CCS水電站首部樞紐設(shè)計(jì)特點(diǎn)

□耿 莉（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

CCS水電站首部樞紐設(shè)計(jì)特點(diǎn)

□耿 莉（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

CCS水電站位于南美洲厄瓜多爾國，總裝機(jī)容量1500 M W，為EPC總承包項(xiàng)目。CCS水電站首部樞紐設(shè)計(jì)根據(jù)水文泥沙條件、地形地質(zhì)特點(diǎn)，電站運(yùn)行要求并結(jié)合施工導(dǎo)流布置提出了技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理的首部樞紐布置方案；根據(jù)不同建筑物地基的特性及運(yùn)行要求提出安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)處理方案，從監(jiān)測結(jié)果來看，地基基礎(chǔ)處理達(dá)到較好的效果，有效解決了地基基礎(chǔ)的沉降變形問題，實(shí)際沉降量遠(yuǎn)小于規(guī)范允許最大沉降量，均滿足工程運(yùn)行要求。文章結(jié)合引水式電站首部樞紐布置所涉及的工程要素及特點(diǎn)，介紹了CCS水電站首部樞紐設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為在建及待建類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

厄瓜多爾CCS水電站；首部樞紐布置；地形地質(zhì)；泄洪規(guī)模；泥沙；基礎(chǔ)處理

1 項(xiàng)目建設(shè)背景

COCACODOSINCLAIR（簡稱CCS）水電站為引水式電站，位于厄瓜多爾共和國北部NAPO省和SUCUMBIOS省的交界處，工程任務(wù)主要為發(fā)電，電站總裝機(jī)容量1 500 MW。該電站為厄瓜多爾目前最大的水力發(fā)電項(xiàng)目之一，工程建成后，將成為厄瓜多爾國家電網(wǎng)的骨干電源，多年平均發(fā)電量84.66億kW.h，提供厄國70%的電力。CCS水電站主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、壓力管道和地下廠房等，為中水集團(tuán)EPC總承包項(xiàng)目。

CCS工程概念設(shè)計(jì)（相應(yīng)于國內(nèi)的可研）由意大利ELC公司完成，本公司于2009年9月開始經(jīng)歷了概念設(shè)計(jì)復(fù)核，基本設(shè)計(jì)階段（相應(yīng)于國內(nèi)的初設(shè)）和施工圖設(shè)計(jì)階段，2016年4月電站首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，基本按合同工期完成了建設(shè)目標(biāo)。

2 首部樞紐工程概況

首部樞紐位于Salado河和Quijos河兩河交匯處下游約1 km的Coca河上，由擋水建筑物（混凝土面板堆石壩）、泄洪排沙建筑物（溢流壩及沖沙閘）、取水建筑物（引水閘及沉沙池）三部分組成。首部樞紐根據(jù)功能要求，各建筑物之間既相互獨(dú)立又相互交錯(cuò)，功能上既要滿足水庫泄洪要求，同時(shí)要解決引水發(fā)電進(jìn)口泥沙淤堵問題，保證引水口門前清，有效控制過機(jī)泥沙，滿足合同對(duì)引水泥沙含量和粒徑的要求。

結(jié)合首部地形地貌特點(diǎn)，經(jīng)多方案比選，首部樞紐采用左岸集中泄水布置方案，既在首部樞紐壩址區(qū)左側(cè)埡口處集中布置泄水和取水建筑物，現(xiàn)狀河道處布置混凝土面板壩擋水。泄洪排沙建筑物布置在壩址區(qū)左側(cè)埡口處，從左到右依次布置為8孔溢流堰和3孔沖沙閘，承擔(dān)整個(gè)首部樞紐的泄洪排沙任務(wù)。壩頂高程1 289.50 m，壩頂長度約271.75 m。水庫最高水位1 288.30 m，最大泄流量16 444 m3/s。取水閘緊貼沖沙閘右側(cè)布置，與溢流壩軸線呈70°交角，為帶胸墻的平板閘，閘底板高程1 270.00 m，比沖沙閘進(jìn)口引渠底板高10 m，引水閘共16孔，四孔一聯(lián)，共四聯(lián)。沉沙池緊接引水閘布置，共布置8條池室，主要包括上游過渡段、工作段、下游出口閘、靜水池、側(cè)向溢流堰及排沙廊道系統(tǒng)。沉沙池工作段長153 m，單池過流斷面凈寬度13 m，沉沙池底部排沙采用SEDICON排沙系統(tǒng)，泥沙通過下部排沙系統(tǒng)管道匯集到排沙廊道，經(jīng)排沙廊道排沙至下游海漫；沉沙池后連接無壓長輸水隧洞?；炷撩姘宥咽瘔挝挥贑oca河主河槽上，軸線長156.12 m，壩頂高程1 289.80 m，壩頂寬度8.00 m，最大壩高26.80 m。

