黃河龍口水利樞紐主要技術(shù)問(wèn)題與對(duì)策

陸宗磐 余倫創(chuàng) 門(mén)乃姣

龍口水利樞紐位于黃河北干流托克托至龍口段的末端,壩址距上游萬(wàn)家寨水利樞紐25.6km,下游距天橋水電站約70km。樞紐工程的主要任務(wù)是發(fā)電和對(duì)萬(wàn)家寨電站調(diào)峰流量進(jìn)行反調(diào)節(jié)。水庫(kù)總庫(kù)容1.96億m3,電站裝機(jī)容量420MW,多年平均發(fā)電量13.02億kW?h,為大 (Ⅱ)型二等工程。樞紐基本壩型為混凝土重力壩,主要建筑物從左到右依次為左岸擋水壩、河床式廠房、隔墩壩、泄洪底孔、表孔及右岸擋水壩,其中河床式電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為100MW和1臺(tái)單機(jī)容量為20mW的水輪發(fā)電機(jī)組,泄洪建筑物由10個(gè)4.5m×6.5m的底孔和2個(gè)12m×12m的表孔組成,大壩、電站廠房、泄洪建筑物按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

樞紐主體工程于2006年6月開(kāi)工,2007年4月二期截流,2009年7月下閘蓄水,2009年9月第1臺(tái)機(jī)組發(fā)電,2010年6月5臺(tái)機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電。

1 對(duì)萬(wàn)家寨下泄流量進(jìn)行反調(diào)節(jié)

萬(wàn)家寨水利樞紐總庫(kù)容8.96億m3,電站裝機(jī)容量1080mW(6臺(tái)180mW混流式機(jī)組),單機(jī)額定流量301m3/s。萬(wàn)家寨電站在晉蒙電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰任務(wù),每天平均調(diào)峰運(yùn)行6～7 h,每天不同時(shí)段下泄流量很不均勻,電站滿(mǎn)出力發(fā)電時(shí)最大下泄流量1806m3/s,而不發(fā)電時(shí)則沒(méi)有下泄流量,致使萬(wàn)家寨—天橋區(qū)間黃河干流有17～18 h/d的斷流,不能滿(mǎn)足區(qū)間生態(tài)基流的要求;同時(shí)萬(wàn)家寨電站調(diào)峰運(yùn)行時(shí)的不穩(wěn)定流到達(dá)天橋電站時(shí)尚不能完全坦化,而天橋電站因受調(diào)節(jié)庫(kù)容的限制,不能對(duì)萬(wàn)家寨電站調(diào)峰發(fā)電流量進(jìn)行完全調(diào)節(jié)。

龍口水利樞紐位于萬(wàn)家寨—天橋之間,正常蓄水位與萬(wàn)家寨電站尾水相銜接,具有3400萬(wàn)m3左右的日調(diào)節(jié)庫(kù)容,能承上啟下,對(duì)萬(wàn)家寨調(diào)峰下泄流量進(jìn)行反調(diào)節(jié)。龍口電站設(shè)計(jì)滿(mǎn)出力發(fā)電流量1520m3/s,小于萬(wàn)家寨電站最大下泄流量,龍口電站發(fā)電時(shí)間可比萬(wàn)家寨電站長(zhǎng)一些,通過(guò)合理的聯(lián)合調(diào)度,其反調(diào)節(jié)的作用更加明顯,有利于坦化流量過(guò)程,減小流量波動(dòng)幅度,改善下游河道生態(tài)條件和天橋電站運(yùn)行條件。

為確保非調(diào)峰時(shí)段河道不斷流,滿(mǎn)足枯水年份瞬時(shí)流量不小于50m3/s,日平均流量不小于100m3/s的要求,設(shè)計(jì)采用了大小機(jī)組方案,即4臺(tái)大機(jī)組(單機(jī)容量100mW,單機(jī)額定流量359m3/s)與萬(wàn)家寨聯(lián)合調(diào)度調(diào)峰,1臺(tái)小機(jī)組(單機(jī)容量20mW,單機(jī)額定流量60m3/s)發(fā)電下泄基流,以提高梯級(jí)電站的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

