智利艾森水電樞紐導(dǎo)流工程物理模擬試驗(yàn)

[智利]R.西恩富戈斯 B.費(fèi)爾南德斯 O.加爾塞斯等

劉洪亮 譯自英刊《水電與大壩》2010年第1期

艾森水電樞紐包括貝克河上的2座水電站和帕斯夸河上的 3座水電站,這兩條河位于智利最南端。

該水電樞紐總裝機(jī)容量2750MW,年平均發(fā)電量18430GW?h。水庫(kù)總面積59.1 km2,年發(fā)電量 -水庫(kù)面積系數(shù)為 312 GW?h/km2,艾森水電樞紐為此成為效益最高的水電工程。

在工程設(shè)計(jì)方案中,從設(shè)計(jì)初期階段起就融入了“為減輕環(huán)境影響設(shè)計(jì)”的理念。制定了與可持續(xù)開發(fā)方法一致的標(biāo)準(zhǔn)。這需要盡早查明環(huán)境影響,以便能對(duì)工程進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化,并減少大量環(huán)境問(wèn)題的潛在不利影響。

該樞紐將開發(fā)這兩條河的部分水電資源,這兩條河都因河谷狹窄、陡峭和天然調(diào)節(jié)流量很大而受到關(guān)注。即使在枯水季節(jié),平均流量仍為 600～800m3/s。這些特點(diǎn)導(dǎo)致壩址處流速快(達(dá)到5 m/s),水流深(＞5m),使導(dǎo)流工程具有挑戰(zhàn)性。

為了對(duì)推薦的貝克1和帕斯夸2.2水電工程壩址處的導(dǎo)流特點(diǎn)進(jìn)行分析,智利天主教大學(xué)水工實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用了兩個(gè)縮尺物理模型(貝克河為1∶70,帕斯夸河為1∶60)來(lái)評(píng)價(jià)導(dǎo)流工程的性能和檢驗(yàn)圍堰施工的不同方法。

結(jié)合諸如立方體、四立方體(tetracubes)、四腳錐體,以及土石填方進(jìn)行試驗(yàn),以獲得半透水的圍堰。

本文介紹了使用這兩個(gè)模型進(jìn)行的試驗(yàn),以及選用方案的效果。該方案考慮了使用 30t重的四腳錐體并結(jié)合使用石料和顆粒料填筑,以確保上游圍堰不滲水。

1 工程概況

艾森水電樞紐位于智利首都圣地亞哥南部約2000km處的艾森地區(qū)。水電樞紐設(shè)計(jì)包括在貝克河上建2座電站和在帕斯夸河上建 3座水電站。

該樞紐由上游至下游分別命名為貝克1和貝克2電站,帕斯夸1、帕斯夸2.1和帕斯夸2.2電站。該工程還包括帕斯夸1電站與貝克1電站附近的交直流換流站之間的一條177 km長(zhǎng)的50kV交流輸電線路。從該換流站開始,一條2000km長(zhǎng)的高壓直流輸電線路將該電站與智利中央互聯(lián)電網(wǎng)連接。

除貝克2電站外,其余電站布置相似。這些電站由1座進(jìn)水口建筑物、2條短引水隧洞和豎井,以及地下電站組成。每座電站裝2臺(tái)豎軸混流式水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器。尾水隧洞設(shè)有調(diào)壓井,將水排入每座壩下游河內(nèi)。

貝克2電站進(jìn)水口建筑物以前有一條輸水渠,該進(jìn)水建筑物與兩條鋼板襯砌的混凝土斜壓力管道連接。電站廠房為地面廠房,裝2臺(tái)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器。水輪機(jī)將水流排入與貝克河相連的一座水庫(kù)內(nèi)。

帕斯夸河上的 3座電站都設(shè)計(jì)了一座 RCC壩,而貝克1電站則設(shè)計(jì)了一座混凝土面板礫石壩(CFGD),貝克2為常規(guī)混凝土壩。這5座大壩的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 艾森水電樞紐的主要參數(shù)

