大崗山水電站樞紐布置

文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A

文章編號: 0559-9342(2015)07-0030-04

收稿日期: 2015-04-18

作者簡介:黃彥昆(1963—)，男，四川成都人，教授級高工，大崗山項目經(jīng)理，院副總工，主要從事水工專業(yè)科研、管理工作．

General Layout Design of Dagangshan Hydropower Station

HUANG Yankun，SHAO Jingdong，LI Manlin

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited，Chengdu 610072，Sichuan，China)

Abstract: The design of hydraulic structure layout of Dadangshan Hydropower Station is difficult because of complex topographical and geological conditions and high earthquake intensity of dam area．The project layout is consisted of double curvature arch dam，dam flood discharging outlets，right-bank flood discharging tunnel，plunge pool and subsidiary dam for energy dissipation and left-bank water diversion-generating system．This layout program can fully utilize the terrain of upstream and downstream river bends to straighten the arrangement of left-bank water diversion-generating system and right-bank flood discharging tunnel，and save project investment．

Key Words: high earthquake intensity; hydraulic structure layout; topography and geology; Dagangshan Hydropower Station

大崗山水電站位于四川省大渡河中游雅安市石棉縣挖角鄉(xiāng)境內(nèi)，是大渡河干流規(guī)劃22個梯級的第14個梯級電站。工程的主要任務(wù)是發(fā)電，兼顧防洪。電站總裝機(jī)容量2 600 MW，平均年發(fā)電量114. 30億kW·h。水庫正常蓄水位1 130. 00 m，死水位1 120. 00 m，正常蓄水位以下庫容約7. 42 億m 3，調(diào)節(jié)庫容1. 17億m 3，具有日調(diào)節(jié)能力。大崗山水電站勘測設(shè)計工作早在20世紀(jì)70～80年代就已經(jīng)開展，1983年勘測設(shè)計工作因地震問題而被迫停止;通過長達(dá)20年的大量調(diào)查研究論證工作，2003年大崗山設(shè)計重新啟動，隨即對其樞紐布置進(jìn)行深入研究。

1　水文及地質(zhì)條件

1. 1　區(qū)域地質(zhì)

工程區(qū)位于川滇南北向構(gòu)造帶北段，為南北向安寧河斷裂、北西向鮮水河斷裂和北東向龍門山斷裂交匯部位，處在由磨西斷裂、大渡河斷裂和金坪斷裂所圍限的黃草山斷塊的西側(cè)邊緣，壩址距磨西斷裂和大渡河斷裂分別為4. 5、4 km，地震地質(zhì)背景復(fù)雜，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定條件差。經(jīng)地震地質(zhì)、地震活動性以及潛在危險性分析，工程區(qū)未來面臨的地震危險性主要來自于鮮水河地震帶和安寧河地震帶對它的影響。

1. 2　水文條件

壩址區(qū)多年平均氣溫16. 9℃，多年平均年降水量801. 3 mm，多年平均相對濕度69%;多年平均流量1 010 m 3/s;多年平均懸移質(zhì)年輸沙量2 430萬t，多年平均含沙量0. 773 kg/m 3，汛期(6月～9月)多年平均懸移質(zhì)輸沙量1 930萬t，汛期平均含沙量0. 973 kg/m 3。

1. 3　工程地質(zhì)條件

壩址河谷狹窄，兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露 ［1-3］，自然坡度一般40°～65°，相對高差一般在600. 00 m以上，左岸海流溝、右岸銅槽溝為較大的支溝，海流溝口以上大渡河河谷呈“V”形，向下游河谷相對寬緩。壩址區(qū)河谷呈“Ω”形嵌入河曲形態(tài)，河流流向由和平溝上游的近EW向，轉(zhuǎn)為SW26°～47°通過壩址，在銅槽溝口大渡河以一約135°的大轉(zhuǎn)彎向東流，海流溝口以下急轉(zhuǎn)向南流。正常蓄水位(1 130. 00 m)時谷寬380. 00～470. 00 m。壩基處覆蓋層最大厚度14. 0 m。