2 排沙設(shè)施和運(yùn)行方式

龍口水利樞紐位于萬(wàn)家寨水利樞紐下游25.6km,庫(kù)區(qū)有支流偏關(guān)河在左岸距壩址約13.5km處匯入。龍口壩址控制流域面積39.7萬(wàn)km2,其中支流偏關(guān)河控制流域面積2089km2。萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)泥沙達(dá)到?jīng)_淤平衡后,多年平均下泄懸移質(zhì)泥沙量1.32億t,萬(wàn)家寨壩址到龍口壩址區(qū)間懸移質(zhì)多年平均入庫(kù)0.188億t,推移質(zhì)多年平均入庫(kù)1萬(wàn)t。萬(wàn)家寨水庫(kù)出庫(kù)泥沙顆粒較細(xì),多年平均 d50為0.023mm。萬(wàn)家寨—龍口區(qū)間入庫(kù)懸移質(zhì)泥沙顆粒較粗,多年平均d50為0.039mm。多泥沙河流上修建水利樞紐必須重視和妥善處理泥沙問(wèn)題,采取必要的防沙排沙措施。

2.1 泄洪排沙底孔

本工程庫(kù)容較小,庫(kù)沙比約為1.6,水庫(kù)淤積平衡年限較短,樞紐必須具有較強(qiáng)的排沙能力,結(jié)合樞紐泄洪建筑物的要求,采用以底孔為主的泄洪排沙布置型式,在主河床布置了10個(gè)4.5m×6.5m的底孔,進(jìn)口底高程為863 m,略高于原河床底高程,汛期降低水位排沙。

同時(shí),10個(gè)泄洪排沙底孔在施工期還兼作二期導(dǎo)流底孔使用,有利于節(jié)省工程投資和加快施工進(jìn)度。

2.2 電站排沙洞

為保證電站進(jìn)水口 “門(mén)前清”,根據(jù)已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在電站壩段設(shè)置了排沙洞。排沙洞位置和高程的選定應(yīng)使排沙漏斗足以控制進(jìn)水口。經(jīng)比較和模型試驗(yàn)驗(yàn)證,采取了分散排沙布置方式,即在每個(gè)大機(jī)組段布置2個(gè)排沙洞,副安裝間壩段設(shè)1個(gè)排沙洞,共9個(gè)排沙洞。

排沙洞進(jìn)口位于電站進(jìn)水口下方,按照盡量壓低排沙洞進(jìn)口底高程的原則,確定底高程為860.0m,進(jìn)口設(shè)有檢修閘門(mén),孔口尺寸5.9m×3.0m。排沙洞出口高程與下游運(yùn)行水位有關(guān),按滿(mǎn)足完全淹沒(méi)出流確定,出口底高程為860.0m,排沙洞出口設(shè)有工作閘門(mén)和檢修閘門(mén),出口斷面尺寸為1.9m×1.9m。單孔設(shè)計(jì)流量71m3/s。

排沙洞進(jìn)口流速選擇考慮以下兩方面因素。

(1)為使電站進(jìn)水口保留一定的過(guò)水?dāng)嗝?要求排沙洞進(jìn)口處有足夠大的流速,能將廠房前的推移質(zhì)泥沙帶進(jìn)排沙洞,排至電站下游。

(2)為了避免影響水輪機(jī)出力,排沙洞進(jìn)口與機(jī)組進(jìn)口兩者的流速不宜相差過(guò)大,應(yīng)保持適當(dāng)比例。工程經(jīng)驗(yàn)表明,兩者流速比為1.8時(shí),機(jī)組運(yùn)行較為穩(wěn)定;當(dāng)兩者流速比達(dá)到3.9時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響水輪機(jī)出力。本工程經(jīng)比選排沙洞進(jìn)口與機(jī)組進(jìn)口兩者的流速比為3.1。

2.3 攔沙坎

在電站進(jìn)水口前設(shè)置攔沙坎,以加大進(jìn)水口與主河槽的高差,保證水流能將廠房前的推移質(zhì)泥沙帶進(jìn)底孔排走。本工程攔沙坎高度不低于3.0m,利用上游圍堰改建而成。