3 首部樞紐設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 泄洪規(guī)模大，地形地質(zhì)條件限制，樞紐布置難度大

首部樞紐所處的Coca河流域中大部分地區(qū)屬于熱帶雨林氣候，徑流分配較為均勻，降雨充沛。首部樞紐防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 000年一遇設(shè)計(jì)，災(zāi)害性洪水校核。災(zāi)害性洪水設(shè)計(jì)流量為15 000 m3/s。施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用25年一遇設(shè)計(jì)洪水，設(shè)計(jì)流量為4 430 m3/s。建筑物具備以下幾方面的特點(diǎn)：一是水庫要求泄洪規(guī)模非常大，需要根據(jù)地形地質(zhì)條件，考慮溢流壩段布置寬度，以滿足泄流規(guī)模和下游防沖消能的需要；二是施工期洪峰流量大，需要充分考慮導(dǎo)截流工程布置的經(jīng)濟(jì)性和方便性，布置方案要利于施工導(dǎo)流工程的實(shí)施。

首部樞紐庫區(qū)由Quijos河谷與Salado河谷組成，在兩河交匯一帶以相對(duì)寬廣的“U”型谷為主，谷底寬約300～700 m，發(fā)育有多處河心灘、河漫灘，河道縱比降約2.70‰～4.70‰。河谷岸坡陡峻。壩址處的突出特征是河谷中間凸現(xiàn)一錐形花崗巖侵入體，受該侵入巖體控制，河道寬度縮窄形成了“V”型峽谷。河道在右岸形成一個(gè)彎道，河道左岸有一埡口，最低處高出河床僅約25 m。該特殊的地形條件為首部建筑物布置帶來了一定難度。根據(jù)地形地質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)進(jìn)行了兩岸泄水布置、右岸集中泄水布置和左岸集中泄水布置方案比選，最終確定采用左岸集中泄水布置方案。該布置方案的特點(diǎn)：一是在主河道深厚覆蓋層上布置混凝土面板堆石壩，充分利用面板壩對(duì)地基適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，減少河床地基處理投資，縮短工期，施工也相對(duì)簡單；二是取水閘和沉沙池布置在中部侵入巖體下游側(cè)，充分利用河灘山包擋水，同時(shí)減少基礎(chǔ)土石方開挖量和基礎(chǔ)處理工程量；溢流壩和沖沙閘基礎(chǔ)仍置于深覆蓋層上，但覆蓋層地質(zhì)條件優(yōu)于右岸主河道，地基土層已完成固結(jié)，密實(shí)程度高。采用左岸集中泄水布置方案是技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合選擇。

3.2 高水頭沖擊式水輪機(jī)對(duì)泥沙要求高

CCS水電站設(shè)計(jì)最大凈水頭618 m，是世界上規(guī)模最大的沖擊式水電站之一。首部樞紐壩址處河道多年平均徑流量290 m3/s，流域泥沙以懸移質(zhì)為主，水庫多年平均輸沙量1 211.60萬t，其中懸移質(zhì)輸沙量為932萬t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.01 kg/m3。為了保證水輪機(jī)免受大量泥沙的磨蝕，首部樞紐布置方案應(yīng)充分考慮首部取水口泥沙問題。根據(jù)合同規(guī)定，首部沉砂池要求≥0.25 mm粒徑的泥沙沉降率為100%。

針對(duì)泥沙問題，首部樞紐取水建筑物布置有兩大特點(diǎn)：一是取水口前布設(shè)沖沙閘排沙，保證門前清，盡量減少取水泥沙含量；二是取水口后布置大規(guī)模沉沙設(shè)施，取水后充分沉沙。

取水建筑物布置采用側(cè)向引水，正向沖沙的方式，并在沖沙閘前設(shè)水下長導(dǎo)墻構(gòu)成推移質(zhì)沉積渠道，結(jié)合沖沙閘進(jìn)行排沙，保證引水口門前清。取水閘及沉砂池布置在溢流壩沖沙閘右側(cè)，與溢流壩軸線呈70°交角。取水閘為帶胸墻的平板閘，共16孔，四孔一聯(lián)。沉沙池緊接引水閘布置，共布置8條池室，兩閘孔對(duì)應(yīng)下游一條沉砂池池槽，包括上游過渡段、工作段、下游出口閘、靜水池、側(cè)向溢流堰及排沙廊道系統(tǒng)。沉沙池采用SEDICON排沙系統(tǒng)，泥沙通過下部排沙系統(tǒng)管道匯集到排沙廊道，經(jīng)排沙廊道排沙至下游海漫；下游出口閘后連接靜水池，靜水池后連接輸水隧洞。

