針對(duì)某水電站技改工程的研究

劉輝

（神華四川能源有限公司，四川 成都 610011）

某公司二級(jí)站于2008年5月經(jīng)歷“5.12”大地震，于2013年7月經(jīng)歷“文家溝”特大泥石流災(zāi)害。現(xiàn)在的整個(gè)綿遠(yuǎn)河河床平均有約20m深，全部是不穩(wěn)定的泥石流堆積體，局部達(dá)到70～80m。鑒于上述情況，考慮電站多次受災(zāi)的特殊性，本著臨時(shí)兼顧“長久”的設(shè)計(jì)理念，本文重點(diǎn)研究了黃水河臨時(shí)取水樞紐處渡槽消能設(shè)施的設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1．1 工程概況

電站位于綿竹市清平鎮(zhèn)境內(nèi)綿遠(yuǎn)河上游，總裝機(jī)容量2.3萬千瓦，共4臺(tái)機(jī)組（其中一級(jí)站2×4000kW，二級(jí)站2×7500kW）。電站屬無調(diào)節(jié)徑流式水電站，兩級(jí)電站分別距綿竹市區(qū)48、39km。黃水河原取水樞紐位于黃水河渡槽上流130.0m處的黃水河干流上，壩長22.5m，最大壩高4.95m。通過128.5m的黃水河引水隧洞，引用流量3.0m3/s，作為補(bǔ)充水源進(jìn)入3號(hào)隧洞末端。

1．2 工程現(xiàn)狀

電站地理位置比較特殊，它位于龍門山地震帶，地處2008年“5.12”大地震震中的映秀與綿陽青川、北川之間。2008年地震時(shí)二級(jí)站廠房下游（綿竹河與雍家溝交匯處）出現(xiàn)斷裂帶，斷裂帶寬約1～2m。

1．3 工程任務(wù)

本報(bào)告主要根據(jù)黃水河“6.26”受損實(shí)際情況，分析其破環(huán)原因同時(shí)結(jié)合國內(nèi)已建工程的實(shí)例，研究黃水河過水箱涵溢流面及消能設(shè)施的改造恢復(fù)的可行性方案。

2 工程改造建筑物布置

2．1 工程等別和標(biāo)準(zhǔn)

水電站為引水式電站，工程以發(fā)電為主，電站裝機(jī)23MW，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）等指標(biāo)，二級(jí)水電站為?。ㄒ唬┬退姽こ?，工程等別為Ⅳ等，其永久性主要建筑物（引水發(fā)電建筑物、取水口等）按4級(jí)設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)。

2．2 黃水河取水樞紐現(xiàn)狀及整改原因

2．2．1 現(xiàn)狀情況

二級(jí)電站地理位置比較特殊，它位于龍門山地震帶，受“5.12”地震次生災(zāi)害及綿茂公路工程建設(shè)棄渣影響，2018年主汛期來勢兇猛的超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水中夾雜著大量的泥石流，極大地削弱了電站各水工樞紐的防汛能力，含有大量泥石流的洪水將渡槽下游壩面破壞并使鋼筋外漏，同時(shí)，2017年修復(fù)的消能設(shè)施直接被洪水沖走，渡槽下游保護(hù)結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，渡槽下游抗沖能力變?nèi)酢?/p>

2．2．2 工程布置情況

二級(jí)水電站位于綿竹市漢旺鎮(zhèn)清平鄉(xiāng)以上河段。該電站上接一級(jí)水電站尾水，為引水式徑流電站。電站廠區(qū)位于綿遠(yuǎn)河右岸黑灘子處，距綿竹市38km，距上游一級(jí)電站廠房8.0km。電站由清水河取水樞紐、3號(hào)輸水隧洞、黃水河取水樞紐、黃水河渡槽、4號(hào)輸水隧洞、廠區(qū)樞紐六部分組成。清水河取水樞紐位于清水河干流上，取水樞紐為底格欄柵壩，壩長35.0m，最大壩高15.7m。庫水經(jīng)3號(hào)隧洞、黃水河渡槽、4號(hào)隧洞、壓力前池和壓力鋼管至二級(jí)水電站廠房；黃水河取水樞紐位于黃水河渡槽上游130.0m處的黃水河干流上，壩長22.5m，最大壩高4.95m。通過128.5m的黃水河引水隧洞，引用流量3.0m3/s，作為補(bǔ)充水源進(jìn)入3號(hào)隧洞末端。電站設(shè)計(jì)水頭221.0m，引用流量8.0m3/s，裝機(jī)2×7500kW，年發(fā)電量約7000萬kW·h。

