水牛家水電站工程特點(diǎn)

朱 平, 周武林

(四川華能涪江水電有限責(zé)任公司,四川成都 610041)

1 工程概況

水牛家水電站位于四川省平武縣境內(nèi)的涪江一級(jí)支流火溪河上游,為火溪河“一庫四級(jí)”規(guī)劃開發(fā)的龍頭水庫電站(圖 1)。水牛家水電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐三大部分組成,總裝機(jī)容量為 2×35MW。

電站大壩位于平武縣白馬鄉(xiāng)稿史瑙村賴子灣附近,廠址位于王壩楚下游約 0.65km處,引水系統(tǒng)布置于火溪河右岸,經(jīng)引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道引水至地下廠房發(fā)電,尾水直接注入火溪河。沿火溪河左岸從王壩楚上行至大壩有至王朗自然保護(hù)區(qū)的公路通過,大壩距廠址公路里程約 11 km。廠址處沿成都至九寨溝旅游環(huán)線公路下行至平武縣城約 54km,廠址距綿陽市和成都市的公路里程分別為 221km和 317km。

工程區(qū)屬亞熱帶山地氣候,冬季寒冷干燥,夏季涼爽濕潤。氣溫垂直變化十分明顯。工程區(qū)多年平均氣溫為 7.6℃,極端最高、最低氣溫分別為29.5℃和 -16.5℃;多年平均年降水量為 692.7 mm;多年平均相對(duì)濕度為 73%。

水牛家電站為火溪河流域梯級(jí)開發(fā)的龍頭水庫電站,系混合式開發(fā),水牛家電站水庫正常蓄水位高程為 2270.00m,正常蓄水位高程以下庫容為 1.34億 m3,調(diào)節(jié)庫容 1.092億 m3,具有多年調(diào)節(jié)能力。電站安裝 2臺(tái) 35MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組,枯水年枯期平均出力 25.1MW,多年平均年發(fā)電量為 2.112億kW?h,其中枯期電量 0.987億 kW?h。水牛家工程的補(bǔ)償效益顯著,可增加下游自一里、木座兩個(gè)梯級(jí)多年平均年發(fā)電量 0.25億 kW?h,枯期電量 1.772億 kW?h(比單獨(dú)運(yùn)行時(shí)增加約 73.5%),可提高兩個(gè)梯級(jí)電站枯水年枯期平均出力 44.2MW,同時(shí)還可以增加陰坪水電站及涪江干流各梯級(jí)電站的電量和保證出力。

(1)首部樞紐:水牛家水電站大壩為碎石土心墻堆石壩,壩頂軸線長約 317m,壩頂高程為2274.00m,頂寬 10m,最大壩高為 108m,心墻頂高程為 2273.00m,頂寬 4m,大壩填筑總量約510萬m3?；A(chǔ)處理采用固結(jié)灌漿及灌注碎石振沖樁,壩基防滲為混凝土防滲墻和帷幕灌漿防滲等,混凝土防滲墻厚 1.2m,最大深度 29.2m(圖 2)。

導(dǎo)流洞及泄洪放空洞布置在右岸底部,包括引渠、圓形斷面有壓隧洞、閘門豎井和無壓隧洞等。閘門豎井內(nèi)設(shè)導(dǎo)流、放空及臨時(shí)導(dǎo)流閘門。

泄洪洞布置在壩肩右岸,進(jìn)口為開敞式寬頂堰,堰上設(shè)弧形閘門一道;泄洪隧洞包括平整段、轉(zhuǎn)彎段、陡槽段(明挖段)及出口反弧挑流鼻坎等。

(2)引水系統(tǒng):水牛家水電站引水隧洞全長9.530km。取水口包括進(jìn)口攔污柵閘、閘門豎井。

(3)廠區(qū)樞紐:廠區(qū)樞紐包括調(diào)壓室、壓力管道、地下發(fā)電廠房、廠房交通洞、通風(fēng)洞及出線洞、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、地面開關(guān)站等。

