西藏高海拔深切峽谷地區(qū)水電設計關鍵技術問題研究

侯 靖，吳 忠，劉 寧，趙國斌，李新宇，方 杰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122)

0 引 言

西藏自治區(qū)位于青藏高原西南部，北鄰新疆，東連四川，東北緊靠青海，東南連接云南，南與緬甸、印度、不丹、錫金、尼泊爾等國毗鄰，西與克什米爾地區(qū)接壤。西藏平均海拔在4 000 m以上，素有“世界屋脊”之稱，全區(qū)為喜馬拉雅山脈、昆侖山脈和唐古拉山脈所環(huán)抱，地形地貌復雜多樣。西藏的氣候具有獨特特性，總體上西北嚴寒、東南溫暖濕潤，氣候呈現(xiàn)日照時間長，輻射強烈；氣溫較低，溫差大；干濕分明，多夜雨；冬春干燥，多大風；氣壓低，氧氣含量少等特點。

西藏地域遼闊，河湖眾多，土地遼闊，能源資源受其獨特的氣候和地形、地質(zhì)條件影響，主要有水能、太陽能、地熱、風能和傳統(tǒng)能源(林木和畜糞等)。其中，水能資源特別豐富，水力資源理論蘊藏量約占全國的29%，技術可開發(fā)容量約占全國的24.5%，主要集中在藏東南的雅魯藏布江中下游、怒江上游、瀾滄江上游和金沙江上游等干流上，可開發(fā)水電站主要以大中型為主，適宜于集中開發(fā)和集中外送，是我國乃至世界少有的水電能源富集區(qū)，在保障國家未來能源安全中占有十分重要的戰(zhàn)略地位。

針對如何在保護環(huán)境的前提下，有序開發(fā)豐富水電資源，促進西藏經(jīng)濟社會發(fā)展，提高百姓生活質(zhì)量的問題，中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司投入了極大的努力，結合自身豐富的工程經(jīng)驗，對西藏地區(qū)的獨特水文、地質(zhì)及電站水工結構、水輪發(fā)電機組、筑壩材料等，開展了一系列的研究工作，積累了大量研究成果，以下就部分內(nèi)容做簡要介紹。

1 西藏高海拔深切高山峽谷地區(qū)水文氣象特性研究

1.1 河段水文設施和資料情況

西藏對自治區(qū)范圍內(nèi)大江大河水情測報工作非常重視，水文站、雨量站、氣象站建設工作均比較全面到位，大江大河上的水文站基本為國家級站點。其中，雅魯藏布江中上游、怒江上游、瀾滄江上游和金沙江上游等干流上均布設有國家級水文站點，每年在汛期和非汛期測報洪水、徑流流量和懸移質(zhì)泥沙資料，為水文基礎建設工作提供了大量詳實資料。

西藏地域遼闊，盡管水文工作每年投入大量的人力物力，但在部分區(qū)域，由于早先交通不便，通訊不暢，仍然有一些水文站點未布設到，對預測徑流和洪水存在較大的影響。

1.2 對未建水文設施河段的思考

針對西藏的基礎交通設施，隨著國家對地方道路的大力投入，使周邊地區(qū)居民的對外出行得到了改善，地方內(nèi)外物質(zhì)的運輸流動也得到了極大提升。對于交通道路延伸至水力資源豐富河段，如何及時改善和補充當?shù)氐乃闇y報系統(tǒng)，完善流域上下游水文測站的站點布設，也變得較為迫切，有必要提前進行謀劃。

1.3 對一些未建水文設施河段的水文布設

西藏目前大江大河上的水情系統(tǒng)布置比較多，也存在前期交通、通訊比較困難地段未進行布設的情況，在咨詢有關部門和實際分析后，本研究課題對未布設段進行了完善，目前測報工作均比較正常，并在今年的雅魯藏布江下游河段兩次堵江突發(fā)事件中，及時準確地向地方各級政府進行了水位流量觀測和報告，避免了大的次生災害出現(xiàn)，并積累了寶貴資料。

1.4 對新建水文測站河段的研究成果

在充分利用已有周邊已經(jīng)設置的水文站、水位站、雨量站、氣象站的成果基礎上，對新站進行新測數(shù)據(jù)資料整理，數(shù)據(jù)插補、延長，并作相關性分析，分別取得了徑流、洪水研究成果。

