拉西瓦水电站反拱坝水垫塘消能效果分析

拉西瓦水电站反拱坝水垫塘消能效果分析

1水垫塘至河道消能防冲建筑物拉西瓦水库指挥楼由混凝土双拱水库、水库旁通道建筑物、水库后消能防冲建筑物和右岸地下旁通道发电系统组成。大坝及泄洪建筑物按1000年一遇洪水设计、5000年一遇洪水校核,设计泄流量4250m3/s,校核泄流量6310m3/s,总泄洪功率12984MW。泄洪建筑物位于坝身,由3个表孔、2个深孔、1个永久底孔和1个临时底孔组成。表孔堰顶高程2442.50m,孔口尺寸13.0m×9.5m;深孔进口底坎高程2371.80m,出口尺寸5.5m×6.0m;永久和临时底孔进口底坎高程2320.00m,出口尺寸4.0m×6.0m。各孔出流以不同挑角分散射入水垫塘。消能防冲建筑物设于坝后,由反拱水垫塘、二道坝、护坦及护岸等组成,其中水垫塘和二道坝为消能防冲Ⅰ级建筑物,按1000年一遇洪水设计、2000年一遇洪水校核,相应流量分别为4180m3/s和6280m3/s,与大坝的设计和校核泄洪流量基本相同。自大坝下游面算起,消能防冲建筑物总长403.2m。在水垫塘范围内,前300m河道顺直,方位约NE75°~85°,后接转弯段,方位约NE55°~70°,河道坡降0.9%~1%;平水期水面宽45~55m,水流湍急,主河道偏左岸。该段河谷狭窄,岸坡陡峻,两岸地形基本对称,两岸在2400m高程以下平均坡度为60°~65°,以上平均坡度为40°~45°,谷底至坡顶高差约700m,属典型的“V”形河谷。水垫塘两岸边坡岩体整体稳定,但表部松动、卸荷情况严重,2400m高程以下卸荷深度一般为10~15m,以上为20~30m。两岸卸荷拉裂现象严重,局部地段属强卸荷带,原始卸荷拉裂缝宽达30~40cm,并在施工期不断松动张宽。坡面多危石、浮石、活石、空腔及倒悬体,施工中常有掉块及塌方情况发生。河床部位水力侵蚀剧烈,基岩风化微弱;微风化岩体埋藏较浅,顶板高程纵向与河谷地形走势基本吻合,一般在2215m高程以上,横向呈下凹弧形。河床内出露断层约10条,最大破碎带宽0.3~0.7m,中陡倾角及缓倾角裂隙发育。水垫塘至二道坝地处高地应力场区,钻孔中见有岩饼,出现在2222.5m高程,在水垫塘底板和二道坝基础开挖高程以上。河床及两岸坡脚应力集中现象明显,最大主应力达33MPa以上,最大剪应力7.33MPa,开挖中表层岩体卸荷松动,但抬动不明显。2第一个多孔防冲建筑物的配置2.1最大净长及最大净长2005年8月坝后水垫塘工程招标设计时,原水垫塘直接起自坝址,起点桩号约为坝下0+020.20,终点桩号0+240.00,最大净长约219.80m。水垫塘中心线方位NE84.1956°,并相对泄洪中心线偏右2m,反拱底宽(弦长)72.0m,中心角73.74°,反拱混凝土底板厚3.0m和4.0m,反拱顶面最低高程2215.00m,拱座长3.36~4.12m,开挖高程2224.60~2223.80m,反拱段和拱座段开挖总宽约84.00m。2.2地下通道布置(1)水垫塘内排水廊道及排水盲沟。水垫塘反拱底板下设7.5条横向廊道,其中排水廊道7条,集水廊道0.5条,排水廊道底板下设排水孔。水垫塘反拱底板下设左、中、右3条纵向排水廊道,并与二道坝内的排水廊道相通。其中左、右纵向排水廊道布置在底板两端,内设2排排水孔,并与拱坝内的排水廊道相连;中央纵向排水廊道下设1排排水孔。