調(diào)壓井為地下埋藏式雙室調(diào)壓室,由上室交通洞、上室、下室及豎井組成。

壓力管道:壓力管道為地下埋管式,主管經(jīng)岔管分為兩根支管。

圖 1 火溪河梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃圖

圖 2 水牛家水電站大壩結(jié)構(gòu)圖

地下廠房:地下廠房包括主副廠房、安裝間等。

地面開關(guān)站位于火溪河右岸出線洞兼排風(fēng)洞出口處。

2 工程自然氣候特點(diǎn)

(1)高海拔、日溫差大、年平均氣溫低。

工程區(qū)屬亞熱帶山地氣候,冬季氣候寒冷干燥,夏季涼爽濕潤。由于區(qū)內(nèi)地形起伏變化大,氣溫的垂直變化十分明顯,氣溫隨地勢的增高而逐漸降低,年平均氣溫為 8.4℃,在海拔 5000m以上的山地終年積雪。

大壩工程區(qū)位于海拔 2100m以上,全年約有 2個(gè)月時(shí)間平均氣溫為負(fù)溫,晝夜溫差大,冬季凍土深度實(shí)測在 50cm以上。

(2)雨季、冬季時(shí)間長。

豐水期(5～10月),枯水期(11月 ～翌年 4月),11月 ～翌年 4月月均氣溫低于 5℃。全年冬季為 11月 ～翌年 4月,雨季為 5～10月?；旧隙具^了就進(jìn)入雨季,雨季完了就進(jìn)入冬季。冬季、雨季對(duì)土石壩心墻土料施工質(zhì)量影響極大。

(3)“V”型河谷,河道相對(duì)較陡。

兩岸支流發(fā)育,地形切割強(qiáng)烈,切深 1000～2000m。

3 工程地質(zhì)特點(diǎn)

(1)水牛家水電站位于由北側(cè)的文縣弧形構(gòu)造帶,西側(cè)的岷江斷裂、雪山斷裂、虎牙斷裂和南東側(cè)的北東向龍門山斷裂帶所圍限的楔形地塊西部,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜。本工程區(qū)屬地殼次穩(wěn)定區(qū),工程場地地震效應(yīng)屬于受外圍強(qiáng)震帶的影響波及區(qū)。根據(jù)四川省地震局工程地震研究所《平武涪江火溪河梯級(jí)電站工程場地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》,水牛家水電站 50年超越概率 10%的地震烈度為 7.8度,庫壩區(qū)地表基巖峰值加速度為 227cm/s2(0.227g),廠址區(qū)為 236cm/s2(0.236g);場地地震基本烈度均為Ⅷ度。

(2)2270m正常蓄水位高程時(shí)庫容約 1.34億 m3,具年調(diào)節(jié)性能。水庫蓄水后具有一定的淹沒損失。浸沒影響較小,需進(jìn)行蓄水初期的水文觀測。近壩庫邊坡及庫段邊坡穩(wěn)定性較差,需進(jìn)行安全監(jiān)測。庫區(qū)存在沿?cái)鄬悠扑閹B漏的可能性,應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。庫內(nèi)次級(jí)小斷層具有一定的活動(dòng)性,以粘滑為主并具一定的蠕滑,存在水庫誘發(fā)地震的地質(zhì)構(gòu)造條件,但次級(jí)斷層規(guī)模小,水庫誘發(fā)地震的可能性較小(一般不超過 5.0級(jí))。在庫區(qū)設(shè)有高精度誘發(fā)地震監(jiān)測網(wǎng)。

(3)大壩基礎(chǔ)為軟基建壩。河床覆蓋層的透水性、承載力有較大差異,存在壩基滲漏、滲透變形破壞和不均勻沉降變形問題。工程采用全斷面防滲墻進(jìn)行了防滲處理。對(duì)不均勻沉降變形問題工程采用灌注振沖碎石樁進(jìn)行工程處理。

兩岸壩肩均為條形山脊,巖體松弛、破碎,透水性為中等 ～強(qiáng),存在壩肩單薄山脊繞滲的可能性。工程采用兩岸壩肩和河床壩基防滲帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理,在運(yùn)行期加強(qiáng)了此段巖體下游的滲透性觀測。