壩區(qū)基巖以澄江期灰白色、微紅色黑云二長花崗巖(γ 24-1)類為主，中粒結(jié)構(gòu)。此外，尚有輝綠巖巖脈(β)、花崗細(xì)晶巖巖脈(γι)、閃長巖巖脈(δ)等穿插發(fā)育于花崗巖中，尤以輝綠巖巖脈分布較多，輝綠巖巖脈走向以近SN、NNE、NNW向為主，大多數(shù)為陡傾角，多較破碎，與圍巖接觸關(guān)系主要有焊接式、裂隙式和斷層式3種類型。壩址區(qū)斷層主要有三組，近SN、NNW和NNE向，多沿輝綠巖巖脈發(fā)育(約占68%)，斷層破碎帶寬多在0. 10～1. 00 m之間，由片狀巖、碎粉巖、角礫巖等組成。

壩址區(qū)節(jié)理裂隙主要發(fā)育有六組，三組陡傾、一組緩傾、一組中傾主要發(fā)育于右岸;巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，且具有隨高程降低而逐漸減弱的規(guī)律。1 200. 00～1 80. 00 m高程風(fēng)化深度一般為60～90 m; 1 080. 00～97. 00 m高程風(fēng)化深度一般為40～90 m; 970. 00 m高程以下巖體風(fēng)化鉛直深度為3～13 m。

2　影響樞紐布置關(guān)鍵技術(shù)問題及其處理

2. 1　特征水位選擇

在特征水位的選擇上，從電站能量指標(biāo)和電站經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，高正常蓄水位指標(biāo)較好;而從建壩條件考慮，由于壩區(qū)地震烈度較高，地質(zhì)條件較差，且隨正常蓄水位的增加，拱壩承受的總水推力、壩體主拉壓應(yīng)力、壩體工程量均呈增大趨勢，壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸減小，拱壩抗震設(shè)計難度在國內(nèi)外均較突出，正常蓄水位不宜太高;梯級銜接、水庫淹沒及環(huán)境影響等其他因素，不制約正常蓄水位的選擇。綜合分析后確定正常蓄水位為1 130. 00 m。由于電站庫容較小，水庫消落深度增加后增加的調(diào)節(jié)庫容從而增加的下游梯級效益，難以彌補(bǔ)由于消落深度增加而降低電站平均水頭所損失的電量，因此，消落深度小是有利的。從四川電力系統(tǒng)需要及電站運(yùn)行靈活性的需要出發(fā)，推薦消落深度為10 m，死水位確定為1 120. 00 m。

2. 2　壩型選擇

大崗山水電站壩址距磨西斷裂和大渡河斷裂較近，地震地質(zhì)背景復(fù)雜，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定條件差，地震設(shè)防烈度為國內(nèi)最高，且壩高超過200 m，壩型的選擇關(guān)系到整個工程的成敗。

根據(jù)對混凝土雙曲拱壩以及面板堆石壩抗震性能的綜合分析，從大壩抗震性、抗震設(shè)計技術(shù)成熟性和筑壩經(jīng)驗方面來看，混凝土拱壩壩型優(yōu)于面板堆石壩;從樞紐建筑物布置靈活性來看，混凝土拱壩方案較優(yōu);從建設(shè)征地及移民安置的難度和補(bǔ)償投資、環(huán)境影響等方面看，混凝土拱壩方案略優(yōu);從施工組織方面分析，兩者各有優(yōu)缺點，兩種壩型均無明顯的優(yōu)勢。綜合比較，最終確定采用混凝土雙曲拱壩壩型。

2. 3　泥沙

考慮河流懸移質(zhì)含量大，汛期輸沙量大。為了減少泥沙淤積，降低泥沙對發(fā)電效益的影響，將電站進(jìn)水口緊靠壩肩設(shè)置，在壩身設(shè)置的4個深孔，在汛期進(jìn)行排沙。

