沙湾水电站枢纽设计

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  摘 要:沙湾水电站为引水式开发,本文介绍了电站的首部枢纽布置、引水系统和厂区枢纽布置及设计特点。
  关键词:沙湾水电站;设计;首部枢纽;引水系统;厂区枢纽
  中图分类号:TV73 文献标识码:A 文章编号:1004-7344(2018)20-0107-02
  1 工程概况
  木里沙湾电站位于四川省木里县境内的木里河上,电站采用引水式开发,除发电外尚需兼顾生态环境用水要求。电站安装4台单机容量60MW的立轴混流式水轮发电机组,总装机容量240MW,年发电量12.511億kW·h。闸址位于瓦郎沟沟口下游1.5km处,厂址位于沙湾大桥下游1.5km。闸、厂相距约20km。工程区有216省道与外界相通,距西昌市约400km,交通较为不便。
  木里河系雅砻江右岸的一级支流,发源于甘孜藏蔟自治州理塘县以北的沙鲁里山脉。根据木里县气象站(高程:2666.6m)1961~1990年资料统计,多年平均气温为11.5℃,极端最高气温34.1℃(1983年7月3日),极端最低气温为-10.6℃(1982年12月31日)。多年平均年降水量为839.9mm,多年平均年降雨天数为133.4d,最大一日降雨量59.9mm(1981年7月25日),多年平均年蒸发量1955.7mm(20cm蒸发皿观测值),多年平均相对湿度57%,最小相对湿度接近于0,多发生在春季。多年平均风速1.8m/s,最大积雪深度13.0cm。
  2 枢纽建筑物设计
  沙湾水电站枢纽工程由首部枢纽、引水系统、厂区枢纽等建筑物组成,为低闸引水式电站。
  2.1 首部枢纽布置
  闸址区覆盖层结构较为复杂,据钻孔揭示,河床覆盖层厚度为22~33m,按其物质组成,结构特征和成因类型,由老至新可分四层:
  第Ⅰ层冰水堆积:依其物质组成可分为2个亚层,即①-1漂卵(碎)石层,①-2砾石砂土层,主要残留于河床底部,埋深19~23m,厚3~12m,渗透性相对较弱。
  第Ⅱ层冲积堆积:含漂(块)砂卵(碎)砾石层,埋深9.5~13m,厚7~12m,结构较密实,渗透性强。
  第Ⅲ层冲积堆积:含砾石砂层在闸址区河床中连续分布,顶板埋深一般5~8m,厚度一般3~6m,局部厚达10m,以中细砂为主,含植物碎屑,结构松散。
  第Ⅳ层冲积堆积:卵砾石砂层分布于现代河床表层,厚5~8m,局部仅厚1.3m,结构松散,渗透性强。
  两岸基岩裸露,岸坡高陡,物理地质现象主要表现为卸荷与崩塌,据两岸勘探揭示,闸址区高程(2575m以下)右岸强卸荷带水平深7~12m,弱卸荷带水平深15~20m;左岸受小断层f2、f3的影响,岩体风化、卸荷较强,强卸荷带水平深达20~40m,弱卸带水平深达40~60m。
  首部枢纽建筑物从右到左由取水口、右岸连接坝段、1孔冲砂闸、3孔泄洪闸及左岸挡水坝组成。建筑物均建于覆盖层上,闸坝顶部高程为2574.00m,底板顶部高程2553.00m,建基面高程2549.50m,最大闸高24.50m,闸坝轴线长76.20m。正常蓄水位2572.00m,死水位2565.00m。河床覆盖层最大厚度约为33.00m,采用高压旋喷桩加固地基,基础防渗采用混凝土防渗墙结合帷幕灌浆防渗方案,防渗帷幕范围线深入基岩下1m。基础加固范围包括:右岸海曼边墙及右岸护坦边墙、闸室段、进水口段。
  混凝土防渗墙设计厚度为0.8m,因覆盖层厚度不大并且渗透性较强,采取封闭式防渗墙,防渗墙伸入基岩1.0m,防渗墙最大深度33m,底部最低高程约为2519.50m,顶部最高高程为2547.00~2553.00m。
  帷幕灌浆沿防渗墙中心线布置一排帷幕灌浆孔,防渗墙中心线上游1m布置第二排灌浆孔,间距2.0m,排距1m,孔深根据现场施工情况确定。
  左、右岸连接坝段均为混凝土重力坝,左岸连接坝段长为18.30m;右岸连接坝段长为19.90m。
  取水口采用胸墙式,胸墙底缘高程为2567.00m,置于河床右岸,为“侧向取水,正向泄洪排沙”布置型式。顺水流方向,取水口可分为拦污栅段,渐变收缩段和闸室段三段。拦污栅段的底坎高程为2556.00m,单孔孔口尺寸为8.00m×11.00m(宽×高)。进水闸底板高程为2551.50m,孔口尺寸为7.0m×7.0m(宽×高),闸室长度为7.00m,内设一扇平板工作闸门。进水闸后接有压引水隧洞,设计引用流量为124.08m3/s。