(4)泄洪洞布置于右岸條形山體內(nèi),進(jìn)口閘室部位及泄洪引渠段均為強(qiáng)卸荷帶,巖體松弛變形,兩側(cè)邊坡工程地質(zhì)條件差,采取挖孔樁和錨索等支護(hù)措施,需加強(qiáng)運(yùn)行期監(jiān)測。

(5)放空(泄洪)洞進(jìn)口段為洪積與崩坡積混雜的塊碎石土,洞臉及側(cè)坡穩(wěn)定性差,覆蓋層成洞條件極差,采取了工程處理措施進(jìn)行處理:其后坡為 3#傾倒變形巖體,采用了削坡減載、2240m高程以下坡腳貼坡混凝土、2240m高程以上框格梁加錨索的邊坡支護(hù)處理,并在運(yùn)行期加強(qiáng)了明渠和進(jìn)口邊坡監(jiān)測。

(6)取水口表層為崩坡積覆蓋層,已開挖清除。調(diào)整后的進(jìn)口攔污柵和明洞基礎(chǔ)置于洪積碎礫石土上,已采取了混凝土置換等工程處理措施,需加強(qiáng)觀測。洞臉為巖質(zhì)邊坡,風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈,巖體破碎,兩側(cè)為覆蓋層,穩(wěn)定性差;采用混凝土擋墻、坡腳壓碴、對(duì)上部采用框格梁加錨索的支護(hù)處理措施,需加強(qiáng)邊坡變形和安全監(jiān)測(圖 3)。

圖 3 水牛家水電站大壩放空洞、泄洪洞、取水口三洞聯(lián)合邊坡示意圖

引水隧洞進(jìn)口段洞身和閘門井圍巖以Ⅴ類為主,均采用鋼筋混凝土襯砌,并進(jìn)行了回填和固結(jié)灌漿。洞身段圍巖以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類為主,Ⅲ類圍巖采取掛網(wǎng)噴錨支護(hù),Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌,并進(jìn)行回填和固結(jié)灌漿。

(7)水牛家電站壩址附近僅有硅質(zhì)巖可基本滿足堆石料的質(zhì)量要求。喬潘溝硅質(zhì)巖料場位于壩址上游 2km處,其質(zhì)量基本滿足設(shè)計(jì)要求;胡家磨下游一帶河床含漂砂卵礫石,其質(zhì)量基本滿足設(shè)計(jì)要求。喬潘溝硅質(zhì)巖料場棄碴量較大,應(yīng)重視棄碴料的堆放和防護(hù)并對(duì)開采料場的邊坡進(jìn)行有效的支護(hù)。

心墻防滲土料采用水牛家料場的碎礫石土料,有用層儲(chǔ)量可滿足工程需用量要求,質(zhì)量基本滿足有關(guān)規(guī)程要求,開采運(yùn)輸方便。

心墻堆石壩過渡料及反濾料采用位于壩址上游約 1km處的稿史瑙村河床砂卵礫石,篩選加工后使用。

高塑性粘土料和槽孔固壁土料料源在近距離內(nèi)缺乏。經(jīng)勘查選用平武縣城對(duì)岸的枕頭坪粘土料場,質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。槽孔固壁土料料源缺乏,由承包商自行采購。

4 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

水牛家工程在工程設(shè)計(jì)方面具有以下特點(diǎn):

(1)工程區(qū)地震烈度高、地質(zhì)構(gòu)造背景十分復(fù)雜。根據(jù) 1996年四川省地震局工程地震研究所《平武涪江火溪河梯級(jí)電站工程場地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》,本電站工程區(qū)地震基本烈度為 8度。按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》DL5073-2000第 1.0.5和 1.0.6條規(guī)定,并根據(jù)《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》DL5180-2003中的有關(guān)規(guī)定,本工程屬二等工程,擋水建筑物壩高大于 100m,建筑物級(jí)別提高一級(jí),但抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)維持 2級(jí)建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),攔河大壩工程抗震設(shè)防類別為乙類,設(shè)計(jì)烈度為 8度,其他水工建筑物抗震設(shè)計(jì)烈度亦為 8度。壩坡穩(wěn)定及應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算地震加速度值取 50年超越概率10%,為 227cm/s2。

