厄瓜多爾CCS水電站的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)綜述

謝遵黨, 楊順群

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司， 河南 鄭州 450003)

1 研究背景

厄瓜多爾科卡科多辛克雷(Coca Codo Sinclair，簡稱CCS)水電站位于亞馬遜河二級支流科卡河上，為徑流引水式，裝有8臺(tái)沖擊式水輪機(jī)組,總裝機(jī)容量1 500 MW，總投資約23×108美元，是該國最大的水電站。CCS水電站設(shè)計(jì)年均發(fā)電量約87×108kWh，滿足了全國三分之一人口的電力需求，結(jié)束了該國進(jìn)口電力的歷史[1-2]。

科卡河流域地形以山地為主，分布著眾多火山，工程區(qū)附近有雷文塔多(Reventador)活火山，火山口距科卡河約7 km。流域內(nèi)分布有高山氣候、熱帶草原氣候及熱帶雨林氣候帶，年均降雨量由上游地區(qū)1 331 mm向下游逐漸遞增到6 270 mm。1923-2007年6級以上的大地震共發(fā)生了9次?？瓶ê觾砂逗凸藕拥莱练e了較厚的松散火山沉積物，在強(qiáng)降雨作用下易受侵蝕,河流輸沙量很大?？瓶ê铀控S沛，工程區(qū)河道總體坡降較陡，從首部樞紐到廠房直線距離不到30 km，落差達(dá)650 m，水能資源豐富，開發(fā)價(jià)值很高。

圖1是CCS水電站工程布置示意圖。為開發(fā)科卡河水能資源，修建CCS電站必須克服復(fù)雜自然條件的制約，建設(shè)特大規(guī)模沉砂池、超深覆蓋層上的大型混凝土建筑物、火山灰中的大洞室、24.8km長的深埋隧洞、設(shè)計(jì)最大靜水頭618m的壓力管道、縱橫交錯(cuò)的大跨度地下廠房洞室群、高水頭大容量沖擊式水輪機(jī)組，設(shè)計(jì)中遇到的諸多問題都沒有成熟的理論和經(jīng)驗(yàn)可以被直接采用，需要通過開拓性的設(shè)計(jì)研究解決。

圖1 CCS水電站工程布置示意圖

現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求重力壩、溢洪道等混凝土建筑物基礎(chǔ)要設(shè)在質(zhì)量較好的基巖上。特殊的地質(zhì)地形條件決定近40 m高、泄流能力高達(dá)15 000m3/s的CCS水電站泄洪和沖沙混凝土壩、大型沉沙池必須建在最深超過200 m的覆蓋層上。綜合采用混凝土灌注樁、振沖碎石樁、截滲墻等措施，成功解決了地震液化、基礎(chǔ)沉降和滲漏等問題，開辟了混凝土壩軟基處理新途徑。

南美洲水電站泥沙對水輪機(jī)磨損的問題比較突出[3]。CCS水電站在首部樞紐設(shè)沉沙池并利用調(diào)蓄水庫進(jìn)一步沉沙，引水流量達(dá)222 m3/s。這樣規(guī)模的沉沙工程國內(nèi)外均沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。通過物理模型和數(shù)值模型的反復(fù)試驗(yàn)研究分析，最終達(dá)到了沉沙率高、沖沙耗水量小、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠的設(shè)計(jì)目標(biāo)[4-7]。

隨著常規(guī)鉆爆開挖技術(shù)的發(fā)展和隧洞掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的日益成熟，長距離、大埋深隧洞在交通、水利等行業(yè)的應(yīng)用越來越普遍。大埋深長隧洞經(jīng)常遇到高地應(yīng)力、巖爆、高外水、突涌水、突泥和涌砂、高地溫、圍巖大變形等極為復(fù)雜的工程地質(zhì)問題，需要針對每個(gè)工程的實(shí)際情況研究分析才能做出合理的設(shè)計(jì)[8-10]。CCS水電站輸水隧洞長24.8 km，開挖洞徑9.11 m，最大埋深超過800 m，其規(guī)模在世界上名列前茅[11]。限于地形條件，施工通道要在火山沉積物中穿過，使設(shè)計(jì)更為困難。設(shè)計(jì)中采用先進(jìn)的理念，通過優(yōu)化布置、采用通用薄管片等措施，全洞包括施工支洞沒有任何二次襯砌，在保證工程安全的前提下簡化了施工，提高了掘進(jìn)速度。

