多布水电站枢纽建筑物工程布置及关键技术

多布水电站枢纽建筑物工程布置及关键技术 多布水电站枢纽建筑物工程布置及关键技术 任 苇 (中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 ) 摘 要：多布水电站建筑物基础均为巨厚覆盖层，厚度达359.3 m，枢纽工程中厂房挡水坝段高49.5 m，是目前中国深厚覆盖层上建成的最高闸坝。文章系统介绍了该工程枢纽建筑物设计原则以及工程布置、地基处理、防渗控制等关键问题的设计思路。 关键词：多布水电站;设计;水工建筑物；枢纽布置 1 工程概况 多布水电站位于西藏自治区林芝市境内，是尼洋河干流巴河口以下河段水电开发规划推荐的先期开发项目，是西藏自治区“十二五”重点项目。工程开发任务主要为发电，兼顾灌溉。水库正常蓄水位3 076.00 m，电站装机容量120 MW，年发电量5.06亿kWh，年利用小时4 217 h。工程属等中型工程。 多布水电站枢纽从右向左依次布置有土工膜防渗砂砾石坝、8孔泄洪闸、2孔生态放水孔、引水发电系统、左副坝、鱼道等建筑物。其中厂房挡水坝段高49.5 m，是目前国内巨厚覆盖层上建成的最高闸坝，坝顶高程3 079.00 m，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。 本工程右岸拦河建筑物为砂砾石复合坝，设计洪水标准取100年一遇，相应洪峰流量为3 580 m3/s。校核洪水标准取为1 000年一遇，相应洪峰流量为4 800 m3/s(预留15%洪水余量)。泄洪闸、生态放水孔、左副坝、厂房洪水标准与拦河坝洪水标准一致。消能防冲建筑物洪水标准取30年一遇，相应洪峰流量为3 250 m3/s。 2 设计关键问题及原则 河床深厚覆盖层是指堆积于河谷之中，厚度大于40 m的第四纪松散堆积物1，多布水电站建筑物基础为巨厚覆盖层厚度达359.3 m，具有砂卵石、砂层水平均匀交互分层的特点；其厂房坝段高49.5 m、与相邻的泄洪闸坝段、安装间坝段间基础面高差将近30 m。中国同类工程中，下马岭水电站重力坝最大高度为33 m，覆盖层厚37 m2；福堂水电站挡水闸高31 m，覆盖层厚65 m3；锦屏二级挡水闸高34 m，覆盖层厚约40 m4；多布水电站为最高。如何针对这种地层特点合理选择建基面，采用何种基础处理措施解决不均匀变形问题，采用何种止水材料，如何与防渗墙、土工膜之间合理可靠的连接，确保防渗体系能够适应应力应变特性，在国内均属于研究前沿。 经分析论证，设计针对基础处理、防渗结构2个方面关键问题，采取的主要设计原则为： (1) 渗流安全控制原则为“坡降控制、渗量合理”，即采取有效的防渗措施后，基础渗透坡降满足各层允许值，不会发生渗透破坏；渗漏量控制在合理范围内。 (2) 基础处理除满足承载力要求外，重视变形控制。变形控制原则采用沉降量和沉降差兼顾的双重标准，沉降量要求不大于15 cm，各坝段沉降差不大于5 cm，设计采用“前期研究、过程控制、成果分析”的反馈机制，针对不同施工工序对沉降影响进行研究及控制，每个坝段上下游设置沉降监测点,加强过程监测，确保施工全过程满足该标准。 (3) 基础处理措施原则为“上下协调、强弱结合”，采用高坝段强处理、低坝段弱处理、中间坝段过渡处理的措施。 (4) 监测设计及分析采用“合理布置、重点加强、综合比较、及时响应”的理念，按照不同建筑物要求，选择重点监测部位，如泄洪闸、厂房、挡墙上下游及机组重点部位，合理布置变形观测，针对监测成果中接近警戒值的曲线，应及时响应，研究应对措施。 3 枢纽建筑物布置及设计 3.1 总体布置 多布水电站为河床式电站，工程枢纽建筑物沿坝轴线呈直线布置，鱼道沿枢纽左岸布置，工程形象见图1。工程防渗采用悬挂式混凝土防渗墙结合右岸灌浆帷幕防渗，右岸灌浆帷幕水平向右坝肩延伸100 m，左岸防渗墙向左坝肩延伸80 m，土工膜防渗砂砾石坝坝体防渗采用复合土工膜防渗。 为深入研究不同地基处理措施、施工工序下高闸坝建筑物应力应变，分析其沉降量及沉降差等控制指标，除按照规范进行常规设计外，多布水电站进行了厂房及泄洪闸基础三维静动力有限元仿真分析；同时针对机组振动、水流脉动对厂房结构基础影响，又进行了静动力三维有限元计算研究。通过大量的研究分析，不同建筑物采取了多种地基处理措施，厂房坝段采用灌注桩+旋喷桩的长短桩设计5、泄洪闸采取振冲、旋喷桩、下游防冲墙、土工膜防渗沙砾石坝液化处理。 根据多布水电站基础砂卵石、砂层水平均匀交互分层的特点，在防渗方面进行了枢纽区三维渗流分析、防渗体系参数敏感性及缺陷影响三维研究。