(2)壩基河床覆蓋層最大厚度約 30m,層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分布不均一,對(duì)其第 2層采取灌注碎石振沖樁的措施以提高地基承載力、減小不均勻變形并加強(qiáng)地基土孔隙水消散。

(3)左、右岸壩肩及近壩庫岸分布傾倒變形巖體且穩(wěn)定性差,給壩軸線的選擇和防滲線設(shè)計(jì)造成較大難度。

(4)導(dǎo)流放空洞、泄洪洞及引水隧洞進(jìn)口邊坡卸荷裂隙發(fā)育,巖體松散且導(dǎo)流放空洞進(jìn)口邊坡傾倒變形體發(fā)育,邊坡處理難度大。

(5)引水隧洞洞線較長,遭遇的不良地質(zhì)問題較多,高強(qiáng)度施工作業(yè)難度較大。

(6)壓力管道水頭高,斜井段坡陡、斜長大,設(shè)計(jì)上采用鋼板混凝土結(jié)構(gòu),在復(fù)雜的工程、水文地質(zhì)條件下,施工難度很大。

(7)壩區(qū)附近巖性條件差,不易尋找質(zhì)量較好、儲(chǔ)量集中、運(yùn)距較近、開采條件較好的堆石料場,給施工帶來較大難度。

5 工程施工特點(diǎn)

(1)施工條件惡劣。

工程區(qū)復(fù)雜的自然氣候特點(diǎn)決定了施工條件惡劣。對(duì)土石壩和混凝土施工來說,冬季和雨季不利于工程的施工質(zhì)量和進(jìn)度。施工過程中進(jìn)行了大量的冬季、雨季施工試驗(yàn)研究,科學(xué)合理地解決了自然條件惡劣帶來的不利影響,在雨季、冬季進(jìn)行施工,保證了施工質(zhì)量和工程進(jìn)度。

(2)施工布置困難。

工程區(qū)復(fù)雜的工程地質(zhì)特征決定了施工條件復(fù)雜,坡陡、施工道路布置困難,無論是料場還是上壩道路布置難度大,需要進(jìn)行大量的開挖與回填。

(3)大壩施工料源變化大。

地質(zhì)條件復(fù)雜表現(xiàn)在施工過程中的料源變化大,石料場采用多種料源予以解決。

(4)施工中邊坡失穩(wěn)發(fā)生頻次高。

在施工過程中,多次發(fā)生山體開裂和位移、變形、滑坡。泄洪洞出口邊坡發(fā)生過罕見的、拋出100余 m的邊坡滑移,土、石料場邊坡均發(fā)生過大面積滑坡;在泄洪洞邊坡、左右岸邊坡都發(fā)生過開挖后邊坡出現(xiàn)大規(guī)模開裂變形現(xiàn)象;在左岸心墻邊坡開挖和豎井開挖過程中,邊坡均出現(xiàn)過明顯的滑移變形。

(5)施工強(qiáng)度高。

由于冬季、雨季時(shí)間長,在有效黃金施工期必須高強(qiáng)度施工,大壩施工的高峰強(qiáng)度達(dá)到了月 50萬 m3,上升 17m的記錄。

(6)施工質(zhì)量要求高。

面對(duì)惡劣的自然氣候條件和復(fù)雜的地質(zhì)條件,為保證工程質(zhì)量,施工過程中制定了更為嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和管理辦法。施工中進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,確定了科學(xué)合理的施工工藝,確保了工程施工質(zhì)量(圖 4)。

圖 4 水牛家水電站大壩填筑施工圖

6 施工技術(shù)管理特點(diǎn)