2 西藏高海拔地區(qū)復雜地質(zhì)環(huán)境與工程建設難題

2.1 西藏高海拔地區(qū)復雜地質(zhì)環(huán)境特征

西藏是青藏高原的主體部分，總面積120多萬km2，平均海拔4 000 m以上，是世界上最年輕的、海拔最高的高原，特別是中新世以來強烈的地殼抬升和新構造運動，造就了高原上自北向南排列的有昆侖山脈、喀喇昆侖—唐古拉山脈、岡底斯—念青唐古拉山脈及喜馬拉雅山脈，構成了西藏高原的格局，尤其是雅魯藏布江下游地區(qū)，是我國重要的戰(zhàn)略資源和水電基地，也是國家“西電東送”重要的接續(xù)能源基地，但也是青藏高原上侵蝕最強烈的地區(qū)，山峰陡峭，峽谷深切，多呈“Ⅴ”形，兩側(cè)岸坡坡頂高程2 400～4 400 m，河谷中最低高程只有500～1 100 m。

從區(qū)域構造來看，雅魯藏布江構造帶是至今仍高度活躍的印度板塊和歐亞板塊之間的陸-陸俯沖碰撞縫合帶，目前印度板塊以2～5 cm/a的速率俯沖至歐亞板塊的拉薩地體之下。由此可見，區(qū)域內(nèi)斷裂構造發(fā)育，構造活躍，地震烈度高，對水電工程的建設產(chǎn)生了極大的影響。

2.2 西藏高海拔地區(qū)地下工程建設主要難題

2.2.1高地應力

西藏地區(qū)區(qū)域構造活動強烈，板塊擠壓導致巖體結構強烈變化、巖性強烈變質(zhì)，導致該區(qū)域存在復雜的構造分布特征、復雜的地應力場以及復雜多變的巖性分布，由此導致的復雜地質(zhì)條件下地下工程建設便成了一個亟待深入研究的課題。在諸多影響深埋地下洞室圍巖的穩(wěn)定性的因素中，高地應力誘發(fā)的應力型破壞、強烈?guī)r爆以及軟巖大變形等對工程的影響最為突出。

西藏地區(qū)位于喜馬拉雅東構造結，處于印度大陸和歐亞大陸碰撞前緣部位，是喜馬拉雅造山帶變形最為強烈的地區(qū)之一。碰撞導致的強烈擠壓將南部印度大陸向北楔入歐亞大陸，使雅魯藏布江縫合帶在該地區(qū)強烈錯位和急劇轉(zhuǎn)折形成拇指構造結(喜馬拉雅東構造結)。構造結東、西邊界分別由右行走滑的阿尼橋斷裂和左行走滑為主的東久-米林斷裂限定；北邊界則是被一系列北東走向走滑斷裂切割，其中嘉黎斷裂為較大型的韌性斷層帶，阿尼橋右行走滑斷層走向約為N30°E。同時，在喜馬拉雅東構造結處，新構造活動強烈，新構造運動主要具有大面積整體、間歇性抬升和塊體的水平滑動以及斷裂、斷塊活動的繼承性、新生性和差異性等特征。晚第三紀末至第四紀，青藏高原總體處于快速隆升階段，使第一期夷平面發(fā)生解體及變形，喜馬拉雅山脈崛起，高原內(nèi)部產(chǎn)生北東向、北西向走滑系統(tǒng)及南北向裂陷帶。根據(jù)以上構造運動條件，可初步判斷工程區(qū)的近代構造應力為NNE，地應力格局為逆斷性地應力格局，即兩個水平方向的主應力均大于垂直主應力，約為垂直主應力的1.3～1.8倍。

采用基于Hoek-Brown強度準則建立的能夠準確反映圍巖力學特征隨圍壓變化的BDP模型，對不同埋深條件下的圍巖損傷深度進行計算，以III類圍巖為例，單軸抗壓強度UCS=90 MPa，地質(zhì)強度指標GSI=55，巖體完整性系數(shù)mi=28。埋深為1 500 m時，距離洞壁4.5 m深度處圍巖經(jīng)歷了應力增高—峰值強度—低應力水平的過程，該深度部位圍巖屈服程度相對較強，在距離洞壁5.0 m深度部位，圍巖尚未達到峰值強度，由此判斷出損傷深度約為4.9 m；埋深2 000 m時，距離洞壁5.5 m深度處圍巖屈服程度相對較強，在距離洞壁6.0 m深度部位，圍巖尚未達到峰值強度，由此判斷損傷深度約為5.7 m。

