黃河龍口水利樞紐工程設(shè)計(jì)過程回顧

杜 雷 功

1 概況

1.1 工程概況

黃河龍口水利樞紐位于黃河北干流托龍段尾部、山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的交界地帶,左岸是山西省忻州市的偏關(guān)縣和河曲縣,右岸是內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的準(zhǔn)格爾旗。壩址距上游已建的萬家寨水利樞紐25.6km,下游距已建的天橋水電站70km。

龍口水利樞紐的開發(fā)建設(shè)符合歷次黃河流域規(guī)劃的要求。工程規(guī)模為大(Ⅱ)型,其主要功能:充分利用黃河北干流豐富的水能資源,為晉蒙電網(wǎng)提供清潔、可靠的調(diào)峰容量和電量,從而改善電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu),增強(qiáng)調(diào)峰能力,優(yōu)化運(yùn)行條件;對(duì)萬家寨水電站發(fā)電流量進(jìn)行反調(diào)節(jié),確保黃河龍口—天橋區(qū)間不斷流,兼有滯洪削峰等綜合作用;促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,有利于西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施;改善周邊生態(tài)環(huán)境。

水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。采用 “蓄清排渾”運(yùn)行方式,每年7～9月低水位運(yùn)行排沙。水庫總庫容1.96億m3,電站總裝機(jī)容量420mW(4×100mW+1×20mW機(jī)組)。年均發(fā)電量13.02億kW?h。左岸1回220kV線路接入山西電網(wǎng);右岸2回220kV線路接入內(nèi)蒙電網(wǎng)。庫區(qū)淹沒各類土地約446.67 hm2(0.67萬畝),生產(chǎn)安置人口1147人。主體工程施工期52個(gè)月,工程總投資約27.15億元。

樞紐主要由混凝土重力壩、河床式電站、泄水建筑物、副廠房及GIS開關(guān)站組成。攔河壩壩頂高程900m,壩頂全長(zhǎng)408m,最大壩高51m。

樞紐布置格局為:河床式電站壩段布置在左岸,泄流表孔壩段布置在右岸,泄流底孔壩段布置在電站壩段與表孔壩段之間,電站壩段和底孔壩段間設(shè)隔墩壩段,兩岸設(shè)混凝土重力邊坡壩段和岸坡連接。左右岸邊坡壩段分別預(yù)留引黃取水口。副廠房布置在主廠房左側(cè),220kV GIS開關(guān)站布置于副廠房下游側(cè)。

1.2 工程勘測(cè)設(shè)計(jì)過程

龍口水利樞紐工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作始于20世紀(jì)50年代,50—70年代先后開展過一些地質(zhì)勘探工作。1984年水利部天津水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院(現(xiàn)中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司)開始本工程的地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)工作,1988年12月編制完成了《黃河龍口水電站工程可行性研究報(bào)告》,于1992年11月通過了原能源部、水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院技術(shù)審查;1998年在可研工作基礎(chǔ)上補(bǔ)充編制了《黃河萬家寨水利樞紐配套工程龍口水利樞紐項(xiàng)目建議書》,于2003年1月通過水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院的審查,并于同年9月通過中國(guó)國(guó)際工程咨詢公司評(píng)估;2003年開始龍口工程可行性研究報(bào)告的修編工作,2004年5月完成《黃河萬家寨水利樞紐配套工程龍口水利樞紐可行性研究報(bào)告》,并通過了水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院審查;2005年5月,編制完成《黃河萬家寨水利樞紐配套工程龍口水利樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告》,于2005年6月通過水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院的審查;2005年9月國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)核準(zhǔn)本工程立項(xiàng);2005年12月水利部對(duì)工程進(jìn)行了批復(fù)。中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司隨即開展本工程招標(biāo)和施工圖設(shè)計(jì)工作,工程進(jìn)入建設(shè)實(shí)施階段。