表1 技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較表

2．2．3 黃水河主要建筑物修復(fù)方案比選

存在的問題：黃水河過水箱涵溢流面損毀。原因分析及主要結(jié)論：2017年過水箱涵溢流面修復(fù)采用下部鋼筋石籠+表層50cm鋼筋混凝土的形式，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，過水箱涵現(xiàn)狀與去年修復(fù)前的現(xiàn)狀一致，主要破壞了修復(fù)設(shè)施。經(jīng)過破壞分析，由于特大洪水來勢快且流量大，鋼筋籠下部為砂卵石基礎(chǔ)，由于往年受投資限制，防沖深度一直未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，2018年的超標(biāo)洪水在下游不斷沖刷，逐步形成破壞面，導(dǎo)致整個(gè)鋼筋石籠基礎(chǔ)不穩(wěn)向下游滑移破壞。由于鋼筋石籠與面板鋼筋整體連接，整個(gè)面板與鋼筋石籠整體破壞損毀。

綜上所述，得出如下結(jié)論：（1）產(chǎn)生破壞的主要是超標(biāo)洪水淘刷基礎(chǔ)，基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致修復(fù)鋼筋石籠及面板整體破壞；（2）過水箱涵整體穩(wěn)定性是可靠的，但是，在下部掏空及水流長期作用下，存在破壞的風(fēng)險(xiǎn)較大。（3）經(jīng)現(xiàn)場踏勘，超過2m以上的巨石基本未產(chǎn)生位移，隨水流向下滾動(dòng)的石塊主要為2m以下的石塊。

修復(fù)方案一。采用下游修筑攔砂壩（至基礎(chǔ)），渡槽下游保護(hù)壩面采用50cm厚抗沖耐磨混凝土，同時(shí)在壩表面鋪設(shè)廢舊鋼軌，增加壩體表面的抗沖耐磨強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)的剛度。廢舊鋼軌間距為30cm，表面略高于壩體混凝土表面0.5cm。

修復(fù)方案二。采用下游修筑攔砂壩（至基礎(chǔ)）+框格梁加廢舊鋼軌防護(hù)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行過水箱涵的加固。渡槽下游壩體采用抗沖耐磨混凝土進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)，在攔砂壩基礎(chǔ)上設(shè)置3排直徑為1.2m的柱子，柱子外側(cè)用鋼板進(jìn)行保護(hù)，在柱子上設(shè)置橫梁，廢舊鋼軌鋪設(shè)在橫梁上，鋼軌順?biāo)鞣较蚱露葹?:3.0，鋼軌中心間距為35cm，此方案鋼軌與壩體表面有一定距離，大于30cm的石頭會(huì)經(jīng)鋼軌順?biāo)鳑_入下游，不會(huì)危及壩體表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，小于15cm的沙石會(huì)掉入鋼軌與壩體表面的空間，但由于此空間在洪水時(shí)會(huì)有一定的水深，對(duì)壩體表面的結(jié)構(gòu)也會(huì)有一定的保護(hù)，不會(huì)對(duì)壩體混凝土造成結(jié)構(gòu)上的破壞。

方案比較：（1）充分利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?。設(shè)計(jì)時(shí)，材料的選擇盡可能利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧??；靥盍峡梢猿浞掷霉こ毯拥篱_挖料，采挖運(yùn)輸方便，又可以結(jié)合河道疏浚。河道內(nèi)塊卵石料儲(chǔ)量較為豐富，能夠部分滿足工程需要。（2）考慮施工隊(duì)伍特點(diǎn)，確保工程質(zhì)量。設(shè)計(jì)時(shí)考慮施工隊(duì)伍特點(diǎn)，本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，對(duì)施工隊(duì)伍的專業(yè)化要求均不高。嚴(yán)格施工管理，加強(qiáng)工程質(zhì)量監(jiān)督，可確保工程質(zhì)量。（3）適應(yīng)黃水河工程改建需要。設(shè)計(jì)遵循國家及地方有關(guān)規(guī)程、規(guī)范和條例，結(jié)合本工程短期需求和長遠(yuǎn)運(yùn)行目標(biāo)，保護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和提高經(jīng)濟(jì)效益。（4）改善河床行洪能力。因勢利導(dǎo)順應(yīng)河道河勢特性，改善局部險(xiǎn)工險(xiǎn)段的行洪防洪能力，控導(dǎo)河勢朝有利方向發(fā)展，有利于后期工程管理。