3条纵向排水廊道的最低点设在水垫塘中部附近,水垫塘及二道坝的渗水经该处的集水廊道汇入抽水泵房下的集水井,由水泵抽排至二道坝下。水垫塘纵、横缝的基础面部位均设塑料排水盲沟。(2)二道坝坝内排水廊道。二道坝内设2条纵向廊道,底板设排水孔,用以排除二道坝坝后渗水,渗水反向流入水垫塘内的中央纵向排水廊道后汇入抽水泵房下的集水井。由此在水垫塘和二道坝周边形成了以水垫塘最上游的横向排水廊道为上线,二道坝坝内排水廊道为下线,水垫塘内左、右排水廊道为边线及排水孔幕组成的封闭排水网络。该排水网络与拱坝内的排水廊道相通,形成大坝—水垫塘—二道坝统一的封闭排水系统。2.3抽水泵房设计原抽水泵房布置在距二道坝坝头约50m的右岸山体内,泵房轴线与二道坝轴线近于垂直,内设3台水泵,以高约60m的泵管竖井与集水井相连。集水井与位于水垫塘中部的集水廊道相连,使水垫塘和二道坝内的渗水汇入集水井内。抽水泵房内设3条廊道:(1)泵房交通廊道,将泵房与右岸低线过坝交通洞相连,满足交通和通风需要;(2)岸坡斜廊道,将抽水泵房与二道坝坝内的下游交通兼排水廊道相连;(3)出水管廊道,将水泵抽出的渗水引排至二道坝下。2.4高地应力引起底板破坏水垫塘位于高地应力区,为适应地应力的分布,减少开挖基岩面的卸荷松动,反拱基岩面的开挖最好平顺无突变。但基岩表面存在的10.5条纵、横向交叉的廊道凹槽不仅加大了开挖难度,更严重的是在反拱基岩面出现众多的凹槽突变带,形成大量的应力集中区,加剧了表层基岩的卸荷松动。且由于水垫塘内基岩缓倾角及中陡倾角裂隙发育,反拱开挖体形难以保证,对底板受力不利。另外,底板下众多廊道的设置,不利于泄洪时底板的稳定。泄洪时的冲击动水压力或脉动上举力是导致底板破坏的主要原因。众多廊道槽的存在,加剧了高地应力引起的基岩卸荷变形,减少了底板与基岩的结合面积,特别是位于动水压力最大作用区的纵、横廊道十字交叉和丁字交叉处,廊道密集、距离近、成形差,由于廊道空腔效应和无盖重固结灌浆的效果受限,底板在高水头动水冲击作用下,很可能被掀起和破坏。而一旦廊道顶部有底板被掀起,脉冲水流会急剧涌入廊道,众多的板下廊道就成了传送动水冲击压力的“导爆索”,引起廊道顶板的大规模破坏,增加了底板的破坏几率。涌水如果灌入拱坝内的排水廊道及左、右岸低线交通洞,后果严重。3消能防冲建筑物的排水和引水系统的优化配置3.1坝下消能防冲建筑物设计确定由于目前国内对反拱水垫塘的设计无明确规定,缺少国内外同类工程的有关资料,设计难度较大。西北勘测设计研究院(以下简称“西北院”)、科研单位及有关院校对此进行了深入的科研试验和数值计算。拉西瓦建设分公司和设计监理部专家组也提出了优化设计建议。经各方共同努力,优化了坝下消能防冲建筑物的结构及排水、抽水系统布置,最终确定了坝后消能防冲建筑物的设计。优化设计后,水垫塘反拱底宽(弦长)62.0m,中心角61.647°,反拱混凝土底板厚2.5m及3.0m(水舌冲击区),反拱顶面最低高程2214.50m,两岸拱座长6.46~6.72m,开挖高程2220.00m,反拱段和拱座段开挖总宽78.00m。拱座边墙直立开挖,其上进行约1.5~2.0m厚的混凝土护坡,坡度1∶0.3~1∶0.6,护坡顶高程2265.00m。3.2内耳水池的垂直和水平走廊的优化配置3.2.1坝后横向排水廊道的取消水垫塘内横向排水廊道的主要作用是降低反拱底板下的扬压力,满足底板稳定要求。设计假定的底板扬压力是以水垫塘上游第一道横向排水廊道和二道坝内下游交通兼排水廊道的扬压力水头为控制水头,中间按直线连接分布。