超過500 m水頭的水電站壓力管道的工程實(shí)踐較少，在抽水蓄能電站采用較多，其設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法尚處于研究發(fā)展階段[12-14]。CCS水電站引水發(fā)電系統(tǒng)壓力管道要承受最大618 m的靜水頭，同時(shí)存在外水壓力大、地應(yīng)力偏低等地質(zhì)問題，設(shè)計(jì)中綜合采用鋼筋混凝土襯砌、鋼板襯砌和圍巖灌漿處理等手段，成功解決了工程安全和防滲漏問題。

水電站大型地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定和變形問題非常突出，一般需要結(jié)合工程具體地質(zhì)條件專門研究，采用鋼筋混凝土襯砌、掛網(wǎng)噴混凝土和預(yù)應(yīng)力錨索等綜合措施處理[15-17]。CCS水電站是世界上規(guī)模最大的沖擊式機(jī)組水電站，其地下廠房要容納8臺(tái)沖擊式機(jī)組、24臺(tái)變壓器及其附屬設(shè)備，需要解決洞室多、洞室群縱橫交錯(cuò)布置、主洞室跨度大、洞室間巖壁薄等引起的問題。經(jīng)分析論證，大洞室主要采用錨桿掛網(wǎng)噴混凝土柔性支護(hù)，避免了大范圍預(yù)應(yīng)力錨索影響施工工期的問題。

2 工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問題處理

首部樞紐壩址控制流域面積約3 600 km2，多年平均降雨量3 600 mm，多年平均徑流量91.8×108m3。受強(qiáng)降雨和火山活動(dòng)影響，壩址處泥沙量較大，水庫多年平均輸沙量1211.6×104t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.01 kg/m3。

根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析，工程區(qū)最大可信地震為6.9級，最大可信地震峰值加速度0.4 g。按照國際抗震標(biāo)準(zhǔn)，重要建筑物設(shè)計(jì)地震加速度為0.3 g，一般建筑物采用0.15 g。

2.1 首部樞紐特大沉沙池設(shè)計(jì)與深覆蓋層處理

首部樞紐水庫總庫容2 818×104m3，無調(diào)節(jié)庫容，主要建筑物有溢流壩、沖沙閘、引水閘、沉沙池、混凝土面板堆石壩等[18]。首部樞紐布置如圖2。溢流壩布置在左側(cè)埡口處，壩頂長度271.75 m，最大壩高39 m，設(shè)8孔20 m寬開敞式溢洪道，最大泄量15 000 m3/s。3孔沖沙閘位于溢流壩右側(cè)，總沖沙流量977 m3/s。引水閘與溢流壩軸線成70°交角，16孔閘門對應(yīng)下游8條沉砂池道。沉沙工作段長度150 m，單條沉沙池過流量27.8 m3/s，總設(shè)計(jì)流量222 m3/s。混凝土面板堆石壩布置于右岸河床，壩頂長度156 m，最大壩高32 m。面板堆石壩及泄洪排沙壩均采用深30 m 厚0.8 m懸掛式塑性混凝土截滲墻防滲。

圖2 首部樞紐總布置圖

溢流壩和排沙閘建基于古河床砂卵礫石和砂層上，下伏最深超過200 m的火山灰沉積層。為解決抗滑穩(wěn)定和基礎(chǔ)承載力問題，放緩了上游壩坡至3∶ 2。左岸擋水壩段下局部可液化砂層采用振沖碎石樁處理。沖沙閘壩段處于由巖石向覆蓋層過渡段，為防止過量不均勻沉降，采用素混凝土灌注樁形成復(fù)合地基，調(diào)整基礎(chǔ)變形性能。為保護(hù)下游粉細(xì)沙質(zhì)河道，溢流壩下游設(shè)長度64.4 m、深度4～6 m的消力池。消力池下游為總長120 m鋼筋混凝土和拋石海漫，末端接深7.8 m、底寬6 m、頂寬30 m的拋石防沖槽。