2.2.2活動斷裂

水電工程中經(jīng)常遇到斷裂構造問題，現(xiàn)行規(guī)范都基于避讓原則加以規(guī)定，但西藏地區(qū)構造活躍，主要分布兩大活動斷裂帶，即雅魯藏布江斷裂帶和嘉黎斷裂帶，兩大斷裂帶均為深大的區(qū)域性大斷裂，由一系列的斷層組成。根據(jù)區(qū)域資料，兩大斷裂帶全新世以來仍在活動，地震活躍。另有北西向、近南北向、東西向、北東向的次級斷層呈放射狀的分布在雅魯藏布江斷裂帶兩側(cè)、南迦巴瓦峰周圍。區(qū)域上認為是有大拐彎內(nèi)的南迦巴瓦峰隆升造成的斷裂，這些斷裂規(guī)模較小，延伸幾公里或十幾公里，斷裂帶寬度一般為十幾米到幾十米不等，但與雅魯藏布江斷裂帶相交處均切斷了雅魯藏布江斷裂，并有一定的走滑性質(zhì)，初步判斷，目前這些斷裂仍具有活動性。

活動斷層的錯動是一個復雜的過程，因此對穿越斷層的數(shù)值分析難度較大，通過對活動斷層的運動過程以及斷層處的巖體分布等條件進行簡化處理，采用有限差分程序，分別對常規(guī)設計和鉸接設計兩種情況進行分析。在常規(guī)設計情況下，錯動量達到5 mm時，在斷層處的襯砌腰部出現(xiàn)明顯的剪切破壞，隨著錯動量的增大，破壞程度越來越嚴重，斷層腰部以剪切破壞為主，頂部拉壞和底部壓壞次之；從塑性區(qū)分布分析，當錯動量達到4 cm時，斷層活動對上盤處的襯砌影響范圍將達到7 m。在鉸接設計情況下，錯動量達到5 mm時，在斷層處的襯砌，僅腰部出現(xiàn)明顯的剪切破壞；隨著錯動量的增大，襯砌的塑性區(qū)范圍并未越來越大，斷層處襯砌結構仍然以腰部的剪切破壞為主，頂部略有拉壞，底部無破壞。兩種情況相比，鉸接設計情況較優(yōu)，在4 cm 錯動量內(nèi)，都以斷層處襯砌腰部的剪切破壞為主，且影響范圍在2 m內(nèi)。

2.2.3地下水

水文地質(zhì)條件對工程建設的影響，尤其是對深埋長隧洞的勘測、設計與工程運行都會產(chǎn)生極其嚴重的影響。雅魯藏布江地區(qū)地處青藏高原上侵蝕最強烈的地區(qū)，地下水分布形式多樣、補給來源豐富、徑流及排泄條件復雜，加之工程區(qū)域內(nèi)落差大、地面條件復雜，進行詳細的水文地質(zhì)測繪是非常困難的。因此，需要綜合研究各種有關資料，以多波段、多層次、多時相，多重信息的遙感水文地質(zhì)解譯為基礎，解譯與野外調(diào)查緊密結合；盡可能多地將溪、泉流量實測資料與水文站的水文氣象觀測資料相結合；水文地質(zhì)巖組和構造分析與井孔水文地質(zhì)試驗分析相結合；大量的水化學分析與有重點的環(huán)境同位素試驗相結合，充分發(fā)揮多重信息綜合研究的優(yōu)勢，詳細研究工程水文地質(zhì)問題。

3 西藏高海拔深切高山峽谷地區(qū)高水頭、超大容量機組研究

大江大河高海拔深切高山峽谷地區(qū)的水電開發(fā)，存在電站運行水頭高，裝機容量巨大。受區(qū)域地質(zhì)構造活動性強的影響，大規(guī)模地下洞室群規(guī)模越大，施工難度越大，如何提高機組單機容量，縮小地下洞室群規(guī)模，成為需要考慮的關鍵問題，適時開展高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量水輪發(fā)電機組關鍵技術的研究工作，設法提高單機容量以減輕對樞紐布置的制約具有重大而迫切的實際意義。