1.3 工程施工過程

2005年9月國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)核準(zhǔn)立項(xiàng)后,開始工程施工籌建準(zhǔn)備工作,2006年4月實(shí)現(xiàn)了一期截流,主體工程從2006年5月初開始施工,2007年4月實(shí)現(xiàn)二期截流,2009年9月初正式下閘蓄水,2009年9月18日首臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電,2010年6月底工程建設(shè)基本完工。截止目前,龍口水庫已蓄水至正常蓄水位,5臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

2 設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中的優(yōu)化

2.1 樞紐布置優(yōu)化

隨著設(shè)計(jì)工作的不斷深入和外部條件的變化,對(duì)樞紐主要建筑物的形式、布置進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

2.1.1 攔河建筑物布置優(yōu)化

壩址處壩基巖層傾向左岸及下游,傾角2°～6°,可行性研究階段攔河建筑物的布置為:從左岸至右岸依次為非溢流壩段、主安裝間壩段、電站壩段、小機(jī)組壩段、副安裝間壩段、隔墩壩段、底孔壩段、隔墩壩段、表孔壩段及非溢流壩段?？裳须A段的這種布置適應(yīng)了壩址處的地形地質(zhì)條件:將建基高程較低的電站壩段布置于左岸,建基高程較高的泄水建筑物布置于右岸,這種布置形式與電站布置于右岸方案相比可減少巖石開挖量6.1萬m3,減少混凝土澆筑量5.3萬m3。

初步設(shè)計(jì)階段在可行性研究階段布置格局的基礎(chǔ)上,本著在滿足建筑物功能要求的基礎(chǔ)上,力求合理、緊湊的原則,結(jié)合兩岸邊坡巖石情況和水工模型試驗(yàn)成果,對(duì)樞紐布置進(jìn)一步優(yōu)化,取消了底孔和表孔間的隔墩壩段,左岸增加了一個(gè)非溢流壩段,壩頂長(zhǎng)度由420m調(diào)整至408m。左岸增加一個(gè)非溢流壩段后,電站廠前區(qū)寬度由25m增至40m,廠前區(qū)更加開闊,方便了施工和運(yùn)行管理。模型試驗(yàn)表明:取消底孔、表孔間的隔墩壩段,雖然下游出消力池流速比河床允許不沖流速稍大,但最大沖刷深度小于5m,不會(huì)危及建筑物安全。

2.1.2 副廠房布置優(yōu)化

初步設(shè)計(jì)階段副廠房、GIS開關(guān)站布置于左岸邊坡下,沿山體開挖線成 “一”字布置,GIS開關(guān)站靠近主廠房,副廠房布置于GIS開關(guān)站下游側(cè)。

工程實(shí)施過程中,考慮到本工程生活管理區(qū)距廠區(qū)較近,可充分利用生活管理區(qū)已有房屋設(shè)施,將部分辦公及非生產(chǎn)用房安排至生活管理區(qū),副廠房?jī)?nèi)只保留必要的生產(chǎn)性用房,大幅降低了廠區(qū)副廠房的建筑面積。并對(duì)副廠房位置進(jìn)行調(diào)整:將其布置于左岸邊坡壩段下游側(cè)壩體上,緊鄰主廠房。如此優(yōu)化后,既減少了大壩的混凝土澆筑方量,又縮短了主、副廠房間的電纜廊道,同時(shí)還節(jié)省了廠前區(qū)的空間和廠區(qū)回填量,節(jié)約了建設(shè)成本,也方便了后期運(yùn)行。

2.2 左右岸預(yù)留引黃取水口

在龍口水利樞紐工程實(shí)施期間,應(yīng)山西省、陜西省及內(nèi)蒙古自治區(qū)三省(區(qū))地方政府請(qǐng)求,調(diào)整變更部分建筑物設(shè)計(jì),在左、右岸邊坡壩段分別預(yù)留引黃取水口。