貝克河發(fā)源于卡雷拉將軍(General Carrera)湖-伯特蘭(Bertrand)湖系(面積1890km2),而帕斯夸河則發(fā)源于奧希金斯(O′Higgins)湖 -奇科(Chico)湖系(面積1000km2)。與智利其他河流相比,貝克河和帕斯夸河年平均流量極大,加上其地形優(yōu)勢(shì),其水電蘊(yùn)藏量自20世紀(jì) 40年代以來(lái)一直受到人們關(guān)注。20世紀(jì) 60～80年代中期,在兩條河的干流及某些支流上設(shè)置了十多個(gè)測(cè)流站。此外,在卡雷拉將軍湖和奧希金斯湖設(shè)置了幾個(gè)氣象站和湖泊水位站。因此,已有45 a的逐日實(shí)測(cè)流量水文資料,可進(jìn)行詳細(xì)和可靠的流量分析。在上游的湖泊出口處,貝克河流量約570m3/s,在其下游35 km的貝克1壩址處,流量增至約 640m3/s。在距卡雷拉將軍湖 90km的貝克2壩址處,記錄的年平均流量為 950m3/s。下游支流不大,當(dāng)貝克河水流匯入海里時(shí),流量估計(jì)為1000m3/s。該河水情表明,由于冰雪融化,夏季流量為最大,年平均流量季節(jié)變化范圍為 ±35%。貝克河主要為西南流向,如圖1所示。帕斯夸河具有類似的水文特征,在奧希金斯湖出口下游幾公里的帕斯夸1壩址處年平均流量為 620m3/s,在其下游約60km處,該河匯入海里的流量估計(jì)為 800m3/s。在帕斯夸2.2壩址處,記錄的平均流量為 690m3/s。年平均流量季節(jié)變化限定在 ±45%的范圍內(nèi)。

由于流量季節(jié)變化小,預(yù)計(jì)工程導(dǎo)流時(shí)流量很大。此外,壩址處河谷狹窄,導(dǎo)致流速達(dá)到5 m3/s,水深在5 m以上。因此,在水力學(xué)模型上對(duì)待建的2座電站,即貝克1和帕斯夸2.2的導(dǎo)流條件進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 工程設(shè)計(jì)采用的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

采用了為減輕環(huán)境影響而設(shè)計(jì)的理念作為工程開發(fā)各方面應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。在初期階段,現(xiàn)代環(huán)境保護(hù)和減緩環(huán)境影響的理念就融入工程設(shè)計(jì)方案中。

圖1 貝克河流域和擬建工程選定的壩址

通過(guò)各種方式使地方和地區(qū)的社會(huì)階層了解這項(xiàng)工程,收集利益相關(guān)者的看法、意見(jiàn)和所關(guān)注的問(wèn)題,隨后將這些意見(jiàn)在工程計(jì)劃中加以考慮。這意味著工程設(shè)計(jì)考慮了早期發(fā)現(xiàn)的環(huán)境影響,并決定對(duì)設(shè)計(jì)加以調(diào)整,這樣就減少了許多潛在的不利環(huán)境影響。

這種方法不僅考慮了通過(guò)典型的減緩環(huán)境影響的措施和計(jì)劃減緩對(duì)環(huán)境的影響,而且還采用了工程設(shè)計(jì)的方法來(lái)減少和避免對(duì)環(huán)境的影響。為減輕環(huán)境影響,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循如下準(zhǔn)則:

(1)開發(fā)高效工程,注意減少水庫(kù)蓄水面積,同時(shí)達(dá)到盡可能高的發(fā)電水平。

(2)維持卡雷拉將軍湖 -伯特蘭湖水系和奧希金斯湖 -奇科湖水系上游的天然水位。

(3)基于庫(kù)水位變化小和運(yùn)行流量大(≥該河流年平均流量的 40%)的自主調(diào)度準(zhǔn)則,以確保對(duì)電站上下游的影響最小。

(4)維持旅游景點(diǎn)(如險(xiǎn)灘)以及電站上游平地河段的天然水流條件。

(5)利用短尾水隧洞和(或)溢洪道泄水恢復(fù)每座大壩壩腳的水流。

(6)通過(guò)地下工程設(shè)計(jì),盡量減少對(duì)景觀的視覺(jué)影響,包括輸電線路選擇的視覺(jué)影響標(biāo)準(zhǔn)。

(7)有關(guān)工程附近冰川的“零影響”方法。

(8)根據(jù)獨(dú)立單元的設(shè)計(jì)理念,應(yīng)遠(yuǎn)離居民區(qū)設(shè)置施工人員生活營(yíng)地,減少對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦目赡苡绊憽?/p>