2.4 “蓄清排渾”

從控制水庫(kù)泥沙淤積末端和水庫(kù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩方面考慮,確定龍口水庫(kù)的運(yùn)行方式為 “蓄清排渾”,考慮到上、下游梯級(jí)排沙及發(fā)電運(yùn)行的同步性,龍口水庫(kù)排沙期設(shè)定為8、9月。

3 大壩深層抗滑穩(wěn)定

龍口水利樞紐壩址區(qū)地層主要由奧陶系馬家溝組(O2m)、石炭系(C)及第四系(Q3+Q4)地層組成。河床壩段建基面巖性主要為中厚層、厚層灰?guī)r,少量為薄層灰?guī)r,巖體完整堅(jiān)硬,適合修建混凝土壩;但是,在壩基巖體中發(fā)育多層軟弱夾層,控制著河床壩基深層抗滑穩(wěn)定性,是本樞紐工程的主要工程地質(zhì)問(wèn)題。

根據(jù)物質(zhì)組成與成因,軟弱夾層可劃分為三類(lèi),即巖屑巖塊狀?yuàn)A層、鈣質(zhì)充填?yuàn)A層和泥化夾層,其中泥化夾層又細(xì)分為泥質(zhì)類(lèi)、泥夾巖屑類(lèi)和鈣質(zhì)充填物與泥質(zhì)混合類(lèi)。這些不同類(lèi)型的軟弱夾層,連續(xù)性好,抗剪強(qiáng)度低,特別是 NJ304-1、NJ304、NJ303是河床壩基中的控制滑動(dòng)面,故大壩深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題是本工程的重大技術(shù)問(wèn)題。為確保大壩安全,本工程設(shè)計(jì)采取了如下綜合工程措施。

3.1 挖除

對(duì)埋藏較淺的軟弱夾層 (如NJ305),采取挖除的方法處理。

3.2 壩基設(shè)置齒槽

底孔、表孔壩段在壩踵設(shè)置齒槽。齒槽底寬12m,齒槽深入NJ304下1.0m;電站及安裝間壩段結(jié)合廠房開(kāi)挖,在壩基中部設(shè)置齒槽,齒槽上口寬22m,齒槽深入NJ303以下1.0m。

3.3 充分利用尾巖抗力

河床壩基內(nèi)的NJ304是底孔、表孔壩段穩(wěn)定的控制滑動(dòng)面,為典型的雙面滑動(dòng)。底孔、表孔壩段需依靠壩趾下游尾巖支撐才能維持穩(wěn)定,為了保護(hù)尾巖免遭破壞,泄水建筑物采用二級(jí)底流消能的方式,以充分發(fā)揮尾巖的抗力作用。

3.4 橫縫部分灌漿

由于夾層埋藏深度及力學(xué)性能的不均一及鈣質(zhì)充填?yuàn)A層的不連續(xù)性,所以各壩段穩(wěn)定安全度不同。為使各壩段相互幫助,提高壩的整體穩(wěn)定性,將左岸河床壩段橫縫做成鉸接縫,對(duì)部分橫縫進(jìn)行灌漿。

3.5 利用開(kāi)挖棄渣壓重

在安裝間壩段及左、右岸坡壩段下游,利用開(kāi)挖棄渣分別回填至高程872.9m和866.0m,除滿(mǎn)足布置要求,還可增大尾巖抗力,提高兩岸邊坡壩段及安裝間壩段的抗滑穩(wěn)定性。

3.6 壩基設(shè)上、下游帷幕及排水

本工程除按常規(guī)設(shè)置上游防滲帷幕和排水外,在壩基下游側(cè)及岸邊均布設(shè)帷幕與上游帷幕形成封閉系統(tǒng)。上游帷幕深入相對(duì)隔水層O2m層3 m,下游帷幕及左右岸邊帷幕深入O2m層1m。主排水孔深入控制滑動(dòng)面以下?？够€(wěn)定計(jì)算時(shí)不考慮抽排作用,作為安全儲(chǔ)備。