樞紐左岸為忻州市河曲縣,境內(nèi)有沿黃河水地面積3633 hm2(5.45萬畝),是全縣發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)地區(qū)和主要產(chǎn)糧區(qū),原為提水灌溉,利用龍口水利樞紐提供的有利條件,從龍口庫區(qū)引水可變?cè)狳S引水方式為自流引水,不僅能保證原有水地的適時(shí)灌溉,而且還可新增保澆水地1033 hm2(1.55萬畝),同時(shí)還可滿足沿黃18個(gè)廠礦企業(yè)的工業(yè)用水需求,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

樞紐右岸內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗沿黃經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)計(jì)劃建設(shè)諸多大型煤電、煤化工基地,預(yù)計(jì)年需水缺口2億m3;右岸下游的陜北榆林地區(qū)煤、油、氣、鹽資源豐富,將建設(shè)成全國(guó)重要的能源接續(xù)地和化工基地,預(yù)測(cè)到2020年供水缺口將達(dá)12.23億m3,解決這一突出矛盾的主要途徑也是引黃。

2.3 基礎(chǔ)處理優(yōu)化

施工過程中根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況,及時(shí)對(duì)基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核、優(yōu)化。

2.3.1 壩基帷幕和排水優(yōu)化

前期勘察成果表明:壩址兩岸地下水位低于庫水位,壩址區(qū)巖體滲透性呈不均一性,蓄水后存在繞壩和壩基滲漏問題。壩址無大斷層和較大溶洞存在,產(chǎn)生集中滲漏的可能性不大,滲漏形式是散流型、巖溶裂隙式。左岸壩肩和壩基大部分巖體滲透性較弱,右岸壩肩巖體滲透性較強(qiáng)。壩基巖體滲透性隨深度的增加有逐漸減小的趨勢(shì)。初步設(shè)計(jì)階段壩基防滲設(shè)上游帷幕、下游帷幕及兩岸橫向連接帷幕,帷幕形成封閉系統(tǒng),上游帷幕設(shè)2排。壩基下共設(shè)3道排水幕,第1道主排水幕布置在灌漿及主排水廊道內(nèi)帷幕下游側(cè),第2道排水幕布置在基礎(chǔ)排水廊道內(nèi),第3道排水幕布置在下游灌漿排水廊道帷幕上游側(cè)。

施工過程中,對(duì)基坑內(nèi)的涌水量進(jìn)行了認(rèn)真觀測(cè)、分析,結(jié)果表明:壩基的滲漏量與前期勘察預(yù)測(cè)情況基本一致,基巖不透水性好于預(yù)期;初步設(shè)計(jì)中雖設(shè)置下游帷幕,但僅作為安全儲(chǔ)備,未計(jì)入抗滑穩(wěn)定計(jì)算;黃河是多泥沙河流,水庫蓄水后,壩前會(huì)形成一定程度天然鋪蓋。綜上考慮,對(duì)壩基帷幕和排水進(jìn)行了優(yōu)化:取消下游帷幕及上下游連接帷幕;取消1#～11#壩段下游灌漿排水廊道排水孔及左、右岸上下游連接廊道內(nèi)排水孔。

2.3.2 壩后尾巖加固處理優(yōu)化

初步設(shè)計(jì)階段有限元計(jì)算結(jié)果表明:由于壩基存在多條泥化夾層,壩體深層抗滑情況下壩后尾巖(抗力體)承受向上作用,尾巖表面有隆起現(xiàn)象,局部有拉應(yīng)力區(qū)。為安全計(jì),底孔和表孔壩段壩體下游尾巖20m范圍之內(nèi),每個(gè)壩段施加20000kN的垂直壓力;電站壩段下游尾巖30m范圍,每壩段施加55000kN的垂直壓力。據(jù)此,初步設(shè)計(jì)提出對(duì)底孔、表孔和電站壩段壩后尾巖采用錨筋樁加固,錨筋樁梅花形布置,樁徑0.6m,樁長(zhǎng)16m,樁底爆破擴(kuò)頭處理。