在水垫塘周边已形成封闭排水网络的情况下,塘内其他横向排水廊道的作用不大。为此,设计监理部专家组建议取消水垫塘内的全部横向排水廊道(7条),将塘内的第一道横向排水廊道移到塘外,设在坝后(以下称“坝外排水廊道”),位于桩号坝下0+052.00处,并在底板设排水孔。坝外排水廊道的排水孔幕是拦截坝基渗水的重要设施,使水垫塘底板的扬压力在塘前就得以迅速降低,增加了反拱底板的排水降压保护范围,在其后进行的“坝后水垫塘区三维渗流分析研究”中,证明了坝外排水廊道的作用尤为显著。专家组还建议将原位于水垫塘中部的集水廊道(0.5条)改设在二道坝内。由此,塘内7.5条横向廊道全部取消,不仅减轻了开挖、卸荷对反拱形基岩面的破坏影响,有利于发挥反拱底板的拱作用,增强泄水工况下的底板稳定性,而且使集水廊道开挖洞长减少了100多m,加快了施工进度,节省了工程费用。优化设计中,西北院修改了排水盲沟的布置,取消了板下的全部纵向排水盲沟,施工设计中将横向排水盲沟间距改为4.73m。3.2.2反拱底板防护安全技术原水垫塘底板下设3条纵向排水廊道,其左、右纵向排水廊道位于拱端处,为尽量减少水垫塘底板下的孔洞数量,并考虑拱端受力较大,混凝土较薄,西北院优化设计时,取消了板下左、右纵向排水廊道,改设在左、右拱座处(即左、右拱座纵向排水廊道),拱座开挖高程2220.00m,下设排水孔。根据天津大学反拱底板的非线性静力分析,检修工况时,当扬压力为150kPa、底板和拱座的锚固量为7.6t/m2时,拱端最大推力为942kN/m,拱座垂直向位移为0.091mm,横向位移为0.303mm,拱座最大压应力仅为0.6MPa;泄洪工况时,根据反拱底板非线性动力分析,模型实测的最大拱推力仅为139kN/m。上述成果表明,无论在检修工况还是泄洪工况时,拱推力和拱座的应力、位移均不大,拱座安全完全有保证。优化设计后,反拱水垫塘底板下仅保留1条中央纵向排水廊道,其他廊道全部取消。左、右拱座纵向排水廊道分别与坝外排水廊道(坝下0+052.00)和二道坝内排水廊道相连,形成水垫塘反拱底板外围和二道坝内的封闭排水降压保护网络,并与坝基排水廊道脱离,各自独立。水垫塘内纵、横向廊道的优化布置使各廊道的功能明确、布置简捷、施工方便。根据试验及数值计算结果,二道坝及水垫塘周边均不设防渗帷幕。3.2.3关于底板稳定验算的建议原水垫塘反拱底板厚3m和4m。目前,我国已建的二滩平底水垫塘底板厚3~5m,在建的小湾平底水垫塘底板厚3m,前苏联英古里反拱水垫塘底板厚4m。反拱底板由于其拱作用,能将扬压力和脉动压力传递到两侧拱座和山体。从底板的整体稳定性分析,底板的抗浮稳定问题实质上是拱座的稳定问题,因此反拱底板的受力条件比平底板好,具有较高的安全储备。专家组根据国外工程和二滩水垫塘资料,结合拉西瓦水垫塘的模型试验及有限元计算成果,提出了减小反拱水垫塘混凝土底板厚度的建议。拉西瓦水垫塘底板稳定计算的最大荷载设计取150kPa,底板设计锚固力76kN/m2。检修工况时,根据SL282—2003《混凝土拱坝设计规范》和SL253—2000《溢洪道设计规范》中扬压力计算的规定,该水垫塘底板的扬压力约为140kPa。根据“坝后水垫塘区三维渗流分析研究”,检修工况,当排水孔、排水盲沟等排水设施正常工作时,底板扬压力最大值仅为25.2kPa;当排水孔50%和70%失效时,底板最大扬压力分别为25.8kPa和70.2kPa。