  进水口左侧设1孔冲沙闸,采用胸墙式,胸墙底缘高程位2563.00m,孔口尺寸为4.00m×10.00m(宽×高);主河槽设3孔泄洪闸,位于冲沙闸左侧,采用胸墙式,孔口尺寸6.00m×7.00m(宽×高),胸墙底缘高2560.00m。
  闸前布置10.00m长的混凝土铺盖,闸后接混凝土护坦,护坦全长为60.00m,护坦底板厚度为2.50m。两岸重力式边墙顶高程为2562.00m。护坦后设置柔性混凝土海漫,长25.00m,宽约44.00m。
  2.2 引水系统布置
  引水建筑物由进水口、有压引水隧洞、调压井、压力管道组成。
  引水隧洞布置在木里河右岸,隧洞穿越区山体浑厚,地质构造复杂,发育4条断层-圆宝山、尼都、机落、茶布朗断层,破碎带一般宽约20~40m,机落断层宽达100~200m,断层内为裂隙密集带、碎裂岩、糜棱角砾岩、石英、少量断层泥,可见层内错动带及板岩、千枚岩地层中揉皱发育。隧洞沿线地层为板岩夹变质石英砂岩、千枚岩或变质石英砂岩夹板岩、千枚岩及板岩夹千枚岩、砂岩,成洞条件较差。根据围岩条件,隧洞开挖支护阶段,采用锚喷、型钢拱架、大小管棚、超前锚杆等多种支护型式。
  隧洞全长18775.723m采用高压引水,纵坡i=5.1883‰,开挖尺寸为7.2~8.2m,衬砌后为圆形断面,其衬砌后半径为3.6m,Ⅲ类围岩混凝土衬砌厚度30cm;Ⅳ类围岩隧洞低压段衬砌厚度40cm;Ⅳ类围岩隧洞高压段衬砌厚度50cm;Ⅴ类围岩衬砌厚度80cm。根据施工布置,洞线平面上共设7个转点,转弯半径均为30m,引水隧洞共设置8条施工支洞,为便于隧洞检修及清理,在1#、3#、5#、7#施工支洞设置永久检修门,对0#、2#、4#、6#施工支洞进行永久封堵。   调压井为开敞式,钢筋混凝土圆形断面。井身开挖直径16.50m,混凝土衬砌厚1.20m,井高140.00m;连接管开挖直径5.20m,混凝土衬砌厚0.60m,井高50.50m。调压井最高涌浪水位2313.10m,最高静水位2572.00m,最低涌浪水位2507.42m。
  根据调压井和地面厂房的布置,压力管道为双管埋藏式,在调压井后分为二条主管,在每条压力主管道末端分别设置一个对称“Y”形月牙肋岔管分为两条支管向二台机组供水。压力管道由上平段、斜井段、下平段、蝶阀室及其交通洞组成。压力管道上平段长83.43m,中心高程2477.6m,纵坡ⅰ=0;斜段长约192.00m(含上、下弯管段),考虑施工方便,斜井倾角为60°;下平段两条主管分别为208.56m和218.86m,中心高程2309m,纵坡ⅰ=0;压力管道主管转弯半径均为15.0m,主管内径4.20m,开挖直径5.40m,两条主管长度分别为500.77m和511.07m。管道全线采用WDB620高强钢板衬砌,衬砌外回填混凝土。在上平段设置事故检修蝶阀室。支管直径2.80m,最长支管长约28.79m,为适应地基不均匀沉陷,在主管分岔管前及支管进厂前分别设有波纹管,波纹管外部设发泡材料。
  2.3 厂区枢纽布置
  厂址位于沙湾大桥下游1.5km的Ⅰ级阶地上,阶地后缘为50~70°的陡坡。覆盖层厚度为37~43m,按其物质组成,结构特征和成因类型,至下而上可分四层:第Ⅰ层为冲积堆积含漂卵(碎)砾石层,第Ⅱ层为堰塞堆积粉(砂)土层,第Ⅲ层冲积堆积含砂卵(碎)砾石层,第Ⅳ层(碎)砾石土层。
  厂房枢纽建筑物由主厂房、副厂房、GIS楼、尾水渠等组成。主机间与安装间平行于河流呈“一”字型布置。安装间布置于主机间下游侧,GIS楼布置于主机间后侧,副厂房布置于安装间后侧,尾水布置在主机间正前方与木里河斜接。如图1厂房枢纽平面布置图。
  主机间长63.5m,宽21.0m,高22.50m,共安装四台60MW立轴混流式水轮发电机组,机组间距14m,两机一缝。机组安装高程2309.0m,主机间建基面高程2298.11m,主机间从上至下共分四层布置:发电机高程2320.45m,布置有机旁盘、励磁柜和吊物孔等。电气夹层高程2315.7m,发电机从上游侧出线,引至高压开关柜,该层主要布置调速器及吊物孔。水轮机层高程2311.7m,布置有油压装置、调速器及吊物孔等。蝶阀层高程2305.5m,布置有蝶阀及检修排水泵。厂内安装一台200t/50t跨度17m的桥式起重机,轨道高程2331.13m。
