1、马堵山水电站设计优化和关键技术研究与实践党 勇1 毕树根2(中水珠江规划勘测设计有限公司,广东广州 5 1 0 6 1 0)摘 要:马堵山水电站工程建坝条件复杂,面临狭窄河床枢纽布置、多泥沙河流、区域地质构造条件复杂、消能设计、高温条件下碾压混凝土筑坝等诸多关键技术问题。设计和施工通过大量的研究与论证,运用科学先进的设计理念和方法,对建筑物体布置和体型进行设计优化,新型外加剂的应用,建立新的计算模型和验算标准,有效地解决了一系列工程技术难题,枢纽布置和建筑物满足规范要求,节省了工程投资。工程经过模型试验、施工建设和实际运行的验证,很好地实现了工程建设、提前发电和工程安全的目标。关键词:枢纽布置
2、;排沙;体型;消能;温控;抗震;运行方式1 工程概况马堵山水电站位于云南省红河州个旧市和金平县境内的红河干流上,是红河干流1 2级梯级开发方案中的第1 0级。开发任务以发电为主,为发展供水、库区航运创造条件。工程地处红河下游河段,属热带季风雨林区,气候酷热,年平均气温在2 1 以上,年平均最高气温超过2 5 有9个月,年平均最高气温超过3 0 有5个月。坝址以上集水面积为3 1 3 5 6 k m2,多年平均流量3 0 2 m3/s,校核洪水流量(P=0.0 5%)1 6 5 0 0 m3/s,多年平均悬移质含沙量4.8 9 k g/m3,多年平均年悬移质输沙量4 6 1 3万t,为多泥沙河流
3、。红河断裂带从近场区穿过,地质构造背景复杂。坝址河谷高程约1 4 0 m,河床宽度约7 0 m。坝址基岩为三叠系中统个旧组第三段中厚层弱风化白云石大理岩、薄层绢云白云石大理岩、薄中厚层弱风化含炭质白云石大理岩、千枚状大理岩,基岩岩体隐裂隙发育,力学强度差异较大。坝址基本地震烈度度。水库总库容5.5 1亿m3,正常蓄水位2 1 7 m,正常蓄水位对应库容4.8 2亿m3,死水位1 9 9 m,调节库容2.6亿m3,为不完全年调节水库,电站总装机容量2 8 8 MW(39 6 MW),多年平均发电量1 3.1 4亿k W h。枢纽工程为等大(2)型,主要建筑物级别为2级。2 工程布置和特点工程坝址
4、河床狭窄,宽约7 0 m。鉴于河道流量大、含沙量大、坝址气温高、地质条件复杂的建设条件,给枢纽挡水、泄水、冲排沙、引水建筑物的布置带来极大的挑战。枢99马堵山水电站设计优化和关键技术研究与实践作者简介:党勇(1 9 6 3),男,陕西,本科,高级工程师,从事水利水电工程建筑设计。E-m a i l:d y g d g z 1 6 3.c o m。纽建筑物由碾压混凝土重力坝、4孔1 5 m1 7 m(宽高)的溢流表孔、2孔5 m7 m(宽高)的泄洪排沙底孔及1孔5 m4 m(宽高)的冲沙孔、左岸坝式进水口、引水隧洞及地面厂房等组成。坝轴线呈折线布置,坝顶总长3 6 5.4 3 m,最大坝高1 0
5、 5.5 m1。工程具有水头高、流量大、含沙量大、坝址气温高、地质条件复杂、建筑物布置紧凑的特点。3 设计优化3.1 枢纽折线式布置马堵山水电站水库最大泄洪量1 3 6 1 1 m3/s,泄洪规模较大。坝址河床宽度约7 0 m,拦河大坝要布置挡水、泄水、冲排沙、引水发电建筑物,坝顶长度约3 0 0 m。泄水建筑物前沿长9 8 m,布置于主河床,引水发电系统布置在狭窄的河道上使得枢纽布置难度增加,进水口布置成为枢纽总体布置的关键。根据坝址区地形条件,引水发电系统拟布置在左岸。设计结合塔式进水口和坝式进水口形式进行了坝轴线直线与折线两种方案的技术经济比较,选定坝式进水口坝轴线折线布置,左岸坝轴线折
6、向上游,以适应引水隧洞正向进水并减少开挖支护工程量,进水口前沿总长7 4.5 m。枢纽坝轴线选择很好地满足了大坝泄水和电站引水的条件,坝顶交通方便。枢纽坝轴线折线布置同时有利于坝式进水口前的冲沙廊道布置和连接,更好地适应排沙要求,最优化地满足工程发电任务。枢纽平面布置见图1。图1 马堵山水电站枢纽平面布置3.2 排沙底孔和冲沙孔布置红河为多泥沙河流,马堵山水电站坝前泥沙淤积抬高库水位对上游南沙电站运行及元001第一篇 水库大坝建设与运行阳县城防护堤淹没产生敏感影响,同时泥沙对水轮机将产生严重磨损。工程的泥沙问题非常突出,枢纽需要布置排沙冲沙系统。枢纽主河床布置4个溢流表孔坝段,水库拟布置2个泄