沉沙池需要將粒徑大于0.25 mm的泥沙去除，每年沉沙約700×104t。沉沙池工作段斷面上部為13 m寬、8.63 m深的矩形。為使泥沙向底部滑動(dòng)，下部為深3.32 m、側(cè)坡為1∶ 1.5的等腰梯形，底部矩形槽中鋪設(shè)排沙管。排沙管采用挪威專利SEDCON排沙系統(tǒng)，其核心部件是底部開串槽的圓管，利用在沙水交界面槽口內(nèi)外水壓差形成較高流速水流排沙。每池設(shè)5根獨(dú)立的30 m長的排沙管順次布置，分別引到排水廊道，出口均設(shè)有閥門，可根據(jù)泥沙積聚情況控制分段排沙，最大排沙需水量小于總流量的6%。

沉沙池基礎(chǔ)兩端位于花崗巖石基巖上，中部是最深80 m的沖洪積層。為減少不均勻沉降，避免砂層液化對結(jié)構(gòu)的影響，布置了間距7.5 m、直徑1.5 m和1.8 m的混凝土灌注樁，樁體嵌入花崗巖層1.5～1.8 m。為避免樁體沙層液化時(shí)承受過大水平地震力，樁頂和沉沙池結(jié)構(gòu)之間設(shè)置0.5 m厚的砂卵石隔離層柔性連接，樁頂樁徑分別擴(kuò)為3.5和3.8 m以分散隔離層荷載。

2.2 深埋長輸水隧洞與火山灰中施工支洞設(shè)計(jì)

輸水隧洞布置于科卡河右岸高山中，總長度24.8 km，為底坡0.173%的明流洞，設(shè)計(jì)輸水流量222 m3/s，成洞直徑8.20 m。

隧洞主要由兩臺(tái)雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)開挖。圖3是輸水隧洞平面布置圖。1號掘進(jìn)機(jī)從中部設(shè)置的2A施工支洞向上游掘進(jìn)9 588 m至進(jìn)口下游的1號施工支洞出洞；2號掘進(jìn)機(jī)從出口向上游掘進(jìn)13 772 m至2B施工支洞，在洞中拆機(jī)；其余洞段鉆爆開挖。2A施工支洞距進(jìn)口約11 km，長度為1 645 m。2B施工支洞進(jìn)口位于2A施工支洞下游，長度為1 370 m，改建為永久通風(fēng)和檢修通道。1號、2號掘進(jìn)機(jī)分別遇斷層破碎帶和強(qiáng)地下水，各停機(jī)處理一次。 處理方案均為從已完成管片襯砌處開挖旁洞到工作面前，為掘進(jìn)機(jī)開辟通道，處理時(shí)間分別花費(fèi)了約6個(gè)月[19-20]。

掘進(jìn)機(jī)開挖段采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，全長沒有設(shè)二次襯砌或其它加固措施。管片為6+1通用型薄、長管片，厚度為0.3 m，長度1.8 m[21]。根據(jù)承受的荷載不同，設(shè)計(jì)了A、B、C、D共4種管片。施工中為簡化操作，實(shí)際只采用了兩種。在I、II、III類圍巖地段用B型管片，當(dāng)圍巖為IV、V類時(shí)，采用D型重型管片襯砌。隧洞平均埋深在400 m，最大埋深800 m，地下水位較高。管片設(shè)計(jì)只考慮了3倍洞徑的外水壓力，在出現(xiàn)地下水的地段，設(shè)排水孔消減地下水壓力。合理的設(shè)計(jì)為快速施工提供了基礎(chǔ)，掘進(jìn)機(jī)最高月進(jìn)尺1 080 m，扣除大斷層處理和大量涌水停機(jī)的影響，平均月進(jìn)尺達(dá)800 m。

2A支洞斷面尺寸為6.89 m×10.36 m，進(jìn)洞410 m段位于火山灰地層，采用鉆爆施工，采用密植鋼拱架加掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)。鋼拱架為20號槽鋼，間距40 cm。鋼筋網(wǎng)為雙層，噴混凝土厚度40 cm。投入運(yùn)用多年監(jiān)測數(shù)據(jù)無異常。

2.3 調(diào)蓄水庫布置

為減小輸水隧洞規(guī)模、方便機(jī)組運(yùn)行，在格蘭那迪亞斯河峽谷距地下廠房約1 km處設(shè)調(diào)蓄水庫。該河流域面積約10.3 km2，多年平均流量1.41 m3/s。調(diào)蓄水庫正常蓄水位1 229.5 m，死水位1 216 m，調(diào)蓄庫容88×104m3，滿足每天4 h，1 500 MW峰荷、15 h,1 125 MW腰荷和5 h，937.5 MW基荷發(fā)電的調(diào)節(jié)需要。