(1)依靠專家科學(xué)決策,大膽創(chuàng)新,破解了施工過程中的技術(shù)難題。

水牛家電站大壩工程是我國已建的、為數(shù)不多的百米高心墻土石壩之一,在四川同期在建的四座百米碎石土心墻高土石壩中,水牛家大壩工程總體建設(shè)進(jìn)度是最快的,速度不僅來源于科學(xué)合理的管理,還源于敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神和實(shí)事求是的工作態(tài)度。

在建設(shè)過程中,四川華能涪江公司多次邀請(qǐng)國內(nèi)著名的水利水電專家到現(xiàn)場咨詢關(guān)鍵技術(shù)問題,通過科學(xué)決策,保證了施工進(jìn)度,節(jié)約了大量投資。為保證關(guān)鍵工期不被延誤,百米高豎井在導(dǎo)流前暫不開挖的重大方案成功的實(shí)施,通過科學(xué)論證,大膽創(chuàng)新,突破了常規(guī)的施工方法;為解決堆石料缺乏而采用的砂石料綜合利用創(chuàng)新方案,取得了進(jìn)度、效益雙豐收。

(2)推廣應(yīng)用新技術(shù),確保了工程施工進(jìn)度與質(zhì)量。

在工程建設(shè)過程中,大力推廣和應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料,通過科技創(chuàng)新,保證了工程質(zhì)量、進(jìn)度和安全,同時(shí)取得了大量的技術(shù)創(chuàng)新成果。

在工程建設(shè)中使用了以下新材料:水下邊坡使用聚丙烯微纖維混凝土;排水洞使用 40m深排水孔 PVC排水管技術(shù);高強(qiáng)土工格柵抗震材料;1.0mm厚土工膜防滲材料;SR防滲止水片。

在工程建設(shè)中采用了以下新技術(shù):優(yōu)化壩體結(jié)構(gòu)和分區(qū),使用砂石料作為壩殼料筑壩材料,加快了工程進(jìn)度并節(jié)約了工程投資;在土石壩下游首次采用大孔無砂混凝土,解決了當(dāng)?shù)厥娜狈Φ碾y題,體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)保和美化環(huán)境的水利水電工程建設(shè)新理念。

在工程建設(shè)中應(yīng)用了以下新工藝:100m深豎井液壓滑模施工技術(shù)和 108m心墻基礎(chǔ)混凝土簡易滑模施工技術(shù)、冬季清水混凝土施工技術(shù);在河床 30m砂礫石灌漿、邊坡水平錨索傾倒變形體中應(yīng)用水平跟管、偏心跟管成孔技術(shù);自進(jìn)式中空注漿錨桿技術(shù)。

(3)大量實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新研究,科研成果產(chǎn)出多。

在施工過程中,進(jìn)行了筑壩材料的專題研究,冬季、雨季施工技術(shù)研究,土、石料施工工藝專題等大量的試驗(yàn)研究,取得的主要成果有:大壩砂石料綜合利用技術(shù)經(jīng)評(píng)審達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平并獲得中電聯(lián)科技進(jìn)步獎(jiǎng);碎石土施工質(zhì)量 QC小組獲得全國建筑業(yè)優(yōu)秀 QC小組稱號(hào);碎石土心墻施工工法和冬季清水混凝土施工工法被評(píng)為四川省省級(jí)工法;筑壩材料研究與應(yīng)用獲得全國電力系統(tǒng)優(yōu)秀科技成果獎(jiǎng)。

7 結(jié) 語

水牛家水電站于 2007年 5月 18日正式投產(chǎn),大壩完建一年多時(shí)間后經(jīng)受了 2008年“5.12”地震災(zāi)害考驗(yàn),大壩主體結(jié)構(gòu)完好,未見明顯異?，F(xiàn)象,未出現(xiàn)影響安全運(yùn)行的損壞。通過 3年多時(shí)間運(yùn)行表明大壩各項(xiàng)指標(biāo)正常,截至 2010年 2月,大壩累計(jì)最大沉降值達(dá) 0.609m,滿足土石壩規(guī)范要求,在設(shè)計(jì)允許最大沉降量 1m的范圍內(nèi)。

工程實(shí)踐表明,水牛家工程設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理,施工質(zhì)量滿足要求,工程運(yùn)行正常。