東升水電站樞紐壩型選擇

宋春山

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080)

1 概 述

東升水電站樞紐位于黑龍江省東寧縣境內(nèi)綏芬河干流上,距縣城西約10 km處,地理坐標(biāo)為E130°58′40″,N44°03′42″,壩址控制流域面積8176 km2。東升水電站樞紐工程的主要任務(wù)以發(fā)電為主,同時(shí)兼有城市供水、改善生態(tài)環(huán)境、防火隔離帶、滅火水源等綜合利用效益。

東升水電站樞紐總庫(kù)容為5016×104m3,正常蓄水位為156.00 m,調(diào)節(jié)庫(kù)容為2867×104m3,水電站總裝機(jī)33 MW,工程等別為Ⅲ等,擋水建筑物、泄水建筑物和引水建筑物工程級(jí)別為3級(jí),水電站工程級(jí)別為4級(jí)。水電站發(fā)電年保證率取為90%,供水年保證率取為95%。

東升水電站樞紐工程由壩區(qū)樞紐和引水發(fā)電系統(tǒng)兩大部分組成。壩區(qū)樞紐由重力壩、溢流壩、壩后式電站、壩下放空洞等組成,壩頂長(zhǎng)度為337 m,重力壩最大壩高為30 m。結(jié)合生態(tài)基流,左岸重力壩下游布置壩后水電站,裝機(jī)容量1 MW。引水發(fā)電系統(tǒng)由進(jìn)水口﹑壓力引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管及地面電站廠房等組成。進(jìn)水口采用岸塔式,引水隧洞為直徑8.2 m的圓形斷面,隧洞長(zhǎng)3305 m,縱坡i=7/1000。電站廠房布置在綏芬河壩下16.3 km的隧洞出口處,電站總裝機(jī)32 MW。

2 工程地形及地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

壩址處于綏芬河下游丘陵峽谷地帶,地勢(shì)起伏較大,河谷呈不對(duì)稱“U”型。河流自南向北流經(jīng)壩址,河床寬約70 m,水深0.5～3.0 m,該區(qū)地貌單元可劃分為:構(gòu)造剝蝕低山丘陵,堆積高、低河漫灘。

構(gòu)造剝蝕低山丘陵分布于河谷兩岸,左岸山坡較緩,坡度 15°～30°,山頂高程 216 m,山體主要由燕山期花崗巖組成。右岸地形較陡,山頂高程320 m,坡度45°～80°,山體主要由燕山期花崗巖組成。

堆積高河漫灘呈條帶狀分布于左岸低山山前,地勢(shì)平緩,高程 141～149 m,寬度 10～95 m,灘面傾向河床。巖性主要由沖洪積含砂低液限黏土、粉土質(zhì)細(xì)砂、卵石混合土、混合土卵石組成,下伏燕山期花崗巖。

堆積低河漫灘呈條帶狀分布于河床左側(cè),地勢(shì)起伏不平,高程135～140 m,寬度不一。巖性主要由沖洪積級(jí)配不良中砂和卵石混合土組成,下伏燕山期花崗巖。河床右岸不發(fā)育,僅局部有寬度不到3 m的灘面。

2.2 地層與巖性

壩基上部為第四系松散層,主要由含砂低液限黏土、粉土質(zhì)細(xì)砂、級(jí)配不良中砂、卵石混合土、混合土卵石組成,總厚度1.50～12.80 m,河谷基底及兩岸為燕山期侵入巖,巖性主要為花崗巖():灰白色-灰黑雜色,中細(xì)粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,為酸性侵入巖。主要礦物成分由石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、黑云母、角閃石組成。

3 壩型比選

3.1 基本壩型選擇

結(jié)合壩址處地形、工程地質(zhì)條件、河道水文特性、工程總體布置、施工條件及天然建材分布情況,設(shè)計(jì)選擇混凝土面板堆石壩、瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土重力壩3種壩型進(jìn)行優(yōu)選。

壩址處500年一遇洪峰流量為10765 m3/s,考慮地形及工程地質(zhì)條件,上述幾種比較壩型對(duì)應(yīng)的泄水建筑物型式為溢流壩方案。溢流壩堰頂高程為144.00 m,閘孔總凈寬 105 m,共分 7孔布置,每孔凈寬15 m;戽流消能。

混凝土重力壩采用50年一遇洪水設(shè)計(jì),500年一遇洪水校核。壩長(zhǎng)337 m(含溢流壩寬126 m),壩頂高程159.31 m,壩頂寬6.0 m。上游坡面為垂直面,下游坡面自折點(diǎn)以下為1∶0.75。壩基坐落于強(qiáng)風(fēng)化下限以下2 m。

混凝土面板堆石壩采用100年一遇洪水設(shè)計(jì),1000年一遇洪水校核。壩長(zhǎng)340 m(含溢流壩寬126 m),壩頂高程161.22 m,壩頂寬6.0 m。上游邊坡比為1∶1.5,下游邊坡比為1∶1.4。上游面為混凝土防滲面板,厚0.4 m;下游面采用干砌塊石護(hù)坡。

瀝青混凝土心墻堆石壩采用100年一遇洪水設(shè)計(jì),1000年一遇洪水校核。壩長(zhǎng)340 m(含溢流壩寬126 m),壩頂高程161.22 m,壩頂寬 6.0 m。上游邊坡比為1∶1.75,下游邊坡比為1∶1.65。瀝青心墻頂寬40 cm,底寬60 cm。