  安装间长22.02m,宽21.0m,高22.50m,共分上下两层布置,上层为安装场,供机组安装和检修。上层楼板高程和发电机层同高,为2320.45,进厂大门设在安装间中部。下层为空压机层,空压机层地面高程和电气夹层同高。布置有空压机室、透平油库室、转子支墩、油处理室和烘箱室等。
  GIS楼在主机间后侧,长69.5m,宽11m,由電缆夹层、主变层、GIS层、通风等组成。建筑结构为钢筋混凝土框架结构,框架抗震等级二级,抗震设防烈度为Ⅶ度,使用年限为50年,混凝土强度等级C30。±0.00以上建筑总高度23.8m,建筑总面积2580m2,每层面积860m2。其中主变层与主机间地面同高,GIS层高程为2332.00m,屋面为220kV出线场,高程为2343.00m,各层间通过设于GIS楼一端的楼梯和副厂房一端的楼梯上下联系。
  副厂房布置于安装间后侧与GIS楼呈“一”字型,四层现浇钢筋混凝土框架结构,每层面积216.6m2,总建筑面积891.1m2,地面高度17.2m,使用年限为50年。地面绝对标高为2320.5m,基础为笩板基础。建基面高程2312.50m,地下层为电缆夹层及工具间高程为2315.0m,第一层为低压配电屏室,高程为2320.45m和安装间同高。第二层为通讯层(包括办公室、会议室、值班室、通讯电源室、电气试验室和通讯室),高程为2324.80m,第三层为电缆夹层和蓄电池室,高程为2328.8m,第四层为中控室,高程为2332.00m,与GIS楼GIS层同高。
  厂房后坡处理:坡面多处可见危岩分布,可能影响下部厂房的正常运行,首先对后坡危石进行清撬,并在陡岩上部设置一道SNS柔性被动防护网,对山顶上部可能下滚的危石进行拦截,对厂区岩石边坡采用?准28,L=6m的锚杆,¢8@20×20钢筋网片,喷C20,δ=12cm,间排距2m×2m的系统锚杆进行浅层支护。对于覆盖层边坡采用L=60m,1200kN预应力锚索进行深部支护,为增强边坡整体稳定性,锚索间设置框格梁。框格梁节点均设R51N,@300×300cm,L=5m自钻式中空注浆锚杆。另外在厂房开挖边坡开挖线以外范围设置一道截水沟,防止暴雨冲刷边坡,同时减少雨水进入厂区,在沿厂房地坪高程上设置排水沟,将厂区散水引入下游排至河中。
  厂区基础处理:为解决厂房地基承载力不足问题,在主机间基础,尾水挡墙基础采用高压旋喷桩加固地基,旋喷桩直径1.20m,间距2.5m,梅花形布置。
  3 主要设计特点
  (1)木里河为典型高山峡谷地貌,山区多泥沙河流,为解决好引水、防沙问题,该工程设计借鉴了国内已建类似工程经验,采用“侧向取水,正向泄洪排沙”,组成“导、截、排”多道防线的结构布置。
  (2)首部枢纽利用水库沉沙解决工程泥沙问题,设置了冲沙闸、拦沙坎等必要的引水防沙设施。
  (3)由于受地形地质条件的限制,为提高地基承载能力和满足变形要求,首部枢纽、厂房枢纽基础采用了高压旋喷桩加固地基,局部基础采用了置换方式。
  (4)首部枢纽基础防渗采用混凝土防渗墙结合帷幕灌浆防渗施工方案。
  (5)因工程区地质条件原因,岩石属软岩,隧洞开挖支护阶段采取了型钢、钢钎维、超前锚杆、膨胀式锚杆、大小管棚、塌方体空腔回填混凝土等多种支护型式。
  (6)厂房后缘边坡采用了SNS柔性被动防护网和锚杆、锚索、自钻式中空锚杆、框格梁等加固处理。
  (7)为适应地基不均匀沉陷,在主管分岔管前及支管进厂前分别设有波纹管,波纹管外部设发泡材料。
  主要文献
  [1]《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99).
  [2]《水工建筑物》(中国水利水电出版社).2004.
  收稿日期:2018-6-12
  作者简介:湛建华(1972-),男,四川广汉人,工程师,大学本科,从事水利水电施工管理工作。
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