招標(biāo)設(shè)計(jì)階段,對(duì)壩后尾巖加固措施進(jìn)行了錨筋樁和錨索兩種方案的比選。與錨筋樁方案相比,錨索方案具有施工難度小、工期短,變被動(dòng)受拉為主動(dòng)施壓等優(yōu)勢(shì),采用錨索加固方案。

施工階段電站壩段基坑后揭露情況表明:電站壩段壩趾巖石完整性較好,未發(fā)現(xiàn)緩傾角裂隙、地質(zhì)構(gòu)造破碎帶等不利地質(zhì)情況。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地質(zhì)參數(shù)重新進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核,計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。據(jù)此,取消電站壩段尾巖預(yù)應(yīng)力錨索加固措施。

2.4 廠房通風(fēng)方案優(yōu)化

施工圖設(shè)計(jì)過程,通過對(duì)已建水電站調(diào)研,對(duì)廠房通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,在滿足消防及工藝要求的前提下更加簡(jiǎn)潔、高效。將主廠房送風(fēng)系統(tǒng)的取風(fēng)地點(diǎn)由室外改為主帷幕灌漿廊道,由廊道內(nèi)取風(fēng)可使送風(fēng)溫度夏季降低5℃左右,冬季提高5℃左右,節(jié)約了能源,節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。

2.5 施工導(dǎo)流與進(jìn)度方案調(diào)整

本工程初步設(shè)計(jì)階段分兩期導(dǎo)流,一期導(dǎo)流又分為一期低圍堰和一期高圍堰兩個(gè)導(dǎo)流時(shí)段。一期圍右岸河床,施工右岸泄水壩段;二期圍左岸河床,施工左岸電站壩段。工程實(shí)際于2006年4月實(shí)現(xiàn)了一期截流,與原初步設(shè)計(jì)計(jì)劃推遲了近5個(gè)月,根據(jù)這一情況,將施工導(dǎo)流調(diào)整為三期:一期圍右岸河床,施工右岸泄水壩段;二期圍左岸河床,施工左岸電站壩段;三期圍右岸消力池,施工消力池面層混凝土。

二期截流的時(shí)間是影響電站發(fā)電工期的關(guān)鍵,為實(shí)現(xiàn)2007年汛前二期截流,使電站提早發(fā)揮效益,采取了如下措施:降低導(dǎo)流缺口底高程以降低一期基坑壩體混凝土澆筑強(qiáng)度,消力池面層混凝土安排到三期澆筑,減少了一期基坑混凝土澆筑強(qiáng)度。通過以上調(diào)整,2007年4月順利完成了二期截流。

2.6 接入系統(tǒng)和主接線方案調(diào)整

初步設(shè)計(jì)階段至最終實(shí)施的過程中,龍口電站的接入系統(tǒng)和主接線方案根據(jù)電網(wǎng)情況和業(yè)主要求進(jìn)行了多次調(diào)整。

在電站初步設(shè)計(jì)階段,接入系統(tǒng)方案為電站分別采用2回220kV線路接入山西和內(nèi)蒙電網(wǎng)。電站接線具備兩省電網(wǎng)在龍口電站聯(lián)網(wǎng)的條件,并且具備兩省電網(wǎng)互相借用機(jī)組運(yùn)行的條件。根據(jù)上述原則,水電站220kV側(cè)采用雙母線接線。

工程實(shí)施過程中,山西、內(nèi)蒙2省(自治區(qū))最終審定的接入系統(tǒng)為:山西側(cè)以1回220kV線路接入系統(tǒng);內(nèi)蒙側(cè)以2回220kV線路接入系統(tǒng),同時(shí)業(yè)主提出簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、節(jié)省投資的要求。據(jù)此,確定電站主接線不考慮 “聯(lián)網(wǎng)”和 “借機(jī)”的運(yùn)行原則,電站220kV側(cè)接線改為2個(gè)獨(dú)立的單母線接線。