3　樞紐布置研究

3. 1　工程等級及設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

(1)主要建筑物級別。擋水、泄水、引水及發(fā)電等永久性主要建筑物為1級建筑物，永久性次要建筑物為3級建筑物。

(2)擋水、泄水建筑物按1 000年一遇洪水設(shè)計，5 000年一遇洪水校核;電站廠房按200年一遇洪水設(shè)計，1 000年一遇洪水校核;泄水建筑物消能防沖按100年一遇洪水設(shè)計。

(3)擋水建筑物抗震設(shè)防類別為甲類。擋水建筑物抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以100年為基準(zhǔn)期，超越概率為0. 02確定設(shè)計地震加速度代表值的概率水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震水平加速度為557. 5 cm/s 2;非壅水建筑物以50年為基準(zhǔn)期，超越概率為0. 05確定設(shè)計地震加速度代表值的概率水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震水平加速度為336. 4 cm/s 2。

3. 2　樞紐布置方案選擇

3. 2. 1　壩軸線選擇

拱壩壩線位置的選擇是一個全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較問題，根據(jù)壩址區(qū)工程地質(zhì)條件，確定壩軸線選擇原則如下:①盡量使拱壩布置在河谷相對狹窄部位，且有利于其他建筑物的布置;②壩肩抗力體避開左岸Ⅳ、Ⅳ 2勘探線附近的兩條沖溝;盡量使大壩遠(yuǎn)離抗力體中巖脈發(fā)育部位;③壩肩抗力體盡量避開F 1、f 5、f 7、f 17等斷層出露部位。

根據(jù)上述原則，在上壩址擬定上、中、下三條壩軸線進(jìn)行比選，以Ⅺ勘探線上游30 m為上壩線，以Ⅺ勘探線上游50 m為中壩線，以Ⅳ勘探線下游50 m為下壩線。經(jīng)過壩體應(yīng)力、壩肩抗滑穩(wěn)定、樞紐布置、工程量等綜合比較，上壩線和中壩線拱壩無論從壩肩抗滑穩(wěn)定、拱壩平面布置，還是拱壩局部地質(zhì)條件等方面，均優(yōu)于下壩線拱壩;上壩線地質(zhì)風(fēng)化深度比中壩線淺，壩體混凝土量和壩基開挖量最小，并且結(jié)合其他建筑物的布置條件看，上壩線略優(yōu)于中壩線。最終確定壩軸線為上壩線，相應(yīng)的拱壩中心線走向為N26°16'37″W。

3. 2. 2　泄洪消能建筑物布置選擇

考慮到大崗山水電站河谷狹窄，岸坡陡峻，洪水流量大，水頭高，泄洪功率大，約為15 400 MW，泄洪消能建筑物采用“分散泄洪、分區(qū)消能”的布置原則。利用壩身4個深孔兼顧泄洪、放空和排沙，保證進(jìn)水口前門前清。壩后采用挑流式消能。

泄洪洞布置在右岸，利用“Ω”形河灣裁彎取直，使進(jìn)出口水流順暢，水流條件簡單，出口水流歸槽好;同時，泄洪洞布置遠(yuǎn)離大壩和廠房尾水建筑物，消除泄洪霧化對拱壩抗力體和廠房尾水的影響，且施工干擾小。泄洪洞設(shè)置成開敞式進(jìn)口泄洪洞，保證泄洪具有一定的超泄能力。

3. 2. 3　引水發(fā)電建筑物布置選擇

壩址位于中高山峽谷地區(qū)，河谷狹窄，沿河平緩階地很少，不具備布置地面廠房的條件，因此采用地下廠房。

左岸具有較好的河彎地形條件，引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸可以裁彎取直，既有利于水流順暢，同時還可縮短建筑物布置線路長度，從而節(jié)約工程投資;此外，左岸地質(zhì)條件比右岸好，對布置引水發(fā)電系統(tǒng)較為有利。因此，引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸。