3.7 壩基及尾巖固結(jié)灌漿

對(duì)全壩基和部分尾巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處理,以提高壩基、尾巖的承載能力、整體性和均一性。

3.8 預(yù)應(yīng)力錨索加固尾巖

在底孔、表孔消力池下面設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索,提高尾巖抗力。

4 消能防沖

龍口水利樞紐為大(Ⅱ)型工程,攔河壩、泄水建筑物和電站廠房均為2級(jí)建筑物,其洪水標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì),1000年一遇洪水校核。入庫(kù)洪水由萬(wàn)家寨—龍口區(qū)間同頻率洪水疊加萬(wàn)家寨水利樞紐相應(yīng)洪水的下泄流量組成。水庫(kù)運(yùn)用方式是蓄清排渾,汛期排沙。泄水建筑物除應(yīng)滿(mǎn)足泄洪要求外,還應(yīng)滿(mǎn)足沖沙、排污、排冰凌等要求。規(guī)劃對(duì)泄水建筑物泄流能力的要求是:

(1)校核洪水位時(shí),下泄流量大于8276m3/s;

(2)設(shè)計(jì)洪水位時(shí),下泄流量大于7561m3/s;

(3)汛期排沙水位888.0m時(shí),下泄流量大于5000m3/s。

由于本工程沖沙流量大,汛期要求泄洪兼排沙,故泄水建筑物以底孔為主。經(jīng)反復(fù)比較,選用10個(gè)孔口尺寸4.5m×6.5m(寬×高)的泄洪底孔,孔口處最大單寬流量為137.8m3/(s?m);2個(gè)12m×12m的泄洪表孔,兼作排污排冰之用,最大單寬流量為76.7 m3/(s?m);為保持電站壩段“門(mén)前清”,還設(shè)有9個(gè)1.9m×1.9m排沙洞。

因壩基存在多層泥化夾層,從大壩穩(wěn)定性考慮不宜采用挑流消能方式,故表孔和底孔均采用底流消能。同時(shí),為了保護(hù)尾巖免遭破壞,維持大壩穩(wěn)定需要的抗力,消力池不宜深挖,為此采用二級(jí)消能方式。消能建筑物主要由一級(jí)消力池,一級(jí)消力坎,二級(jí)消力池,差動(dòng)尾坎,海漫,消力池左、右邊墻及消力池中隔墻等建筑物組成。

一級(jí)消力池池長(zhǎng)75.0m,表孔和底孔消力池池寬分別為29.0m和95.0m,之間用中隔墻分開(kāi),在一級(jí)消力池末端設(shè)置梯形斷面消力坎,坎高7.0m。

二級(jí)消力池為底孔、表孔共用,池長(zhǎng)53.0m。為了減少消力池末端的單寬流量,平面上二級(jí)消力池的左、右邊墻分別向兩側(cè)擴(kuò)散(左側(cè)1∶6.67坡度,右側(cè)1∶8坡度向外擴(kuò)散),池寬由131.0m擴(kuò)散為147.0m。二級(jí)消力池末端設(shè)差動(dòng)尾坎,高坎體型為直角梯形斷面,坎高5.0m,低坎體型為等腰三角形斷面,坎高3.0m,兩種形式每隔3.5m交叉布置。為了防止出池水流淘刷,差動(dòng)尾坎末端設(shè)置一齒槽,齒槽深5.5m,齒槽后接20.0m海漫。

為了防止下泄水流對(duì)消力池底板表面混凝土沖刷,在消力池底板頂面鋪設(shè)0.4m厚的抗沖磨混凝土。

經(jīng)整體水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證,在宣泄各級(jí)洪水情況下,消能充分,水流平順,流態(tài)較好,出池水流最大流速控制在9.0m/s以?xún)?nèi)。

5 廠房下部結(jié)構(gòu)

龍口電站為河床式廠房,總裝機(jī)容量420MW,年發(fā)電量13億kW?h,共裝4臺(tái)單機(jī)容量為100mW軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組和1臺(tái)單機(jī)容量為20MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組,額定水頭31.0m,最大、最小凈水頭為36.1m和23.6m。廠房長(zhǎng)187.0m,下部寬81.0m,上部寬30.0m,高67.2m,采用一機(jī)一縫,大機(jī)組段寬30.0m,小機(jī)組段寬15.0m。