根据二滩平底水垫塘渗压计实测资料,平底板底部的最大扬压力小于50kPa。上述数值均小于规范计算值,可见按目前规范计算的扬压力有较大的安全空间。泄洪工况时,根据反拱底板非线性动力分析,实测的模型底板最大上举力为94kNm/2(相当94kPa),也小于150kPa。水垫塘的拱座和底板混凝土主要承受压应力,根据反拱底板非线性静力分析,当扬压力为150kPa、底板和拱座的锚固力76kN/m2时,反拱底板的最大压应力小于7MPa,锚筋最大应力为257MPa。当扬压力为360kPa时,反拱底板的最大压应力小于10MPa,仍低于混凝土的抗压强度,说明反拱底板的抗压强度有较大裕度。研究中还根据模型实测的最大上举力,对反拱底板的局部稳定进行了计算和分析。其结果表明,反拱底板的局部稳定也有一定的裕度。根据上述科研试验和计算分析,西北院将拉西瓦反拱水垫塘混凝土底板厚度改为2.5m和3.0m。3.2.4廊道布置优化施工阶段,为减少陡壁开挖对两岸山体稳定的不利影响,西北院优化了反拱水垫塘结构设计,将反拱底板中心角由73.74°改为61.647°,底板弦长由72.00m改为62.00m,拱座开挖高程由约2224m改为2220.00m,反拱段与拱座段的开挖总宽度由约84m减小为78.00m,底板顶面最低高程由2215.00m改为2214.50m,并对二道坝内的廊道布置按专家组的建议进行了优化。3.3增设出水管及隧道洞西北院采纳了专家组对抽水系统布置的优化建议,优化结果为:(1)将抽水泵房轴线由顺河向改为垂直水流向,与二道坝轴线平行,位置靠近二道坝右坝头;集水廊道改设在二道坝内,使集水和抽水系统布置紧凑,由此原长约150m的集水廊道(隧洞)减为约42m。(2)保留原泵房交通廊道,与右岸低线过坝交通洞相连,以利交通和通风;该廊道外通山坡,以利施工出渣;洞内设出水管线,将所抽渗水以最短的距离经洞口排到二道坝下游;出水管线铺设完后,将靠近山坡的洞段用混凝土封堵,以防泄洪时水雾入洞。(3)取消原布置的出水管廊道。(4)取消原布置的岸坡斜廊道。根据施工安排,原布置的岸坡斜廊道只能自上而下开挖,出渣十分不便,影响工期。由于右岸已有1条交通廊道与水垫塘相连,左岸还有2条交通廊道分别与水垫塘和二道坝相连,已满足通风、检修和观测等需要,因此取消了原布置的岸坡斜廊道,不再与二道坝相连。(5)西北院取消了抽水泵房下设的高约60m、开挖断面积2.0m×7.6m的泵管竖井,改以3个!1200mm的钻孔替代,泵管经钻孔直接与集水井相连,节省竖井开挖及支护工程量,加快施工进度。4反拱底板稳定施工的效果(1)拉西瓦水电站是国内大型、高水头水电站中第一座采用反拱水垫塘为坝后消能建筑物的水电站工程。由于受地形、地质和工程布置的限制,水垫塘容积较小、水深较浅,单位水体消能率达20.3kW/m3,比小湾(12.3kW/m3)、溪洛渡(12.88kW/m3)、构皮滩(13.5kW/m3)、二滩(13.5kW/m3)和锦屏一级(13.1kW/m3)等工程还高,接近国际经验控制的最高标准,泄洪消能问题突出。(2)拉西瓦水电站采用反拱水垫塘的主要原因是反拱体形更好地适应了该处的地形、地质条件。由于拱座开挖高程较高,减少了峡谷两岸坡脚的开挖范围,有利于高、陡、卸荷边坡的稳定;反拱底板采用浅表层弧形开挖,适应了消能区河床下凹弧形的基岩面和地应力的分布,减少了河床基岩的卸荷回弹及处理工程量。