通過對首部、中部、尾部3種廠房形式的綜合比較得出:①中部廠房形式因需設(shè)上、下游調(diào)壓室，工程量大，運(yùn)行管理復(fù)雜;②尾部廠房布置方案引水隧洞較長，引水隧洞如出現(xiàn)滲透穩(wěn)定問題將影響壩肩抗力體穩(wěn)定;同時，需設(shè)置上游調(diào)壓室，引水、尾水系統(tǒng)工程量較大;此外，廠房設(shè)在尾部靠近河邊，且靠近海流溝擠壓破碎帶，該部位地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖脈、斷層發(fā)育，地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性較差。③首部式地下廠房地質(zhì)條件明確、洞室圍巖穩(wěn)定條件較好，建筑物布置相對集中。因此，大崗山水電站采用首部式地下廠房。

4　樞紐布置

樞紐由擋水、泄水及消能防沖、引水發(fā)電等永久建筑物組成。擋水建筑物采用混凝土拋物線雙曲拱壩，壩頂高程1 135. 00 m，建基面高程925. 00 m，最大壩高210. 00 m。泄洪隧洞布置在右岸庫區(qū)“Ω”地形上彎段處，進(jìn)口為“開敞式”岸塔結(jié)構(gòu)。引水發(fā)電建筑物布置在左岸，主要由由電站進(jìn)水口、壓力管道、主副廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水洞、尾閘室和尾水出口等組成。

4. 1　擋水建筑物

擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高210 m ［4～6］，壩頂高程1 135. 00 m，底部建基面高程925. 00 m，壩頂厚10. 00 m，壩底厚52. 00 m，最大中心角93. 54°，壩頂中心線弧長635. 467 m，厚高比0. 248，弧高比3. 026。大拱壩共設(shè)置28條橫縫，分為29個壩段，橫縫形式為“一刀切”的鉛直平面，不設(shè)縱縫。

4. 2　泄洪消能建筑物

泄洪消能建筑物由壩身4個深孔、右岸一條泄洪洞、壩后水墊塘及二道壩等組成。

壩身4個泄洪深孔尺寸均為6. 00 m×6. 60 m，進(jìn)口底板高程分別為1 052. 00、1 049. 00 m，出口底高程分別為1 043. 19、1 046. 21 m。

水墊塘中心線與溢流中心線重合，斷面形式為復(fù)式梯形斷面，水墊塘底寬45. 00 m，頂寬91. 00 m，底高程930. 00 m，頂高程971. 00 m。

二道壩為重力壩形式，最大壩高36. 00 m，壩頂高程961. 00 m，壩頂寬8. 26 m，最大壩底寬度38. 35 m。共分為6個壩段，與上、下游坡面交界處采用圓弧銜接。

泄洪隧洞布置在右岸庫區(qū)“Ω”地形上彎段處，進(jìn)口為“開敞式”岸塔結(jié)構(gòu)。進(jìn)口采用WES實用堰，堰頂高程1 110. 00 m。洞身全長1 077. 50 m，采用一坡到底的無壓隧洞段縱坡i = 0. 103 9，斷面形式為圓拱直墻型?？紤]到泄洪洞具有流速高(最大流速達(dá)42 m/s)、單寬流量大、洞線較長的特點，為了減免空蝕破壞，設(shè)置了6道摻氣設(shè)施，每級間距約150. 00 m。出口采用挑流鼻坎消能。

4. 3　引水發(fā)電系統(tǒng)

引水發(fā)電建筑物布置于左岸，由電站進(jìn)水口、壓力管道、主廠房、主變室、出線豎井、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾閘室及其出口組成。采用“單機(jī)單管”供水及“兩機(jī)一室(調(diào)壓室)一洞(尾水洞)”的布置格局。

岸塔式進(jìn)水口布置于左岸壩肩上游，4臺機(jī)組進(jìn)水塔呈“一“字形布置，其前緣近平行河道水流方向。進(jìn)水塔順?biāo)鏖L度28. 50 m，依次設(shè)有攔污柵段和閘室段。檢修閘門尺寸8. 00 m×10. 75 m(凈寬×凈高)，工作閘門尺寸8. 00 m×10. 00 m(凈寬×凈高)。

