向家坝水电站工程总体布置.pdf

向家坝水电站工程总体布置冯 树 荣( 中南勘测设计研究院, 长沙,410014)关键词 工程总体布置 泄洪排沙 地下厂房 向家坝水电站 摘 要 向家坝水电站工程总体布置在预可研阶段为两岸坝后厂房方案经过进一步工作, 结合坝轴线调整, 可研阶段的工程总体布置采用混凝土重力坝、表、中孔联合泄洪、底流消能、左岸垂直升船机、左岸坝后厂房和右岸地下厂房方案该方案解决了发电、泄洪、排沙、通航、灌溉等综合利用要求, 充分利用了有利的地形地质条件, 建筑物地基完全避开了T33含煤岩组, 大大降低了开挖边坡高度, 减小了工程难度和工程量, 缩短了首批机组发电工期, 经济效益显著枢纽中的泄洪排沙建筑物在汛期排沙限制水位下泄洪水标准可达 20 年一遇, 排沙能力大, 右岸地下厂房成洞条件好, 布置有利于围岩稳定向家坝水电站以发电为主, 同时改善通航条件,兼顾灌溉, 结合防洪、拦沙和漂木该电站是金沙江水电基地西电东送骨干电源点中输电距离最近、 综合利用效益显著、工期最短、投资最小、施工条件最好的巨型电站坝区地震基本烈度为 7 度坝址地层出露主要为三迭系上统须家河组的砂岩、泥岩含煤地层河床坝基主要以T23亚组厚至巨厚层、 细至中粗粒砂岩为主, 泥岩等软岩含量少, 厚度薄, 且分布不稳定,局部尖灭, 两岸出露有含薄煤层和煤层采空区的T33亚组。

河床坝基的岩体综合单轴饱和抗压强度为60 MPa～80 MPa坝址位于立煤湾背斜的南东倾伏段,背斜轴向为 310° ～335° , 在河床右侧坝基通 过坝址无规模大的断层通过, 与背斜相伴生的 F3断层, 其破碎带水平出露宽度仅 3 m～6 m 断裂构造以局部应力集中产生的高倾角小断层为主,并伴有层间剪碎带, 其规模都不大 河床覆盖层较薄, 厚度一般为 10 m～15 m 右岸坝前山体雄厚, 边坡走 向约290° , 临江坡高约 290 m～240 m, 自然坡度约40° ; 岩层产状一般为 60° ～80° / SE∠15° ～20° , 其中较好的T23亚组以厚至巨厚中细砂岩为主, 岩石强度高, 完整性好, 适宜布置地下厂房向家坝水电站装机容量 6 000 MW,坝高 161m, 设计洪水标准为500 年一遇( Q= 41 200 m3/ s) ,校核洪水标准为 5 000 年一遇 ( Q= 49 800 m3/ s) 工程总体布置方案研究分为坝址比较、坝轴线比较及工程总体布置比较 3 个阶段1 预可研阶段工程总体布置方案根据发电、通航、防洪等综合利用要求, 向家坝水电站枢纽主要由挡水建筑物、泄洪排沙建筑 物、发电厂房、通航建筑物和灌溉取水口等组成。

在预可研阶段,经坝址方案研究比较,在7. 5km 长的河段内选择了河谷宽、覆盖浅、边坡相对 低缓、施工条件方便、工程总体布置灵活、首台机组发电工期短的Ⅶ坝址基于坝址洪水泄量大,机组台数多, 又有通航要求的特点,加上两岸地形又无天然哑口可供泄洪,挡水建筑物不宜采用土石坝,而选择了混凝土重力坝根据右岸地形条件,预可研阶段工程总体布置方案的坝轴线在右岸向上游转折了 60° , 枢纽建筑物采用一列式布置 10孔开敞式溢洪道布置在河床 中部, 采用底流消能; 单机容量 600 MW 的 10 台机组对称布置在溢洪道两侧坝后; 根据河流走势及地形条件,通航建筑物布置于左岸,采用一级垂直升船机方案灌溉取水口布置于两岸非溢流坝段内预可研阶段的导流方案采用三期导流、施工期围堰挡水发电的方案, 首台机组发电工期 9 年,总工期 13 年1996 年 5 月预可研审查会议基本同意上述方案, 并指出, 在下阶段结合导流方案及坝轴线调整,对工程总体布置进行深入的研究比较,以降低边坡收稿日期: 1998-01-16131998年第 2 期 水 力 发 电高度及两岸坝肩处理难度, 减少工程量, 缩短工期, 降低造价。