3.1 超大容量水輪機、發(fā)電機需要考慮的問題探討

結合對西藏大型河流深切高山峽谷地區(qū)的水電開發(fā)認識，將高水頭、大容量機組研究目標集中在600 m和900 m兩種水頭段，重點研究確定該兩種水頭段機組的機型和最大單機容量。

水輪發(fā)電機組的設計制造，是一個綜合水力設計、電磁參數(shù)、結構性能、材料性能、冷卻方式等各方面技術的復雜工程。隨著轉(zhuǎn)速和容量的增大，對水輪機水力設計和動應力控制，水輪發(fā)電機的電磁設計、結構形式、通風冷卻方式，以及機架、軸系的剛強度和穩(wěn)定性，高強度材料的應用等方面都提出了更高要求。解決上述難題將極大地推進在諸如CFD技術、流固耦合、材料研發(fā)、轉(zhuǎn)輪動應力分析和試驗、真水頭模型試驗研究等方面的發(fā)展提高，推進高轉(zhuǎn)速大容量發(fā)電機電磁設計、通風冷卻方式、機組機械部件設計、高強度等級材料焊接和加工工藝等方面技術的提升，促進高水頭水輪發(fā)電機組技術的研發(fā)和制造水平，推進水輪發(fā)電機組研發(fā)和新材料技術的巨大進步。

3.2 超大容量水輪機、發(fā)電機初步研究成果

600 m水頭段，擬以混流式機型為代表方案；900 m水頭段，擬以沖擊式機型為代表方案(亦不排除未來選擇混流式機型為代表性方案的可能性)。

600 m水頭段混流式機組單機容量，考慮技術進步，選擇800～1 000 MPa等級轉(zhuǎn)輪材料、800 MPa等級蝸殼鋼板(150 mm厚)、550 MPa等級座環(huán)(350 mm厚)鋼板、800～900 MPa等級發(fā)電機磁鋼材料以及合適的發(fā)電機冷卻方式(42 MVA)等技術方案，600 m水頭段的單機容量可選擇1 000～1 200 MW。

900 m水頭段沖擊式機組單機容量，考慮技術進步，選擇6.6 m轉(zhuǎn)輪鍛件，800 MPa等級配水環(huán)管(100 mm厚)、800～900 MPa等級發(fā)電機磁鋼材料以及合適的發(fā)電機冷卻方式(28 MVA)等技術方案，900 m水頭段的單機容量可選擇600～800 MW。

4 西藏高海拔碾壓混凝土筑壩技術研究

西藏地區(qū)高海拔、大溫差、低氣壓的氣候條件下建成壩高超過100 m級的碾壓混凝土工程目前還沒有(果多水電站壩高為93 m)。考慮高海拔、大溫差、強日照、氣候干燥等影響碾壓混凝土材料性能、層間結合、上游防滲效果的不利因素條件，有必要研究合適的碾壓混凝土配合比，提高層面結合質(zhì)量、上游防滲效果和溫控防裂等方面的措施，為碾壓混凝土壩在高海拔地區(qū)推廣應用奠定基礎。

4.1 確保高海拔碾壓混凝土筑壩質(zhì)量問題的探討

依托西藏某水電站碾壓混凝土工程(壩高超過100 m級的)，系統(tǒng)地開展了“高寒地區(qū)耐久混凝土關鍵技術調(diào)研”、 “西藏某水電站常態(tài)混凝土和碾壓混凝土性能研究”、 “西藏地區(qū)凝灰?guī)r摻合料混凝土特性及應用關鍵技術研究”、“高寒地區(qū)水利工程混凝土表面保溫和通水冷卻研究” 等，取得了較為豐碩的成果。

通過西藏高寒地區(qū)部分已建和在建水利水電工程的混凝土性能及其施工技術調(diào)研，以及國內(nèi)外嚴寒地區(qū)已建的水利水電工程的混凝土性能及其施工技術調(diào)研，結果表明：