如圖4所示，調(diào)蓄水庫庫尾建有混凝土攔沙壩。主河道上建有面板堆石壩，壩頂長度141 m，最大壩高70 m，上游壩坡1∶ 1.4，下游壩坡1∶ 1.8。溢洪道用于機(jī)組緊急甩負(fù)荷時(shí)輸水隧洞關(guān)閘前持續(xù)20 min來水222 m3/s、同時(shí)遭遇河流兩年一遇洪水流量24 m3/s時(shí)泄洪，最大泄量246.00 m3/s。堆石壩上游右岸設(shè)有放空洞。調(diào)蓄水庫每年有19×104m3泥沙沉積，采用挖泥船清淤，保持調(diào)節(jié)庫容。

2.4 高水頭壓力管道設(shè)計(jì)

兩條壓力管道進(jìn)口位于調(diào)蓄水庫右岸，進(jìn)口底板高程1 204.50 m，設(shè)有攔污柵、檢修門和事故門。壓力管道單洞設(shè)計(jì)流量139.2 m3/s，設(shè)計(jì)最大靜水壓力、水擊壓力分別為6.18、 6.83 MPa。洞軸線總長度為1 783 m，其中，上平洞長707 m，豎井高539 m，下平洞長538 m(含壓力鋼管長度為360 m)[22-23]。

混凝土襯砌內(nèi)徑5.8 m，厚度為0.6 m。上平段水頭較低，采用限裂設(shè)計(jì)；豎井及下平段承受水頭較高，采用透水襯砌?；炷烈r砌設(shè)計(jì)可承受與最大內(nèi)水靜壓力相等的外水壓力。上平段固結(jié)灌漿壓力0.3～0.5 MPa，豎井及下平段為2.5～7.0 MPa。

每條壓力管道鋼襯由主管、三級非對稱的卜形內(nèi)加強(qiáng)月牙肋形岔管、4條支管等組成，鋼板襯砌段主管內(nèi)徑5.2 m，岔管內(nèi)徑3.2 m,支管段內(nèi)徑2.6 m。鋼材為日本產(chǎn)SUMITEN610Z，屈服極限Re≥470 MPa。鋼管獨(dú)立承擔(dān)內(nèi)、外水壓力。主支管外設(shè)有間距750～1 400 mm的加勁環(huán)[24]。

2.5 大跨度地下廠房復(fù)雜洞室群設(shè)計(jì)

如圖5所示，地下廠房洞室群包括主廠房、母線洞、主變洞、排水洞、尾水洞、進(jìn)場交通洞、電纜洞等。

水輪機(jī)為立軸6噴嘴水斗式水輪機(jī)，與發(fā)電機(jī)軸直接相連，由穩(wěn)水柵、尾水井、配水環(huán)管、機(jī)殼、噴管總成(含噴嘴口環(huán)、噴嘴、噴管、噴針、偏流器、噴針接力器及偏流器接力器等)、轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)軸承、補(bǔ)氣裝置等組成。水輪機(jī)額定水頭604.1 m，額定流量34.7 m3/s，額定效率91.89%，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，水斗數(shù)目22個(gè)，水斗節(jié)圓直徑3 349 mm，射流直徑260 mm，額定出力188.266 MW，最大出力192.85 MW。

圖3 輸水隧洞平面布置及管片拼裝

圖4 調(diào)蓄水庫布置圖

主廠房開挖尺寸為212.0 m×26.0 m×46.8 m(長×寬×高)，安裝8臺(tái)單機(jī)容量為187.5 MW的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備，機(jī)組安裝高程611.10 m，機(jī)組間距18.5 m，機(jī)組段總長度為192 m。安裝間長度30 m，布置在廠房中間位置。圖6是主廠房和主變洞剖面圖。

發(fā)電機(jī)-變壓器組接線采用單元接線。發(fā)電機(jī)出口離相封閉母線勵(lì)磁變壓器后至發(fā)電機(jī)斷路器之間配置專用的電制動(dòng)開關(guān)設(shè)備。共設(shè)置24臺(tái)500 kV單相主變壓器和1臺(tái)備用主變壓器，變壓器采用單相雙卷無勵(lì)磁調(diào)壓升壓變壓器。主變壓器正上方布置有500 kV SF6 全封閉GIS設(shè)備。