7、洪排沙底孔和1个电站进水口冲沙孔。原枢纽布置方案2个泄洪排沙底孔及1个冲沙孔集中布置在左岸,均为有压深式泄水孔形式。经水工模型试验研究,水库泄洪排沙孔排沙时形成的漏斗纵向范围约4 5 m,横向范围约3 5 m,排沙范围小,其下泄水流对左岸山体冲刷严重,直接影响左岸上坝公路等永久建筑物的安全。因此调整优化排沙的设计思路,将左岸集中泄洪排沙调整为左右岸联合泄洪排沙,两个泄洪排沙底孔分别布置在表孔溢流坝段两边闸墩中,泄水前沿的宽度由1 0 2 m调整为9 8 m,下泄水流对称挑流消能后归顺于下游主河槽,减轻对河岸的冲刷。泄洪排沙底孔左侧布置一孔冲沙孔,主要解决进水口前泥沙出库问题,冲沙孔进口段平行于
8、进水口前沿,冲沙孔斜向布置于坝内,出口水流与坝轴线呈7 3.4 7 2 斜角挑入下游河床。为能使较小的冲沙流量形成一个覆盖3个机组进水口的冲沙漏斗,在进水口前沿布置有双向进口的冲沙廊道,廊道低于进水口底坎高程1 9 m,下接冲沙孔。在冲沙廊道左、右侧墙底部分别设置1 0对正反向小进水口,旨在增大冲沙影响范围,确保小流量冲沙时进水口前保持“门前清”。通过水工模型试验研究2验证,优化泄洪排沙底孔冲沙孔布置后,坝前的排沙范围增加,进水口前仍能保持较好的冲沙效果,结合对消能建筑物体型的研究与优化,坝下游冲刷情况得到了明显的改善,冲坑深度减小了5 8 m,回流速度较小,对岸坡影响减小。3.3 大坝设计优
9、化1)大坝建基面抬高枢纽拦河大坝为碾压混凝土重力坝,最大坝高1 0 5.5 m,建基于弱风化白云石大理岩、含炭质白云石大理岩中上部。在坝基开挖阶段,为减少开挖工程量,加快施工进度,确保一汛前坝体混凝土浇筑到度汛高程,设计进行动态跟踪,运用物探手段对开挖后的基础地质条件进行复核,在开挖基础面的不同部位选取代表点进行声波测试,声波孔深度一般在开挖面以下9 1 3 m,通过分析测试孔的声波数据变化稳定情况,来判断开挖面以下基岩特征,在大坝满足规范3、4强度和稳定应力要求基础上,进而对建基高程做出及时调整。调整后的河床坝段最低建基面高程为1 1 7.0 m,比可行性研究(相当于初步设计)阶段提高2 m
10、,减少开挖量约9万m3,混凝土节省约8万m3。建基面调整见图2。经过优化后,坝高大于7 0 m的坝段建基面基本置于弱风化中部,坝高小于7 0 m的坝段建基面置于弱风化上部。建基面高程优化调整,减少了工程量,争取了工期,实现了安全度汛目标,为实现工程提前发电起到不可替代的作用。2)大坝体型优化大坝体型主要由稳定控制,在满足稳定的条件下,设计针对大坝上、下游坡比及折坡点高程不同组合进行优化计算,调整出优化体型,上游折坡点高程1 5 0 m,下游折坡点高程2 0 8.5 m,折坡点以上均为直立面,折坡点以下上游坡比10.2,下游坡比由原方案1 0.7 5调整为1 0.7 3,节省了坝体混凝土约4 0
11、 0 0 m3,从而既节省了投资又确保了建筑101马堵山水电站设计优化和关键技术研究与实践物安全。优化前后重力坝剖面见图2。图2 优化前后重力坝剖面3.4 软岩地层大直径引水隧洞设计优化发电引水隧洞布置在左岸,一机一洞,单机额定引用流量1 6 8.6 7 m3/s,长3 3 04 0 0 m,圆形断面,洞径7.5 m,最大内水压力约1 0 5 m。隧洞沿线岩体覆盖厚度2 01 2 0 m,除洞口附近为白云石大理岩外,其余洞段为千枚岩或千枚状大理岩,属较软岩,围岩分类以类围岩为主,局部类围岩。隧洞内水压高,洞径大,岩石软弱,围岩条件差。在隧洞设计过程中,充分考虑地形地质条件及隧洞水力学等因素,尽