壓力管道采用單機(jī)單管供水，4條壓力管道平行布置。其上平段軸線與進(jìn)水口前緣線垂直，下平段軸線與廠房上游邊墻夾角為75. 3°。壓力管道采用斜井布置方案。壓力管道布置受進(jìn)水口及廠房縱軸線控制，進(jìn)水口前緣方位N29. 74°E，廠房縱軸線方位N55°E，上下平段在平面上夾角169. 44°，高差151 m。壓力管道分為上平段、上彎段、斜井段、下彎段、下平段等，管道總長346. 30～304. 11 m，內(nèi)徑10. 00 m，機(jī)組單機(jī)設(shè)計引用流量447. 6 m 3/s。

尾水系統(tǒng)采用“兩機(jī)一室一洞”的布置方式，即2條尾水連接管在調(diào)壓室底部交匯為一條尾水洞。尾水連接管過水?dāng)嗝娉叽?1. 60 m×16. 20 m(寬×高)，尾水洞過水?dāng)嗝娉叽?5. 20 m×16. 20 m(寬×高)。

兩條尾水洞獨立平行布置，在平面上設(shè)有一個轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎前洞軸線方向N35°W，洞軸線間距68. 00 m;轉(zhuǎn)彎后洞軸線方向N13. 407°W，洞軸線間距60. 00 m。1、2號尾水洞長度分別為723. 26、698. 85 m，主洞的縱坡分別為－1. 98%、－2. 05%。

尾水洞后設(shè)置尾閘室，閘門井后接盲腸段，尾水洞及盲腸段斷面為城門洞型，凈斷面尺寸為15. 20 m×16. 70 m(寬×高)。

5　結(jié)語

大崗山水電站地質(zhì)條件復(fù)雜，地震烈度高。根

滲流量無明顯增大現(xiàn)象，說明大崗山雙曲拱壩經(jīng)受住了一期蓄水的考驗，工程質(zhì)量處于受控狀態(tài)。

(1)溫控指標(biāo)檢測情況:出機(jī)口溫度共抽檢5 616次，檢測合格率為94. 9%;入倉溫度共檢測33 954次，檢測合格率為92. 5%;澆筑溫度共檢測34 369次，檢測合格率為94. 4%;大壩共澆筑混凝土1 547倉，最高溫度合格率92. 4%;降溫速率合格率達(dá)96. 4%以上。各檢測結(jié)果合格率均滿足設(shè)計要求，并達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，大壩未發(fā)現(xiàn)因溫控原因產(chǎn)生的危害性裂縫。

(2)大壩混凝土各項強(qiáng)度指標(biāo)滿足設(shè)計要求，拌和物質(zhì)量達(dá)到優(yōu)秀水平。

(3)大崗山雙曲拱壩體形月平均合格率為92. 4%，最高達(dá)94. 3%，始終保持在優(yōu)良水平。

4　結(jié)語

大崗山水電站雙曲拱壩施工強(qiáng)度高，交叉干擾大，溫控、體形等各項設(shè)計指標(biāo)高，經(jīng)過各參建單位的共同努力，在豐富質(zhì)量管理活動，提高質(zhì)量意識的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的開展了“一倉一總結(jié)”等質(zhì)量據(jù)大崗山水電站地形地質(zhì)條件，樞紐布置采取混凝土雙曲拱壩擋水，壩身深孔、右岸泄洪洞泄洪及水墊塘、二道壩消能防沖，以及左岸引水發(fā)電系統(tǒng)。樞紐布置很好地利用了上、下游的兩個河灣地形，使左岸引水發(fā)電系統(tǒng)和右岸泄洪建筑物都能裁彎取直布置，在保證水流順暢的同時，節(jié)約了工程投資。

總體說來，大崗山水電站樞紐布置協(xié)調(diào)緊湊、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。