3 水工物理模型

兩個(gè)模型都是按弗勞德相似性和無(wú)幾何變態(tài)的縮尺比例建立的。模型設(shè)計(jì)由1∶1000比尺的地形資料、水深測(cè)量剖面圖(包括由 Ingendesa公司為確定水工建筑物的位置和尺寸而編制的水位 -流量測(cè)量數(shù)據(jù)、平面圖和布置圖)提供支撐。通過(guò)對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)室回水曲線,在兩個(gè)模型上率定河道內(nèi)等效表面曼寧糙率和異常部位的能量損失。水工模型的尺寸和特征參數(shù)列于表2。

3.1 圍堰施工和導(dǎo)流的研究方案

由于諸如坡陡、流量大、流速快(達(dá)到了5m/s)及水深(即使在枯水季節(jié)某些河段水深也超過(guò)了5 m)等自然條件,貝克河和帕斯夸河施工導(dǎo)流都是一件非常復(fù)雜的事情。此外氣候條件也不利,且可獲得的尺寸和重量適宜的顆粒材料也不多。

為了盡量減少風(fēng)險(xiǎn)和危害,決定在物理模型上模擬導(dǎo)流。為利用預(yù)制混凝土件(例如四立方體、石籠、四腳錐體)和級(jí)配的土石料修建一道初始導(dǎo)流堤,研究了各種方案,以便在施工結(jié)束時(shí)形成一座半透水圍堰。必須指出的是,根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果,一旦導(dǎo)流洞連通,在圍堰施工之前,通過(guò)導(dǎo)流洞就可以引走貝克河枯水期 40% ～45%的流量,帕斯夸河25%～30%的流量。

石籠水力穩(wěn)定性初步試驗(yàn)表明,石籠不適于用來(lái)拋填,因?yàn)樵诘湫土髁織l件下,石籠可能向下游滾動(dòng)。用于試驗(yàn)的四立方體、四腳錐體和土石填筑材料試驗(yàn)的尺寸和特征見(jiàn)表 3。

河流導(dǎo)流和圍堰施工初期階段都在水工模型上進(jìn)行了不同河流流量和預(yù)制件與填料組合的試驗(yàn)。每組河流流量和施工方法至少重復(fù)了 3次,以反復(fù)試驗(yàn)預(yù)制件的任意拋填。

每一組試驗(yàn)都是先在河流斷面上形成一道穩(wěn)定的預(yù)制件結(jié)構(gòu)。填筑方法是在一給定點(diǎn)通過(guò)模擬的纜軌一件一件地拋投預(yù)制件,直到預(yù)制件露出河面為止。然后變換位置,反復(fù)進(jìn)行填筑,直到到達(dá)河對(duì)岸。一旦形成了預(yù)制件結(jié)構(gòu),就用帕斯夸2.2電站的一輛模擬用的20t卡車和貝克1電站的一輛模擬用24 t卡車拋投填充料,繼續(xù)進(jìn)行圍堰施工。在這兩種情況下,繼續(xù)進(jìn)行拋投填充料施工,直到在整個(gè)河流斷面上形成一個(gè)近6 m寬的頂部平臺(tái)。初步試驗(yàn)的順序是:1型試驗(yàn),四立方體試驗(yàn)(僅有參考值);2型試驗(yàn),四腳錐體和填料試驗(yàn) ;3型試驗(yàn),四立方體、四腳錐體和填料試驗(yàn)。

表4列出了每種情況和各種流量條件的結(jié)果。

在所有組次的試驗(yàn)中,最終結(jié)構(gòu)都是參差不齊的,且相當(dāng)透水。實(shí)際上,使用挑選的預(yù)制件和填料組合不可能使圍堰完全防滲。例如,只有試驗(yàn)類型3達(dá)到了可接受的約 90%～95%的導(dǎo)流流量,但需要大量填充料。不過(guò)本節(jié)介紹的試驗(yàn)對(duì)于確定下節(jié)所述的最佳圍堰施工方法具有參考價(jià)值。

初步試驗(yàn)獲得的結(jié)果有助于完善導(dǎo)流工程:

(1)貝克1電站。導(dǎo)流隧洞進(jìn)口、洞身、出口降低了2m,維持洞底坡度不變,根據(jù)地質(zhì)和巖土力學(xué)資料,對(duì)導(dǎo)流隧洞進(jìn)口和出口位置作了修改。