12、量加大洞线与岩层走向的夹角,合理确定隧洞之间岩体厚度,降低不利地质条件对隧洞布置及水力劈裂的影响;通过加强固结灌浆,提高围岩的整体性和抗变形性,充分利用围岩与衬砌的联合作用,优化一期支护与二期衬砌结构设计,减小钢衬长度,减小钢筋混凝土衬砌厚度,降低工程造价。工程运行至今,隧洞渗漏、应力、变形等观测无异常,洞室运行良好。3.5 采用水轮机圆筒阀,取消设置进水口快速闸门或蝶阀电站压力引水管长约4 9 5 m。为防止机组产生飞逸转速,一般在引水系统布置快速闸门或机组前布置蝶阀,作为快速切断水流的措施。红河为多泥沙河流,如果使用蝶阀,阀体易损坏,可靠性低。电站设计在水轮机本体设置了圆筒阀代替进水口设置
13、的快速闸门或蝶阀,作为机组防飞逸措施,圆筒阀可动水启闭,动水开启和关闭时间6 0 9 0 s,与常规机组进水口快速闸门或蝶阀相比,圆筒阀位于座环固定导叶与活动导叶之间,在多泥沙水流过机时,能更快速有效地使机组安全地退出飞逸,减少机组的飞逸持续时间,有效降低机组发生飞逸的危害。利用圆筒阀的关闭作用,可减少或避免导水机构漏水造成的电能损失,减轻或避免水轮机导水机构停机期间活动导叶的间隙空蚀和磨损。在停机时间较长时,采取了行之有效的“停机关阀”措施,大大降低了含泥沙水流对过流部件的磨损破坏,水轮机大修周期明显延长,相应提高了水轮机的利用率。201第一篇 水库大坝建设与运行4 关键技术研究与实践4.1
14、 泄洪建筑物消能研究和设计优化1)溢流表孔消能研究和设计优化枢纽布置4孔1 5 m 1 7 m(宽高)溢流表孔,2孔5 m 7 m(宽高)的泄洪排沙底孔及1孔5 m 4 m(宽高)的冲沙孔,溢流表孔采用宽尾墩+挑流的消能方式,排沙孔和冲沙孔均采用挑流消能方式,泄洪情况坝下存在冲坑较深,两岸防护难度较大的问题。为减小冲坑深度,降低混凝土防淘墙的造价,结合水工模型试验研究2对枢纽的溢流表孔消能方式进行设计优化。由于溢流表孔单宽流量达到1 6 1.9 7 m3/s,研究和优化主要针对溢流坝宽尾墩的形式和挑坎位置。经设计拟定多方案5和模型试验研究2,单纯依靠调整宽尾墩,只是对水流的横向分布和纵向分布进
15、行了调整,挑射水流入水仍然比较集中,出坎射流能量都比较大,消能效果没有明显改善。在对各方案进行认真梳理研究后,设计思路逐渐清晰,采用工程措施时需要从两个方面入手:一个是尽量增加水流分散程度;二个是尽量增加射流入水前的能量消耗。为此,溢流坝宽尾墩由Y形优化为T形,收缩比为0.4,收缩角为2 0.5 6,孔口缩窄后出口宽度6 m,墩尾厚1 3 m;挑流鼻坎沿反弧切线方向向下游顺延5 m,反弧半径为2 5 m,挑角仍保持2 0,抬高尾坎高程为1 6 7.0 2 2 m,略高于下游校核洪水位1 6 6.8 8 m。溢流表孔布置见图3。设计优化后,部分过坝水流从宽尾墩上部挑出,与挑坎上挑起的水舌相互碰撞
16、,在空中充分消能,避免了全部越过挑坎直接跌落在下游河床上。模型试验表明,冲坑形态基本稳定,坝下冲坑远离坝脚,岸边回流速度较小,冲坑底高程位于大坝建基面之上。2)泄洪排沙底孔挑流消能两个泄洪排沙底孔由左岸集中布置调整为布置在溢流表孔坝段的左右边闸墩中,经研究和设计优化,出口采用向河床单侧曲线收缩的体型,使得泄洪排沙对称水流在空中对撞,得以充分消能。图3 溢流表孔布置对泄洪排沙冲沙消能建筑物的研究和设计优化,有效地减小了下游冲坑深度和防护的范围与高度。经工程原型泄洪验证,坝下雾化影响区明显减小,有利于水雾的扩散,降雨301马堵山水电站设计优化和关键技术研究与实践强度减弱,确保了电站厂房、边坡及设备正常运行,以及枢纽建筑物和下游河床与岸坡的安全。4.2 高温干燥气候条件下碾压混凝土坝温控设计关键技术及温控防裂措施1)温控技术研究枢纽坝址气候炎热,高温时段长达9个月,大坝施工面临高温干燥条件下筑坝的技术难题。在施工中,工程提出“基于水泥水化放热过程优化技术的通水冷却方法”和“外掺氧化镁碾压混凝土筑坝技术”温控防裂新思路。研究了水泥水化放热过程优化机理及优化技术6,研制了两种复合新型混凝土外加剂