2 结合坝轴线比较时工程总体布置研究鉴于预可研阶段工作深度的局限性,其工程总体布置方案有 3个问题需进一步研究:( 1) T3 3岩组是坝址基岩中相对软弱的一个亚组, 且有 7层煤层被部分采空及有多层层间破碎夹 层, 两岸座落在 T33岩组上的最大坝高达 127 m 2) 由于枢纽采用一列式布置,而河床相对较窄, 开挖边坡高达 200 m ( 3) 施工采用三期导流, 导流程序复杂,右岸坝后厂房施工受三期导流严重制约,施工工期长针对上述问题, 在工程总体布置研究时,结合坝轴线的选择, 将坝轴线在预可研所选的位置向上 游移了 150 m,并利用右岸有利的地形地质条件,布置地下厂房工程总体布置格局为: 泄水坝段布置在河床中部, 左侧布置 4 台单机容量 750 MW 机组的坝后厂房, 右岸布置 5 台单机容量 600 MW 机 组的地下厂房; 通航建筑物仍采用一级垂直升船机, 布置在左岸;灌溉取水口布置在两岸坝肩由于河床内仅布置了一半厂房, 故其他建筑物布置就 相对宽松, 升船机可以适当右移下河, 减少了左岸边坡开挖高度右岸厂房改为地下厂房,减少了右岸的开挖量同时, 两坝肩均向上游拐弯, 坝基可以避开 T33岩组而置于较好的 T23岩组上。

更为有利的是由于坝轴线上移,可以利用左岸沙滩布置一期围堰,导流改为先围左岸的二期导流方案, 利用地下厂房提前发电3 工程总体布置比较3. 1 总体布置原则通过坝址及坝轴线选择时对工程总体布置的研 究, 在确定工程总体布置方案时, 主要设计思路为:在满足泄洪消能及航运安全的前提下, 重点放在缩短工期、降低投资、提高经济效益工程总体布置 时考虑的主要原则为:( 1) 坝基及地下洞室应尽量置于 T23岩组上,避开T33岩组 2) 重点布置好泄洪排沙建筑物, 使下泄水流顺畅地进入下游主河道 ( 3) 减少泥沙淤积, 保持进水口及引航道门前清 4) 考虑施工导流的需要,为缩短首批机组发电工期、总工期及减少工程造价创造条件 5) 尽可能避免或降低人工高边坡 ( 6) 考虑省际界河社会条件3. 2 地形地质条件分析从选定坝址区工程地形地质条件分析看出: ( 1) 以坝址河势看,溢洪道最好居中、偏左这样就不宜将所有厂房布置在左岸坝后, 否则溢洪道势必靠右岸,泄洪时水流不顺畅, 水流条件差 2) 左岸 T33含煤岩组出露高程较低,地质条件差, 不具备布置地下厂房或引水式地面厂房的地质条件 3) 经初步调保分析, 右岸引水式地面厂房必 须设置大型上游调压井。

由于地面高程偏低, 调压井露出地面高度较大, 结构复杂,同时由于布置所限, 调压井处于T33岩组内, 对其压缩变形、不均匀沉陷和洞室边墙稳定都有较大影响, 故右岸不宜布 置引水式地面厂房 4) 由于机组单机容量达 750 MW,若将厂房全部布置于右岸地下, 则厂房长度达450 m, 且调压井的规模巨大, 不可避免地要碰到T33岩组, 对围岩稳定及施工条件均不利,故也不宜将厂房全部布置在右岸地下 5) 根据地形及河势, 通航建筑物不宜布置在 右岸3. 3 总体布置方案根据上述布置条件的分析,为满足枢纽泄洪、排沙、发电、通航、灌溉等综合利用的要求, 比较 适合向家坝工程坝址自然条件的工程总体布置方案主要有以下 4个, 即: 左岸坝后厂房右岸地下厂房方案; 右岸坝后厂房右岸地下厂房方案; 两岸坝后 厂房方案; 全右岸坝后厂房方案上述 4 个方案可划分为两大类,一类即部分地下厂房方案,一类为全坝后厂房方案各方案的泄水建筑物及通航建筑物均相同通过对泄洪消能方案进行深入的工作, 将溢流前缘宽度进一步缩短,使得各方案均采用相同的先围左岸的二期导流方案, 各方案的差异在于厂房的型式及位置不同 通过对上述 4 个方案进行深入的工作及比较,最终工程总体布置方案推荐左岸坝后厂房、右岸地下厂房方案。