在此基础上，设计方案推荐采用垂直防渗墙+右岸帷幕灌浆方案，垂直防渗墙借鉴同类工程如小天都、吉牛等水电站工程经验，采用底部插入相对不透水层的悬挂式防渗墙。另外，为防止不均匀沉陷引起的防渗止水破坏，对不同建筑物等沉降差较大部位伸缩缝，如厂房与安装间、厂房与泄洪闸、泄洪闸与右侧挡墙之间竖向止水采用2道铜止水间加设沥青井6的方式，确保重要关键部位防渗安全；对59号泄洪闸，考虑其基础砂卵石回填压实对沉降的影响不易控制，借鉴面板堆石坝经验，采用鼻子高150 mm、宽30 mm的铜止水7。其次，设计中在泄洪建筑物消力池、厂房尾水渠底部设置反滤保护层，进一步防止渗透破坏产生。再次，为加强厂房、泄洪闸施工质量控制，上游止水采取预留检查槽、分区止水检查的方式，确保止水完整。 总体来看，多布水电站地质条件复杂、基础处理措施多样，诸多研究居于国内领先地位。 图1 多布水电站工程形象图 3.2 挡水建筑物设计 3.2.1 土工膜防渗砂砾石坝 右岸拦河坝采用土工膜防渗砂砾石坝，与上游围堰结合。坝顶全长295.00 m，坝顶高程3 079.00 m,坝基高程3 052.00 m，最大坝高27.00 m，上游坝坡比为12.511.75,下游坝坡11.7，坝坡后部设置25 m反压平台，反压平台尾部为棱体排水。在坝基下游范围正三角形布设桩径1 m、间距4 m4 m、桩深为15 m的振冲碎石桩，形成复合地基，与反压平台一起，有效解决地基液化问题。坝内设置有“L”形排水体与下游排水棱体相接，竖向排水体上游设反滤保护层，水平排水体底部基础表面也设有反滤保护层，以防止坝体和坝基砂砾料中细颗粒流失。围堰以下结合坝体防渗采用厚1.0 m混凝土防渗墙防渗，防渗设计深度为49.10 m。围堰以上复合砂砾石坝上游坝面采用土工膜防渗，底部嵌入防渗墙顶部。 为防止与左侧挡墙等混凝土建筑物间发生接触冲刷，参考以往工程经验，在挡墙上增设刺墙，顶宽0.5 m，上下游方向10.15，伸入土石坝内18.6 m。 3.2.2 左副坝 左副坝段布置在左岸阶地上，由于厂房基坑开挖深度较大，为降低左副坝高度，厂房左侧首先采用砂卵石回填至3 059.00 m高程，以上采用重力坝挡水，坝顶高程3 079.00 m，坝段长90.433 m，坝顶宽7.0 m，上游面上部直立，高程3 072.00 m以下为倾向上游的10.2坡；下游面上部直立，3 072.00 m以下为斜坡，坡比10.6。左副坝段共分5个坝段，基础高程由3 059.00 m逐渐抬升到3 079.00 m。 3.3 泄水建筑物设计 8孔泄洪闸采用带胸墙的底孔型式，闸顶高程3 079.00 m，最大闸高为26.5 m。孔口尺寸为7.00 m5.20 m(宽高)。闸墩设为缝墩，闸室底板末端以14缓坡与消力池底板衔接，消力池长107 m，底板顶高程为3 047.50 m，厚2.50 m，底板设?50 mm排水孔，其底部设0.5 m厚反滤层；消力池末端设混凝土防冲墙，厚1 m，深度为10 m。池内上游并排设置9个4 m高的差动坎以形成淹没水跃。消力池出口设置3 m宽导砂槽，以利于泥沙冲出消力池。 生态放水孔分2孔，互为备用。均采用带胸墙的底孔型式，闸室上下游方向长30 m，坝顶总长12.50 m，过流孔口尺寸2.5 m5.0 m(宽高)，进口底板高程3 058.00 m。生态放水孔下游消能工与泄洪闸共用1个消力池。 16号泄洪闸闸室地基为中密的中粗砂，实际桩径为1.5 m，采用等边三角形布置，间距2.5 m，面积置换率为0.16。经载荷检测，单桩承载力特征值为942 kPa，复合地基承载力特征值为380 kPa。经标准贯入试验检测，其桩间土承载力为384425 kPa，均说明振冲对地基挤密效果明显，成果满足设计要求。 78号泄洪闸及生态放水孔基础受厂房开挖影响，位于回填后砂卵石上，选用开挖料中的良好级配砂卵石回填，为改善填筑质量，同时在靠近混凝土侧设置过渡层，严格按照相对密度大于0.8、过渡料相对密度按大于0.75控制，以满足地基承载力要求。由于回填后期压缩沉降需要一定的历时，为了加快施工进度，同时考虑该段属于厂房基础强处理和16号泄洪闸基础振冲桩弱处理的过渡段，对该部位回填后基础进行旋喷桩处理，旋喷深度17 m、桩径1.0 m、间排距3.0 m，梅花状布置。 3.4 引水发电系统建筑物设计 多布水电站厂房坝段位于左岸泄水闸与左岸混凝土重力挡水副坝之间，为枢纽中最高挡水建筑物。主厂房为封闭式厂房，厂内安装4台灯泡贯流式水轮发电机组。