壩型工程量及投資比較結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn),混凝土面板堆石壩造價(jià)相比最高,混凝土重力壩工程造價(jià)最低,重力壩并具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)抗?jié)B透變形能力強(qiáng),防滲設(shè)施相對(duì)更安全有效;

2)安全性較高,對(duì)抗御超標(biāo)準(zhǔn)洪水或意外荷載潛力較大;

3)便于與河床式溢流壩銜接及壩下廠房布置;

4)施工工藝簡(jiǎn)單易行,施工進(jìn)度快,建設(shè)工期較短;

5)壩體可漫頂過(guò)流,便于施工渡汛,導(dǎo)流條件好。

表1 壩型比較成果表Table1 Results table of dam types comparison

故此,設(shè)計(jì)推薦混凝土重力壩為東升水電站樞紐設(shè)計(jì)的基本壩型。

3.2 壩型選擇

近年來(lái),隨著我國(guó)水利水電工程建設(shè)的高速發(fā)展,清華大學(xué)研究的堆石混凝土技術(shù)替代傳統(tǒng)混凝土筑壩在山西清峪水庫(kù)重力壩工程、恒山水庫(kù)雙曲薄拱壩加固工程、河南寶泉抽水蓄能電站上庫(kù)副壩工程等多個(gè)水利水電工程中得以應(yīng)用。

堆石混凝土就是用自密實(shí)性能優(yōu)良的自密實(shí)混凝土充填堆石體所形成的致密混凝土,施工工藝是將一定粒徑要求的堆石直接入倉(cāng),形成有空隙的堆石體,用自密實(shí)混凝土代替高流動(dòng)砂漿,從堆石體上部倒入自密實(shí)混凝土,利用自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)和抗離析性能,使自密實(shí)混凝土依靠自重自動(dòng)填充到堆石的空隙中,形成完整、密實(shí)、有較高強(qiáng)度的混凝土,這樣形成的混凝土稱為堆石混凝土,見(jiàn)圖1。堆石混凝土由堆石體和帶有小骨料的自密實(shí)混凝土構(gòu)成,其基本力學(xué)性能滿足普通混凝土要求,在水化熱溫升、施工速度、造價(jià)等方面有較大優(yōu)勢(shì)。

堆石混凝土與傳統(tǒng)混凝土或埋石混凝土相比具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)施工過(guò)程簡(jiǎn)單,最大限度地減少了混凝土倉(cāng)面的施工人員和機(jī)械工作量,現(xiàn)場(chǎng)控制管理更加簡(jiǎn)便易行;

圖1 堆石混凝土示意圖Fig.1 Sketch drawing of rock filled concrete

2)無(wú)需進(jìn)行混凝土振搗密實(shí)的施工環(huán)節(jié),消除了人為的不利干擾,施工質(zhì)量和穩(wěn)定性更加容易保證;

3)施工工藝簡(jiǎn)單,能大幅提高大倉(cāng)面混凝土的施工效率、極大地縮短施工工期;

4)堆石混凝土使用了大量的塊石作為原材料,因此能有效降低工程造價(jià);

5)堆石混凝土的水泥用量少,因此水化溫升小,溫控簡(jiǎn)單;

6)堆石混凝土具有大塊巖石穩(wěn)定堆積構(gòu)成的骨架,具有優(yōu)良的體積穩(wěn)定性,體積收縮小,較強(qiáng)的抗裂性能和抗?jié)B性能;

7)堆石混凝土可減少或免除施工冷縫處理和鑿毛工序,提高施工速度、降低工程造價(jià),通過(guò)國(guó)內(nèi)多項(xiàng)工程中的應(yīng)用驗(yàn)證表明:堆石混凝土替代傳統(tǒng)混凝土筑壩可提高施工速度20%～30%,降低工程造價(jià)10%～20%。

綜合以上,設(shè)計(jì)采用堆石混凝土壩作為設(shè)計(jì)壩型,堆石混凝土強(qiáng)度等級(jí)表層混凝土采用C20,內(nèi)部混凝土采用C15,大壩水位變化區(qū)等受凍嚴(yán)重部位的混凝土,抗冰凍等級(jí)為F300;受凍較輕部位的混凝土,抗冰凍等級(jí)為F200,大壩混凝土的抗?jié)B等級(jí)為W4。

重力壩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)坐落于強(qiáng)風(fēng)化下限以下3 m,對(duì)壩基斷層破碎帶處設(shè)混凝土塞處理,混凝土塞深度按1倍斷層寬度考慮,壩基設(shè)帷幕灌漿防滲,帷幕底部進(jìn)入5 Lu滲透線以下5.0 m處,帷幕后設(shè)排水孔。

[1]黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省東寧縣綏芬河干流東升水電站樞紐工程可行性研究報(bào)告[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2009.

[2]金 峰,安雪暉.堆石混凝土施工技術(shù)專題報(bào)告[R].北京:清華大學(xué)水利水電工程系&清華—前田(崗村)先進(jìn)建設(shè)技術(shù)研究中心,2006.

[3]崔京浩.自密實(shí)混凝土技術(shù)手冊(cè)[K].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.