圖5 地下廠房洞室布置圖

圖6 主廠房及主變洞剖面圖

進(jìn)場交通洞采用城門洞型，典型斷面開挖尺寸為7.7 m×7.5 m(寬×高)，洞長487.9 m。8條母線洞位于廠房與主變洞之間，洞長24.0 m。除了機(jī)壓母線，母線洞還布置有斷路器、勵(lì)磁變壓器、電制動(dòng)短路開關(guān)柜等設(shè)備。

主變洞位于主廠房下游測，與廠房平行布置，開挖尺寸為192.0 m×19.0 m×33.8 m(長×寬×高)，底層裝有由25臺(tái)單相變壓器，其中一臺(tái)備用。500 kV GIS設(shè)備布置在主變室上層。電站采用500 kV一級電壓接入電力系統(tǒng)， 2回500kV出線從GIS室經(jīng)電纜洞連到地面出線場，接至圣拉菲500 kV變電站。

水輪機(jī)下泄水流經(jīng)8條尾水支洞匯入1條尾水主洞，經(jīng)尾水渠排入下游河道。尾水支洞斷面型式采用矩形，寬、高均為5.7 m，長約62 m。尾水主洞采用馬蹄形斷面，斷面尺寸 11.4 m×12.7 m(寬×高)，長約493 m，縱坡i=0.0014，腰線下采用鋼筋混凝土襯砌，頂拱采用噴錨支護(hù)。

地下廠房洞室跨度大、距離近、縱橫交錯(cuò)，洞室開挖空間干擾大，因而應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定問題突出。采用了整體掛網(wǎng)噴混凝土加錨桿支護(hù)、局部型鋼噴混凝土加錨桿支護(hù)的支護(hù)方案。另外，針對地下廠房洞室的不穩(wěn)定塊體，專門進(jìn)行了支護(hù)處理[25]。

水輪機(jī)配水環(huán)管最大靜水頭 620.75 m，最大水擊壓力為750 m水頭。配水環(huán)管與外圍混凝土間留有間隙，接觸前配水環(huán)管先行承擔(dān)0.85 倍最大凈水頭，剩余水頭由配水環(huán)管和外圍混凝土聯(lián)合承擔(dān)。

尾水渠邊坡高度超過50 m，處于碎石土、砂卵石地層，地下水位高，地震荷載大，而且受重要道路約束不能放緩坡度，采用了 500 kN、1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合坡面掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)，局部設(shè)置了截面2.2 m×3 m、間距6 m、長度L=14.5～22 m不等的抗滑樁，并在樁上增設(shè)1 000 kN錨索形成樁錨結(jié)構(gòu)，增加穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

(1)上部矩形斷面過流、下部梯形斷面儲(chǔ)沙、底部分段輔設(shè)SEDCON排沙系統(tǒng)的沉沙池，可以適應(yīng)大流量、高含沙量引水的沉沙要求。根據(jù)泥沙積聚情況分時(shí)分段控制排沙，運(yùn)用靈活可靠，耗水量小。

(2)泄洪排沙壩、沉沙池等較高大混凝土建筑物，采用合理的設(shè)計(jì)，修建在深覆蓋層上是安全可行的。針對性采用截滲墻、振沖碎石樁、素混凝土樁、鋼筋混凝土樁等處理措施，滲漏、沉降、地震液化等可以達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)通用型薄管片用于TBM掘進(jìn)施工，管片類型少，操作簡便，簡化了施工，提高了掘進(jìn)速度。采用高標(biāo)號混凝土，并運(yùn)用透水襯砌排泄外壓的設(shè)計(jì)理念，管片襯砌能夠適應(yīng)不良的地質(zhì)條件，避免采用現(xiàn)澆混凝土二次襯砌等加固措施。

(4)透水襯砌的設(shè)計(jì)理念用于600 m水頭級的高壓管道，輔以合理范圍的鋼板襯砌和圍巖灌漿措施，能夠在低地應(yīng)力、高外水壓力等不利條件下達(dá)到防滲、工程安全等各項(xiàng)目標(biāo)。

(5)大跨度復(fù)雜地下廠房洞室群，采用先進(jìn)手段進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，科學(xué)安排施工順序，可以主要通過錨桿掛網(wǎng)噴混凝土柔性支護(hù)保證圍巖穩(wěn)定和控制變形，避免大范圍使用預(yù)應(yīng)力錨索影響工期。