表2 貝克和帕斯夸電站水工模型的主要尺寸

表3 貝克和帕斯夸電站模型混凝土預(yù)制件和填筑材料的主要尺寸和重量

表4 貝克模型預(yù)制件和填料的試驗(yàn)結(jié)果

(2)帕斯夸2.2電站。對(duì)將隧洞與河流連接的進(jìn)口建筑物的定線作了修改,但維持進(jìn)口建筑物底部高程不變。

由于進(jìn)行了這些修改,在建圍堰之前,貝克河的導(dǎo)流流量百分比從 40%～45%增加到55%～59%。對(duì)于帕斯夸河,隧洞導(dǎo)流流量百分比從 30%增加到約50%。

通過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化導(dǎo)流工程的液壓裝置,河道截流時(shí)流量明顯減少,有助于修建上游圍堰。

3.2 圍堰施工采用的方案

為了成功修建圍堰,試驗(yàn)中應(yīng)用了物理模型,并分析了各種方案?；谀Ｐ驮囼?yàn)結(jié)果和 Ingendesa公司與艾森水電公司的建議,以及外部咨詢,確定了一種新的施工方法。如上所述,新方法考慮了使用預(yù)制件初步形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。盡管如此,還將級(jí)配填充料堆填在新形成結(jié)構(gòu)的上游側(cè),以達(dá)到防滲目的(圖2示出了圍堰布置的草圖)。

圖2 推薦的圍堰示意圖(貝克和帕斯夸電站模型)

用每件 30t重的四腳錐體形成一道初始戧堤,這樣在水動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面就產(chǎn)生了很好的效果。堆填在四腳錐體戧堤上游側(cè)的填料由以下兩個(gè)區(qū)組成,旨在形成級(jí)配的反濾層:

(1)粗料區(qū)(材料最小粒徑0.3 m,最大粒徑0.7m)。粗料直接填筑在四腳錐體上游(圖2)。

(2)細(xì)料區(qū)。細(xì)料填筑在粗料區(qū)上面,以達(dá)到防滲的目的(貝克河:D50=35 mm,Dmax=170mm;帕斯夸河:D50=30mm,Dmax=150mm)。

對(duì)于粗料層,按幾種水流條件,在水工模型上進(jìn)行了兩種粒徑級(jí)配的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,粗料層應(yīng)摻和可得到的尺寸最大的填料,以獲得最佳和極其穩(wěn)定的圍堰結(jié)構(gòu)。達(dá)到成功導(dǎo)流的四腳錐體和細(xì)料需要量列于表5。在所有情況下,最終圍堰都是穩(wěn)定和防滲的,通過(guò)導(dǎo)流隧洞可導(dǎo)流約 95%的河流流量。

表5 在不同流量下圍堰施工使用的預(yù)制件和材料(貝克和帕斯夸電站模型) m3/s

4 結(jié) 語(yǔ)

由于貝克河和帕斯奈河流量大、水流深,使得導(dǎo)流工程面臨巨大的挑戰(zhàn)。為了完成隧洞導(dǎo)流,在貝克河1∶70水工模型上和帕斯夸河1∶60水工模型上進(jìn)行了不同圍堰施工方法的試驗(yàn)。為了進(jìn)行圍堰施工,使用了諸如石籠、混凝土四立方體、四腳錐體預(yù)制件進(jìn)行試驗(yàn),旨在跨河流形成初步穩(wěn)定的戧堤。四腳錐體因在水動(dòng)力穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面效果極佳而被采用。推薦的圍堰施工方法是在選定的位置上通過(guò)纜軌一個(gè)接一個(gè)地拋投 30t重的四腳錐體,直到預(yù)制件露出河面,然后改變拋投位置,重復(fù)前一步的拋投方法,直到到達(dá)對(duì)岸。

待這種初步填筑結(jié)構(gòu)形成后,再將兩層級(jí)配的土填料堆填在四腳錐體戧堤上游側(cè)。第1層材料是小到中粒徑的礫石(粒徑為 300～700mm),而第2層則使用的是細(xì)料(粒徑 D50=30～40mm,Dmax=150～170mm),以達(dá)到防滲的目的。這種施工方法形成了穩(wěn)定和不透水的圍堰,為兩條河的成功導(dǎo)流創(chuàng)造了條件。