安装间坝段位于主厂房左侧，长34 m、宽20 m，安装间平台高程为3 062.00 m。 主厂房为枢纽主要挡水建筑物，总长106.6 m，共设2个机组段，集中布置在左岸的级阶地上，两机一缝，单机组段长度35.1 m。 电站进水口通过13的反坡与引水渠3 062.00 m高程衔接。为防止河床推移质泥沙进入引水渠，在引水渠前端设置了1道高4.0 m的拦沙坎，拦沙坎与泄水闸顺接，用于拦截推移质以及粗颗粒泥沙。在2个机组段各设1个排沙孔，共2孔，以减轻对水轮机的磨损。排沙孔进口高程3 037.00 m，比机组进水口底板高程低3.5 m，进口尺寸2.5 m2 m。 厂房顺水流方向底宽为56.5 m，最大坝高49.5 m，厂房最大高度54.5 m。厂房坝段沿顺水流方向可视为3部分：进水口段、机组段、尾水管段。每台机电站进水口事故检修门后各设置2个直径0.6 m通气孔。机组安装高程为3 041.00 m，尾水管底板高程为3 036.90 m。厂房上部结构按一般工业厂房设计，厂房屋面采用空间钢网架结构形式。主机层高程3 053.00 m，主机层布置有水机管沟、电缆沟、动力盘等。 厂房坝段坐落在第7层冲积含块石砂卵砾石层(-)上，为枢纽中最高挡水建筑物，其承载力为0.530.6 MPa，需进行加固处理。设计采用混凝土灌注桩进行加强处理，桩径1.0 m、桩距4.0 m、桩深25 m，梅花形布设。处理后，基础承载力可达到0.81 MPa以上。同时对砂层地基采用旋喷桩进行处理，旋喷桩直径1.0 m，梅花形布置，间排距为2.2 m2.2 m，桩深17 m。经计算，处理后的砂层地基其复合承载力可以满足设计要求。 3.5 鱼道设计 左岸鱼道全长1 100.46 m，2个进鱼口布置在厂房尾水渠出口及下游部位，线路由厂房尾水向下游延伸，从跨鱼道桥(鱼0+316.92 m鱼0+335.13 m)底穿过进厂公路，然后沿进厂公路左侧折回上游，于桩号鱼0+823.00 m处采用在左副坝上开孔方式过坝，继续沿左岸上游边坡向上游库区延伸至1、2号出鱼口。结合转弯段布置共设置9处休息室，底坡坡度1%。设置2处观察室，用以观察统计过鱼种类及数量等。 根据鱼类特性及水流条件，设置2个进鱼口，高程分别为3 053.00 m和3 054.00 m。鱼道采用同侧竖缝式钢筋混凝土池室，控制流速为0.91.1 m/s，鱼道宽2.0 m, 竖缝宽度为0.3 m。高度按正常运行水深2.5 m加超高进行设计，池室纵坡度2%。对鱼0+811.019 m鱼0+892.424 m段进行桩基处理，设计钢筋混凝土灌注桩长8 m、桩径1.0 m、间排距4 m。其余鱼道均位于开挖形成的中粗砂地基上。 4 结 语 多布水电站已于2015年8月下闸蓄水，2016年初4台机组全部具备投产条件，目前，渗流、沉降等各项监测资料均满足设计安全要求。本文对多布水电站枢纽建筑物设计进行了较为全面系统的介绍，着重从基础处理、防渗设计2方面对枢纽建筑物设计原则、工程布置设计特点进行总结，作为中国深厚覆盖层(360 m)上建成的最高闸坝，其诸多设计研究居于国内领先地位，希望对同类工程有所借鉴。 参考文献： 1 中华人民共和国建设部.水力发电工程地质勘察规范：GB50287-2006S.北京：中国计划出版社，2006. 2 张磊.软基重力坝设计中的技术问题与方案选择J.水资源与水工程学报，2011，22(01)：159-161. 3 杨光伟,何顺宾.福堂水电站首部枢纽布置调整及优化设计J.水电站设计，2005，21(02)：14-17. 4 扈晓雯.锦屏二级水电站拦河闸坝深覆盖基础设计R.杭州：华东勘测设计研究院,2009. 5 林本海,方辉.长短桩高强复合地基在高层建筑中的应用J.岩土力学 2009, 30(Z2) ：302-305. 6 曾辉,唐培甲.岩滩大坝伸缩缝沥青井处理技术J.红水河 2003, (Z1) ：74-76. 7 包冀邢,赵小娜,周志博,白素萍.戈兰滩水电站碾压混凝土重力坝细部结构设计J.云南水力发电，2008，24(Z1) ：26-28. Engineering Layout and Key Technology of Project Structures, Duobu Hydropower Station REN Wei (Northwest Engineering Corporation Limited, Xian ,China) Abstract：The structural foundations of Duobu Hydropower