根據(jù)工程場地的地形地質(zhì)條件、建筑材料條件、工程造價(jià)和當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ夹g(shù)水平，初擬以上兩種方案進(jìn)行比較。兩種形式均主要利用當(dāng)?shù)夭牧?，施工技術(shù)要求不高，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可比性。

經(jīng)表1綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面比較可知：

（1）施工技術(shù)：施工技術(shù)要求相當(dāng)。

（2）工程投資：兩種方案混凝土用量相差不大，工程造價(jià)相當(dāng)，方案二略高。

（3）功能性：均能滿足防洪及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，方案二保護(hù)作用更強(qiáng)，會(huì)避免壩面直接受上游泥石流的沖擊，年維修費(fèi)用較低。

根據(jù)上述比較成果，結(jié)合工程河段地質(zhì)條件、地形條件、場地條件、實(shí)際對(duì)結(jié)構(gòu)功能的要求等條件，工程河段涉及河道較窄及地質(zhì)災(zāi)害等區(qū)域，采用抗沖刷能力強(qiáng)及受力條件更好的方案二比較合適，故本項(xiàng)目選擇方案二。

2．3 主要建筑物-黃水河攔砂壩

2．3．1 壩軸線選擇

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，初擬沖砂孔出口斷面作為攔砂壩壩軸線，主要選擇理由為：（1）兩側(cè)均出露較完整的基巖；（2）如果向上游移，壩軸線位于現(xiàn)有流面下部，開挖及混凝土澆筑均無法施工；如果下下游位移，增長流面長度，第二攔砂長度增加，所以均不適宜；所以，壩軸線從地質(zhì)上和工程投資上均以沖砂孔出口斷面作為攔砂壩軸線是合理的。

2．3．2 壩體體型結(jié)構(gòu)

采用重力壩結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合地質(zhì)勘探情況，重力壩壩高為9.4，頂寬2.0，底寬5.36m，上游采用立面，下游面坡比1:0.2；設(shè)置兩排排水孔，排水孔采用φ20mm波紋管，間距5.0m，排水孔前采取反濾措施。

2．3．3 基礎(chǔ)處理設(shè)施

為了加強(qiáng)攔砂壩穩(wěn)定，在基礎(chǔ)上采用砂漿錨桿錨固，采用φ25，L=4.5m間距為2.0/4.0m砂漿錨桿，入巖3.0m,外露1.5m。

2．3．4 攔砂壩的穩(wěn)定計(jì)算。

（1）計(jì)算方法?；炷林亓螇误w穩(wěn)定采用剛體極限平衡法計(jì)算，分別計(jì)算各壩段不同水平截面（包括壩體混凝土碾壓層面、壩體混凝土-基巖結(jié)合面）上的外加荷載及應(yīng)力，并計(jì)算出抗剪和抗剪斷穩(wěn)定安全系數(shù)，以及壩基截面的垂直應(yīng)力。為了確保結(jié)構(gòu)即使在排水系統(tǒng)失效時(shí)也能安全運(yùn)行，本次設(shè)計(jì)時(shí)揚(yáng)壓力考慮全水頭。

式中，K’為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)；f’為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；C’為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，kPa；A為壩基接觸面截面積，m2；ΣW為作用于壩體上的全部荷載對(duì)于計(jì)算滑動(dòng)面的法向分值，kN；ΣP為作用于壩體上的全部荷載對(duì)于計(jì)算滑動(dòng)面的切向分值，kN。

壩基截面的垂直應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中，σy為壩踵、壩趾垂直應(yīng)力，kPa；ΣW為作用于壩段上或1m壩長上的全部荷載在壩基截面上法向力總和，kN；ΣM為作用于壩段上或1m壩長上的全部荷載對(duì)壩基截面形心軸的力矩總和，kN·m；A為壩段或1m壩長的壩基截面積，m2；x為壩基截面上計(jì)算點(diǎn)到形心軸的距離，m；J為壩段或者1m壩長的壩基截面對(duì)形心軸的慣性矩，m4。

（2）計(jì)算參數(shù)。

水容重γw：9.81KN/m3

混凝土容重γc：24KN/m3

壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基應(yīng)力應(yīng)滿足表2規(guī)定的數(shù)值。

表2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和壩基容許應(yīng)力

重力壩壩基面壩踵、壩趾的垂直應(yīng)力在運(yùn)用期的各種荷載組合下（地震荷載除外），壩踵垂直應(yīng)力不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾垂直應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許壓應(yīng)力。

根據(jù)計(jì)算，攔砂壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及壩基容許應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3 施工組織設(shè)計(jì)