(1)凍融破壞是西藏高寒地區(qū)混凝土的主要破壞形式。為保證西藏高寒地區(qū)凍融環(huán)境作用下的混凝土耐久性，可采用摻用優(yōu)質(zhì)引氣劑、控制混凝土水膠比、控制混凝土最低膠凝材料用量或最低強度等措施。

(2)西藏高寒地區(qū)建造耐久混凝土還存在溫控防裂難度較大、原材料供應保障困難、施工效率相對較低等問題。建議適當提高混凝土抗凍等級，如表面混凝土抗凍等級≥F200，并控制水膠比不大于0.50；加強夏季高溫季節(jié)大體積混凝土溫控防裂和冬季低溫季節(jié)混凝土保護，并設法提高混凝土施工質(zhì)量。

(3)西藏高寒地區(qū)氣壓低、濕度低，碾壓混凝土表面水分損失快，不僅會影響新拌混凝土的施工性能，而且對硬化混凝土體積穩(wěn)定性不利，容易導致混凝土開裂。為了保證碾壓混凝土施工質(zhì)量，建議大壩RCC的VC值取1～3 s。

(4)為了提高混凝土抗凍性，建議優(yōu)選原材料，如采用中熱硅酸鹽水泥、優(yōu)質(zhì)引氣劑，控制混凝土機口含氣量為5%～6%等。

4.2 高海拔碾壓混凝土摻合料選擇的探討

西藏地區(qū)缺乏粉煤灰、礦渣等優(yōu)質(zhì)摻合料資源，選用工程常用的粉煤灰、礦渣等混凝土摻合料需借助青藏鐵路長距離運輸，既增加工程造價，又受地域、氣候及運輸條件的影響而得不到有效保障，進而可能影響工程建設，因此摻合料的方案選擇和穩(wěn)定供應將成為制約工程建設的關鍵環(huán)節(jié)之一。

依托西藏某水電站系統(tǒng)開展外摻凝灰?guī)r粉的應用關鍵技術研究，得到了如下主要成果和創(chuàng)新：

(1)系統(tǒng)研究了不同細度凝灰?guī)r粉的等效粒徑、顆粒分布、活性等主要特征參數(shù)；建立了凝灰?guī)r粉等效粒徑與粉磨時間之間的相關關系，研究結果表明凝灰?guī)r粉的等效粒徑與粉磨時間的雙對數(shù)具有較好的線性相關關系。

(2)掌握了凝灰?guī)r粉摻量對混凝土性能的影響規(guī)律，揭示了摻加凝灰?guī)r粉的混凝土早期強度增長較快、但后期增長幅度有限的特征，提出了用于混凝土摻合料的凝灰?guī)r粉技術要求及其混凝土配制技術。

(3)全面研究了單摻和復摻凝灰?guī)r粉復合膠凝體系的水化硬化特性，掌握了單摻和復摻凝灰?guī)r粉的復合膠凝體系水化產(chǎn)物的微觀特征及其隨齡期的變化規(guī)律，揭示了凝灰?guī)r粉在復合膠凝體系水化過程中的作用。

4.3 高海拔碾壓混凝土摻合料的技術指標要求

用于混凝土的外摻凝灰?guī)r粉性能除滿足DL/T5273—2012《水工混凝土摻用天然火山灰質(zhì)材料技術規(guī)范》的要求外，通過試驗論證，建議還需滿足如下要求：含水量≤1.0%；細度(45 μm方孔篩篩余)≤20%；比表面積≥600 m2/kg；需水量比≤110%；活性指數(shù)≥60%。

通過上述研究，基本掌握了西藏高寒地區(qū)混凝土破壞的主要原因，論證了凝灰?guī)r粉作為混凝土摻合料的可行性，提出了在提高西藏高寒地區(qū)混凝土抗凍性的主要技術措施和混凝土溫控防裂的系統(tǒng)設計方法，可為西藏高寒地區(qū)建造耐久混凝土提供良好的技術支撐。

5 結 語

通過對西藏高海拔深切高山峽谷地區(qū)一些關鍵技術問題的提前研究，有利于對工程建設條件認識的加深，為工程和政策決策提供幫助。西藏的建設環(huán)境存在地域范圍寬廣，氣候復雜多變，地質(zhì)構造強烈，同時還受環(huán)保、送出、消納等因素影響，需要投入大量的前期科研力量深入研究，為早日開發(fā)建設提供依據(jù)。