運行條件好,投資省。

        四洞方案泄水建筑物總泄洪規(guī)模為11 423 m3/s,最低放空水位2 592.2 m,實際放空高度比0.48,泄放庫容比0.9。

        6.2.2三洞方案布置

        三洞方案設(shè)2層泄水通道,表層為2條溢洪洞,底層為1條泄洪放空洞。三洞方案的關(guān)鍵在于確定泄洪放空洞的進口高程和泄洪規(guī)模。

        高面板壩設(shè)置放空設(shè)施,可適當(dāng)控制水庫蓄水和有條件降低庫水位,主要目的是用于大壩超預(yù)期滲漏檢查與修補,在發(fā)生非常情況(如地震等)時減小次生災(zāi)害的影響。從已有工程運行經(jīng)驗及統(tǒng)計資料來看,高壩運行期缺陷大多發(fā)生在2/3壩高以上;在地震情況下,大壩震損主要出現(xiàn)在壩頂附近。根據(jù)國內(nèi)外面板堆石壩放空設(shè)施設(shè)置情況統(tǒng)計分析可知,大部分工程的放空高度比約為0.5[5],基本可滿足大壩檢修的要求。

        拉哇水電站河床覆蓋層厚約72 m,約1/3壩體高度長期掩埋于河床以下;大壩面板應(yīng)力和周邊縫變形最大部位位于1/3壩高左右;大壩靜力分析研究成果表明,大壩應(yīng)力和變形較大部位主要位于中下部,低于水庫100年淤沙高程2 581 m。以上情況表明,拉哇水電站大壩下部約1/3壩高范圍不具備檢修條件。

        水閘規(guī)范規(guī)定,當(dāng)擋水水頭超過85 m時,宜選用設(shè)有突擴門槽的壓緊式或充壓式止水的弧形閘門,相對于采用常規(guī)止水,其閘門結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,操作環(huán)節(jié)多,可靠性低,因此泄洪洞弧形閘門的擋水水頭以不超過85 m為宜。

        綜合以上因素,并類比高水頭大流量泄洪洞特性,將泄洪放空洞工作閘門運行水頭設(shè)定為85 m,相應(yīng)進口底板高程2 617 m,工作閘門孔口尺寸9 m×8.5 m,最大泄量2 609 m3/s,單寬流量237 m3/s。拉哇大壩和猴子巖大壩[5- 6]工程布置條件近似,壩高基本相當(dāng),均位于強震區(qū),河床覆蓋層深度均為70 m左右,放空高度比0.38,與猴子巖(0.41)[5]相近。

        三洞方案適當(dāng)加大溢洪洞泄流能力以泄放同等規(guī)模洪水,將溢洪洞堰頂高程由2 679 m降低至2 678 m,孔口尺寸15 m×24 m,單洞最大泄量4 406 m3/s,單寬流量294 m3/s,最大流速45 m/s。

        三洞方案泄水建筑物總泄洪規(guī)模11 422 m3/s,最低放空水位2 623.6 m,實際放空高度比0.35,泄放庫容比0.74。

        6.3 方案比較

        三洞方案和四洞方案泄流能力、運行條件總體相當(dāng)。兩方案均較好地適應(yīng)了壩址地形地質(zhì)條件,具有不擾動左岸不良地質(zhì)體、工程投資可控程度高等優(yōu)點。

        從已有工程運行經(jīng)驗來看,面板堆石壩運行期缺陷和地震震損主要出現(xiàn)在2/3壩高以上,兩個方案均具備枯水期降低庫水位進行大壩檢修的條件,且能泄放大部分庫容。

        四洞方案泄水建筑物分3層布置,樞紐泄洪運行靈活,但隧洞較多,受地形條件限制,相鄰建筑物間距較小,布置局促。三洞方案溢洪洞泄洪規(guī)模略大,泄洪放空洞孔口大,設(shè)計水頭高,弧門推力大,雖然對施工質(zhì)量及工程運行管理要求高,但均在國內(nèi)技術(shù)水平所能達到的范圍之內(nèi)。三洞方案由于減少了1條洞室,拉大了洞室間距,更利于洞室圍巖穩(wěn)定,布置上也更加靈活,且投資比四洞方案少約3.3億元。

        綜合技術(shù)經(jīng)濟分析,兩方案技術(shù)上均可行,各有利弊。四洞方案設(shè)置了專門的放空洞,放空洞進口高程低,降低庫水位能力較強,同時泄洪洞進口高程較高,運行相對可靠,但四洞方案存在極低運用幾率的放空洞如何維修保養(yǎng)問題;三洞方案泄洪放空洞設(shè)計水頭相對較高,流速相對較大,但三洞方案可改善建筑物的布置條件,節(jié)省投資。

        綜上所述,泄洪洞與放空洞結(jié)合布置,可滿足樞紐泄洪要求和大壩檢修要求,技術(shù)可行,投資較省。最終選擇三洞方案作為泄水建筑物布置方案。

        7 結(jié) 語

        拉哇水電站河谷狹窄,岸坡陡峭,左岸大型不良地質(zhì)體發(fā)育。樞紐布置將主要建筑物布置于右岸地下,避開了左岸Ⅶ號堆積體、Ⅷ號堆積體、深厚全強風(fēng)化自然邊坡,較好地適應(yīng)了壩址地形地質(zhì)條件。泄水建筑物分2層布置,采用3條洞室泄洪,雖然泄洪水頭高、流量大,對運行管理要求高,但均在國內(nèi)技術(shù)水平所能達到的范圍之內(nèi)。泄水建筑物布置滿足樞紐泄洪和大壩檢修要求。下一步將重點研究泄水建筑物高速水流、混凝土抗沖耐磨、隧洞摻氣減蝕、隧洞襯砌及下游河道防護等問題。

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