3．1 施工條件

（1）對(duì)外交通現(xiàn)況及近期擬建的交通設(shè)施。水兩級(jí)電站分別距綿竹市區(qū)48、39km。德茂公路直到二級(jí)站廠房，二級(jí)站至一級(jí)站臨時(shí)道路由于汛期河道泥石流作用，均已沖毀，現(xiàn)目前正由四川路橋公司進(jìn)行臨時(shí)道路恢復(fù)施工。本工程施工道路主要依靠德茂公路臨時(shí)公路，但是，其中黃水河施工場地距離臨時(shí)道路約2.0km需要自建臨時(shí)施工道路。

（2）工程建設(shè)期的要求。該工程的工程建設(shè)期在枯水季節(jié)，主要為當(dāng)年10月～次年4月，總工期控制在7個(gè)月以內(nèi)。

3．2 施工導(dǎo)流截流

本工程黃水河過水渡槽加固工程需要進(jìn)行施工導(dǎo)流。

（1）導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)。本工程圍堰采用砂礫石填筑，迎水面采用土工布防滲，采用5年洪水重現(xiàn)期作為導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)。

（2）截流方式及流量。本防洪堤工程安排在枯水期施工，由于枯期流量較小，河流主要水量引至進(jìn)水口，因而施工中僅有少量來水，施工中在左側(cè)設(shè)置圍堰采用φ80波紋管進(jìn)行施工導(dǎo)流?；硬捎门潘眠M(jìn)行抽排水，分段施工。根據(jù)本工程需要，工程進(jìn)點(diǎn)后，11月完成施工準(zhǔn)備工作，12月完成攔砂壩基坑開挖工作，1月開始混凝土施工，3月底完成混凝土施工，4月初拆除圍堰。

3．3 主體工程施工

本工程2019年1月即開始逐步進(jìn)行前期基坑開挖，開挖到設(shè)計(jì)高程即進(jìn)行攔擋壩基礎(chǔ)趾板混凝土的施工，并開始相鄰段基坑開挖，完成趾板澆筑后，即利用上一段基礎(chǔ)開挖的砂礫石料進(jìn)行堤體填筑，如此分段循環(huán)施工，直至完成全部堤防填筑和面板等施工，于3月底完成全部填筑和混凝土施工。

（1）砂卵石開挖。砂卵石開挖：采用1.6m3反鏟配合8t自卸車開挖砂卵石層，人工清基。開挖質(zhì)量合格砂卵石就近堆放以備填筑。前期廢棄料采用自卸汽車運(yùn)輸至河道內(nèi)臨時(shí)渣場棄渣，后續(xù)段防洪堤開挖砂卵石直接運(yùn)輸至已建段防洪堤進(jìn)行回填。

（2）砂卵石回填。堤體土石回填采用8t自卸汽車運(yùn)至填筑作業(yè)面倒退卸料，蛙式打夯機(jī)輔人工分層夯實(shí)，對(duì)于防洪墻背后的填料及大型振動(dòng)碾難以碾壓的邊緣地帶，采用蛙式打夯機(jī)輔人工分層夯實(shí)。

（3）混凝土澆筑。本工程擋墻為C20砼。施工程序：施工準(zhǔn)備→倉面處理→倉面驗(yàn)收→砼澆筑→砼養(yǎng)護(hù)。

采用分段跳倉澆筑，分段按擋墻沉降縫分段，分倉按段每1.5m高為一倉，倉面澆筑分層連續(xù)澆筑，一次成型，每層厚度30～50cm。分層間隔澆筑時(shí)間不得超過試驗(yàn)所確定的混凝土初凝時(shí)間，以防出現(xiàn)施工冷縫。

砼由拌合站的0.4m3拌和機(jī)生產(chǎn)，砼水平運(yùn)輸采用機(jī)動(dòng)翻斗車輔以膠輪車運(yùn)送至需用點(diǎn)，料斗至倉面水平及垂直運(yùn)輸采用串筒入倉。塊石由自卸汽車運(yùn)至倉面附近，然后，人工抬運(yùn)入倉。

4 結(jié)語

總之，地震產(chǎn)生含有大量泥石流的洪水不僅增大了對(duì)水工設(shè)施的破壞力，而且淤堵庫區(qū)、河道，降低河道行洪能力。只有相關(guān)人員通過現(xiàn)場資料的收集、調(diào)查、研究、論證，工程場地的地形地質(zhì)條件、建筑材料條件、工程造價(jià)和當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ夹g(shù)水平方案的綜合比較，才能研究出最合理的施工組織方案，積累更多的施工經(jīng)驗(yàn)，從根本上保證工程質(zhì)量和工程施工的有序開展。