即与坝轴线选择时的工程总体布置格局一致坝顶高程为 383. 00 m,最大坝高 161 m, 坝顶长度897. 5 m 泄水建筑物布置在河床中间, 左侧布置坝后厂房 ( 4×750 MW) , 右岸布置地下厂房( 4×750 MW) , 一级垂直升船机布置在坝后厂房左侧,灌溉取水口布置在两岸坝肩导流方案采用先 围左岸的二期导流方案,利用地下厂房提前发电14水 力 发 电 1998 年第 2 期首批机组发电工期为 7 年,总工期为 9. 5 年工程 总体布置图参见同期的 《 建设向家坝,开发金沙江》一文中的插图枢纽上游展视见下图上游沿坝轴线展示图推荐的工程总体布置方案主要优点为: ( 1) 随着坝线上移,两岸 T33岩组的出露高程上抬,坝轴线在两岸以 54° 的夹角向上游转折, 使得坝基可完全避开 T3 3岩组而座落于岩性为巨厚至厚层砂岩的 T23岩组内, 使坝基处理工作得到简化 2) 利用右岸有利的地形地质条件布置地下厂 房, 河床内只有一座坝后厂房,布置较为宽松, 使得两岸的开挖边坡高度可控制在 100 m 左右, 大大减小了开挖工程量同时由于坝轴线上移, 河床变 窄, 减少了坝体工程量。

3) 地下厂房施工不受导流程序的控制,开工后可常年施工只要坝体具备初期蓄水条件,地下厂房即可发电即推荐的工程总体布置方案具备提 前发电和缩短总工期的条件与两岸坝后厂房方案相比,首批机组发电工期及总工期均可提前,其经济效益十分显著 4) 工程总体布置方案中,一半厂房为地下厂 房, 河床中各建筑物的布置较为宽松, 有利于下阶段工程总体布置的局部调整和优化,且为今后扩大装机预留了极为有利的余地 ( 5) 厂房分为两岸布置, 可均衡两省地方利益4 泄洪排沙建筑物的布置4. 1 布置的主要原则 泄洪排沙建筑物的布置关系到枢纽安全和正常运用向家坝水电站的洪水特点是峰高量大多泥沙, 且泥沙来量的 80% 集中在 7 月～9 月的汛期, 在进行泄洪排沙建筑物布置时考虑的主要原则是:( 1) 有足够的泄洪能力, 满足泄洪要求 2) 使下泄水流顺畅地进入下游主河道,减小泄洪对发电和航运的影响,避免对两岸岸坡的严重 冲刷 3) 采用排混蓄清及时排走入库泥沙, 保持有效库容, 在汛期排沙限制水位 367 m 时, 下泄 20 年一遇洪水不超高, 保持电站进水口和升船机引航道 的门前清根据上述布置原则和工程特点, 确定采用中、 表孔联合泄洪。

在中、 小流量时, 优先启用中孔泄洪, 使泄洪主流归槽条件好,有利于排沙,在大流量时启用表孔 泄洪排沙建筑物布置为: 7 孔中孔布置于厂房右侧, 孔口尺寸为 7 m×11 m ( 宽×高) , 孔底高程为 305. 00 m; 5 孔表孔布置于中孔右侧, 堰顶 高程为 354. 00 m, 孔口尺寸为 19 m×26 m ( 宽×高) ; 泄洪建筑物最大下泄流量 48 680 m3/ s 为了解决泄洪对周围环境的影响, 表孔均采用底流消能 升船机引航道的门前清由设在其左侧的排沙孔承担4. 2 布置的主要特点泄洪排沙建筑物布置的主要特点为: ( 1) 在汛期排沙限制水位 367 m 时, 下泄流量标准可从原预可研阶段的 5 年一遇提高到 20 年一遇;仅中孔加电站就可在汛限水位下泄 5 年一遇的洪水, 这样十分有利于排沙及水流归槽 ( 2) 表孔堰顶高程低于汛限水位 13 m, 在汛限水位下泄量较大, 利于排沙;中孔进口高程低于厂房进水口 35 m,坝后厂房的门前清由中孔来承担5 右岸地下厂房布置右岸地下厂房布置是构成向家坝工程总体布置总格局的关键右岸山体地形雄厚, 洞室围岩主要 为巨厚层细至中细砂岩,岩石单轴饱和抗压强度为69. 8 MPa～141. 0 MPa, RQD 值大于90%, 岩体纵波速度大于 4 500 m/ s, 绝大部分为Ⅰ、Ⅱ类围岩, 具有良好的成洞条件。

选定的地下厂房轴线方位角为 20° , 与岩层走向夹角为 40° ～60° , 主厂房洞室尺寸为 255 m×31 mm×87. 45 m ( 长×宽×高) , 引水系统采用单机单管, 管径。