大機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑7.1m,單機(jī)引用流量359m3/s,采用特殊的上下伸式鋼筋混凝土蝸殼,蝸殼包角216°,上下伸角各為15°,流道體型極其復(fù)雜。同時(shí),因排沙需要,在每個(gè)機(jī)組段布置有2個(gè)排沙洞,排沙洞進(jìn)口位于電站進(jìn)水口下方,呈重疊布置,排沙洞從蝸殼兩側(cè)下方穿過(guò),在尾水管上方進(jìn)入尾水渠,致使廠房下部結(jié)構(gòu)孔洞多,上下左右交叉,體型復(fù)雜。

廠房下部結(jié)構(gòu)采用平面框架法和三維有限元法進(jìn)行分析計(jì)算。平面框架方法簡(jiǎn)便、實(shí)用,但忽略了空間作用,只能確定頂板和側(cè)墻徑向內(nèi)力和配筋,無(wú)法計(jì)算環(huán)向應(yīng)力,致使蝸殼頂板徑向鋼筋和側(cè)墻豎向鋼筋偏多,而環(huán)向鋼筋不足。三維有限元方法可以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法的不足,能精確反映各個(gè)部位的應(yīng)力狀況。兩種方法相互驗(yàn)證,實(shí)際配筋綜合了兩種方法的計(jì)算結(jié)果,對(duì)轉(zhuǎn)角、孔口交叉或應(yīng)力突變的部位配置了加強(qiáng)筋。蝸殼進(jìn)口段凈跨22.0m,凈高11.5m,因受水輪機(jī)層布置和蝸殼上伸角的限制,該段頂板混凝土僅2.5m厚,為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在蝸殼進(jìn)口段混凝土頂板內(nèi)沿順?biāo)鞣较蚝蜋M水流方向各布置2道暗梁。

本工程蝸殼最大內(nèi)水壓力(計(jì)入水擊壓力后)達(dá)46.0m,為提高防滲性能,在蝸殼頂板內(nèi)壁,+x軸方向13.65m,-x軸方向7.85m的范圍內(nèi),設(shè)置薄鋼板襯砌,其它部位采用10mm厚環(huán)氧砂漿抹面。

6 結(jié) 語(yǔ)

本工程壩雖不高,電站裝機(jī)容量不大,但其特殊的地形地質(zhì)條件和泥沙問(wèn)題,仍然存在一些重大的技術(shù)問(wèn)題需解決,針對(duì)這些問(wèn)題采取的相應(yīng)工程措施值得總結(jié)。

(1)采取大小機(jī)組方案不僅能滿(mǎn)足下游河道生態(tài)流量的要求,而且有利于坦化流量過(guò)程,增強(qiáng)反調(diào)節(jié)的作用。

(2)本工程樞紐布置緊湊、合理,泄洪排沙建筑物采用以底孔為主,表孔為輔的方式,可有效地控制庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)。同時(shí),在電站壩段分散布置排沙洞可以保證電站進(jìn)口 “門(mén)前清”。

(3)針對(duì)壩基存在的軟弱夾層,采用多種工程措施進(jìn)行處理,有效解決了大壩深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

(4)根據(jù)大壩深層抗滑穩(wěn)定需要,為保護(hù)尾巖,避免消力池深挖,泄水建筑物消能采用二級(jí)消能方式,經(jīng)整體水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證,消能充分,水流平順,流態(tài)較好。

(5)針對(duì)河床式廠房下部結(jié)構(gòu)孔洞多,體型復(fù)雜的特點(diǎn),采用平面框架法和三維有限元法兩種方法進(jìn)行分析計(jì)算,相互驗(yàn)證。鋼筋混凝土蝸殼承受的內(nèi)水壓力較高,為提高防滲性能,在蝸殼頂板內(nèi)壁局部設(shè)置簿鋼板襯護(hù)。