在電站投產(chǎn)前,內(nèi)蒙側(cè)電網(wǎng)調(diào)整了發(fā)展布局,龍口內(nèi)蒙側(cè)送出線路項(xiàng)目被暫時(shí)擱置。為保證電站效益不受損失,與山西電網(wǎng)協(xié)商后,同意近期龍口電站全部機(jī)組接入山西側(cè)電網(wǎng)運(yùn)行,內(nèi)蒙側(cè)送出線路建成后,按照已經(jīng)審定的接入系統(tǒng)方案運(yùn)行。根據(jù)這一實(shí)際情況,龍口電站220kV接線再次調(diào)整,在原有的2段母線之間加裝了隔離開關(guān),并在內(nèi)蒙側(cè)增設(shè)了臨時(shí)借機(jī)用母線。

2.7 電站攔污、清污設(shè)施優(yōu)化

本工程共安裝有4臺(tái)100mW機(jī)組和1臺(tái)20mW機(jī)組,每臺(tái)100mW機(jī)組有3個(gè)進(jìn)水口,20mW機(jī)組有1個(gè)進(jìn)水口。初步設(shè)計(jì)階段每個(gè)進(jìn)水口沿水流方向依次設(shè)有副、主攔污柵、檢修閘門和事故閘門,攔污柵采用連通布置,采用清污抓斗和提柵人工清污兩種清污方式。

建設(shè)過程中對(duì)上游萬家寨水利樞紐進(jìn)行了調(diào)研,由于近年來黃河未發(fā)生大洪水,庫區(qū)污物較少,建成至今清污抓斗未曾使用。另外,龍口壩址距萬家寨樞紐僅有25.6km,其間只有偏關(guān)河匯入,且來水較少,亦無大量污物匯入龍口庫區(qū)。綜合分析,取消了大、小機(jī)組電站進(jìn)口的副攔污柵及其相應(yīng)埋件,取消清污抓斗和相應(yīng)的攔污柵庫和清污抓斗庫。

2.8 采用新材料

黃河是著名的多泥沙河流,龍口作為河床式電站,泄水、排沙、發(fā)電流道的磨蝕問題突出,結(jié)合本工程料場(chǎng)情況,針對(duì)混凝土的水泥、粉煤灰、粗細(xì)骨料、摻料及外加劑等進(jìn)行了試驗(yàn)、研究,優(yōu)選出了抗沖磨混凝土的配比方案。研究成果表明:采用UF500纖維素纖維作為添加料,輔以一定量的粉煤灰、硅粉等配置的抗沖磨混凝土,其抗磨蝕性、抗裂性、和易性等性能優(yōu)良,施工簡(jiǎn)便,易于控制。UF500纖維素纖維作為一種新型纖維以其優(yōu)異的性能在龍口抗沖磨混凝土中得以應(yīng)用。

3 結(jié) 語

(1)水利水電工程設(shè)計(jì)是涉及多學(xué)科、多專業(yè)的系統(tǒng)工程,也是利用、適應(yīng)和改造客觀環(huán)境的工程。在設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中,隨著對(duì)客觀自然條件認(rèn)識(shí)的逐步加深、外部條件的不斷變化和工程技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)設(shè)計(jì)不斷進(jìn)行調(diào)整、完善和優(yōu)化是必然和必須的。隨著科技的進(jìn)步和設(shè)計(jì)理念的提升,水利水電工程設(shè)計(jì)必將進(jìn)入較高層次的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)的發(fā)展階段。

(2)方案比選時(shí),應(yīng)全面辯證的分析問題,不能只強(qiáng)調(diào)直接投資或某單一因素,要著眼全局,結(jié)合工程運(yùn)行管理的安全和靈活、運(yùn)行費(fèi)用、施工安全性、施工難度、工期等多方面因素,綜合分析、比選。

(3)設(shè)計(jì)工作中要始終保持不斷進(jìn)取創(chuàng)新的精神,認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)。