目前大型水電站沉砂池通常采用漏斗集沙，依靠水力沖沙，沖沙耗水量通常較大，為保證沉砂池效率，通常設(shè)置專用的取水建筑物和輸沙廊道進(jìn)行沖沙。CCS水電站沉砂池規(guī)模大，存在工程投資、場地要求、排沙耗水量、運(yùn)行要求等問題。SED1CON公司研發(fā)的沖沙技術(shù)是一種布置在沉砂池池室中的開槽排泥管，該技術(shù)在在室內(nèi)試驗(yàn)和小型工程應(yīng)用中取得了成功，在工程規(guī)模、投資、安裝維護(hù)、場地條件及運(yùn)行控制、沖沙效率上具有很大的優(yōu)勢(shì)。采用該沖沙方式的沉砂池設(shè)計(jì)將為今后類似工程提供巨大的借鑒意義。

3.3 地質(zhì)條件復(fù)雜，基礎(chǔ)處理難度大

首部工程建筑物物基礎(chǔ)為不均勻的深厚覆蓋層及花崗閃長巖侵入體，組成性質(zhì)各有差異，巖相變化大，厚度相差大，基礎(chǔ)條件非常復(fù)雜，同時(shí)因EPC總承包項(xiàng)目對(duì)工期及投資有很多限制條件，建筑物基礎(chǔ)處理是設(shè)計(jì)難點(diǎn)和重點(diǎn)。

根據(jù)不同建筑物地基的特性，采取不同的基礎(chǔ)處理方案，采用了軟基換填、振沖碎石樁、混凝土灌注樁復(fù)合地基等多種基礎(chǔ)處理措施。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)揭露情況，溢流壩采用了開挖換填+振沖碎石樁處理方案；沖沙閘基礎(chǔ)采用素混凝土樁復(fù)合地基方案；混凝土面板堆石壩壩基河床覆蓋層深厚，地層分布不均一，原設(shè)計(jì)采用振沖碎石樁進(jìn)行加固處理，在實(shí)施振沖樁時(shí)，即使設(shè)備功率達(dá)到極限時(shí)，也無法向下振沖進(jìn)尺穿透上部砂礫石層，多次試驗(yàn)過皆不能成功，表明壩基處砂礫石層密實(shí)性較好。實(shí)施時(shí)修改為壩前增加蓋重區(qū)；沉砂池基礎(chǔ)左側(cè)坐落于花崗閃長巖侵入體上，右側(cè)則位于河床，巖石與砂礫石土層交接部位坡度較陡，覆蓋層厚度變化大，兩者之間的壓縮模量和變形模量相差較大，在沉砂池結(jié)構(gòu)的影響下，覆蓋層處的沉降量將必然比基巖部分的沉降大的多，不均勻沉降問題突出。

基礎(chǔ)處理考慮碎石樁方案、碎石樁與堆載預(yù)壓聯(lián)合處理方案、樁基方案。經(jīng)計(jì)算分析，采用碎石樁方案可以解決砂層液化問題，但是由于沉砂池區(qū)域覆蓋層深度較大（最深90 m），沉砂池結(jié)構(gòu)范圍較大（工作段寬度119 m），附加應(yīng)力影響范圍太深（80 m以下折減系數(shù)不超過50%），采用碎石樁不能有效解決沉降問題，難以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；采用碎石樁與堆載預(yù)壓聯(lián)合處理方案，工期安排上不具備條件，因此最終確定采用樁基方案。樁基方案在實(shí)施過程中結(jié)合現(xiàn)場施工能力，分別布置了直徑1. 50 m和1.80 m的樁基，樁基都為嵌巖樁，在樁頂部分進(jìn)行擴(kuò)頭處理；樁頂和結(jié)構(gòu)之間布置0.50 m回填砂卵石墊層。

4 結(jié)語

首部樞紐建筑物布置及設(shè)計(jì)總體基本合理，滿足美國規(guī)范及當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)規(guī)范要求，滿足EPC主合同及合同附件要求。目前，CCS水電站首部建筑物全部投入運(yùn)行，蓄水運(yùn)行一年多，工程運(yùn)行狀況良好，其工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他類似工程具有一定得借鑒作用。

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1673-8853(2016)10-0048-02

2016-07-14

（責(zé)任編輯：劉 青）

耿 莉（1972-），女，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。