拉西瓦水電站反拱壩水墊塘消能效果分析

拉西瓦水電站反拱壩水墊塘消能效果分析

1水墊塘至河道消能防沖建筑物拉西瓦水庫(kù)指揮樓由混凝土雙拱水庫(kù)、水庫(kù)旁通道建筑物、水庫(kù)后消能防沖建筑物和右岸地下旁通道發(fā)電系統(tǒng)組成。大壩及泄洪建筑物按1000年一遇洪水設(shè)計(jì)、5000年一遇洪水校核,設(shè)計(jì)泄流量4250m3/s,校核泄流量6310m3/s,總泄洪功率12984MW。泄洪建筑物位于壩身,由3個(gè)表孔、2個(gè)深孔、1個(gè)永久底孔和1個(gè)臨時(shí)底孔組成。表孔堰頂高程2442.50m,孔口尺寸13.0m×9.5m;深孔進(jìn)口底坎高程2371.80m,出口尺寸5.5m×6.0m;永久和臨時(shí)底孔進(jìn)口底坎高程2320.00m,出口尺寸4.0m×6.0m。各孔出流以不同挑角分散射入水墊塘。消能防沖建筑物設(shè)于壩后,由反拱水墊塘、二道壩、護(hù)坦及護(hù)岸等組成,其中水墊塘和二道壩為消能防沖Ⅰ級(jí)建筑物,按1000年一遇洪水設(shè)計(jì)、2000年一遇洪水校核,相應(yīng)流量分別為4180m3/s和6280m3/s,與大壩的設(shè)計(jì)和校核泄洪流量基本相同。自大壩下游面算起,消能防沖建筑物總長(zhǎng)403.2m。在水墊塘范圍內(nèi),前300m河道順直,方位約NE75°~85°,后接轉(zhuǎn)彎段,方位約NE55°~70°,河道坡降0.9%~1%;平水期水面寬45~55m,水流湍急,主河道偏左岸。該段河谷狹窄,岸坡陡峻,兩岸地形基本對(duì)稱(chēng),兩岸在2400m高程以下平均坡度為60°~65°,以上平均坡度為40°~45°,谷底至坡頂高差約700m,屬典型的“V”形河谷。水墊塘兩岸邊坡巖體整體穩(wěn)定,但表部松動(dòng)、卸荷情況嚴(yán)重,2400m高程以下卸荷深度一般為10~15m,以上為20~30m。兩岸卸荷拉裂現(xiàn)象嚴(yán)重,局部地段屬?gòu)?qiáng)卸荷帶,原始卸荷拉裂縫寬達(dá)30~40cm,并在施工期不斷松動(dòng)張寬。坡面多危石、浮石、活石、空腔及倒懸體,施工中常有掉塊及塌方情況發(fā)生。河床部位水力侵蝕劇烈,基巖風(fēng)化微弱;微風(fēng)化巖體埋藏較淺,頂板高程縱向與河谷地形走勢(shì)基本吻合,一般在2215m高程以上,橫向呈下凹弧形。河床內(nèi)出露斷層約10條,最大破碎帶寬0.3~0.7m,中陡傾角及緩傾角裂隙發(fā)育。水墊塘至二道壩地處高地應(yīng)力場(chǎng)區(qū),鉆孔中見(jiàn)有巖餅,出現(xiàn)在2222.5m高程,在水墊塘底板和二道壩基礎(chǔ)開(kāi)挖高程以上。河床及兩岸坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,最大主應(yīng)力達(dá)33MPa以上,最大剪應(yīng)力7.33MPa,開(kāi)挖中表層巖體卸荷松動(dòng),但抬動(dòng)不明顯。2第一個(gè)多孔防沖建筑物的配置2.1最大凈長(zhǎng)及最大凈長(zhǎng)2005年8月壩后水墊塘工程招標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí),原水墊塘直接起自壩址,起點(diǎn)樁號(hào)約為壩下0+020.20,終點(diǎn)樁號(hào)0+240.00,最大凈長(zhǎng)約219.80m。水墊塘中心線(xiàn)方位NE84.1956°,并相對(duì)泄洪中心線(xiàn)偏右2m,反拱底寬(弦長(zhǎng))72.0m,中心角73.74°,反拱混凝土底板厚3.0m和4.0m,反拱頂面最低高程2215.00m,拱座長(zhǎng)3.36~4.12m,開(kāi)挖高程2224.60~2223.80m,反拱段和拱座段開(kāi)挖總寬約84.00m。2.2地下通道布置(1)水墊塘內(nèi)排水廊道及排水盲溝。水墊塘反拱底板下設(shè)7.5條橫向廊道,其中排水廊道7條,集水廊道0.5條,排水廊道底板下設(shè)排水孔。水墊塘反拱底板下設(shè)左、中、右3條縱向排水廊道,并與二道壩內(nèi)的排水廊道相通。其中左、右縱向排水廊道布置在底板兩端,內(nèi)設(shè)2排排水孔,并與拱壩內(nèi)的排水廊道相連;中央縱向排水廊道下設(shè)1排排水孔。3條縱向排水廊道的最低點(diǎn)設(shè)在水墊塘中部附近,水墊塘及二道壩的滲水經(jīng)該處的集水廊道匯入抽水泵房下的集水井,由水泵抽排至二道壩下。水墊塘縱、橫縫的基礎(chǔ)面部位均設(shè)塑料排水盲溝。(2)二道壩壩內(nèi)排水廊道。二道壩內(nèi)設(shè)2條縱向廊道,底板設(shè)排水孔,用以排除二道壩壩后滲水,滲水反向流入水墊塘內(nèi)的中央縱向排水廊道后匯入抽水泵房下的集水井。由此在水墊塘和二道壩周邊形成了以水墊塘最上游的橫向排水廊道為上線(xiàn),二道壩壩內(nèi)排水廊道為下線(xiàn),水墊塘內(nèi)左、右排水廊道為邊線(xiàn)及排水孔幕組成的封閉排水網(wǎng)絡(luò)。該排水網(wǎng)絡(luò)與拱壩內(nèi)的排水廊道相通,形成大壩—水墊塘—二道壩統(tǒng)一的封閉排水系統(tǒng)。2.3抽水泵房設(shè)計(jì)原抽水泵房布置在距二道壩壩頭約50m的右岸山體內(nèi),泵房軸線(xiàn)與二道壩軸線(xiàn)近于垂直,內(nèi)設(shè)3臺(tái)水泵,以高約60m的泵管豎井與集水井相連。集水井與位于水墊塘中部的集水廊道相連,使水墊塘和二道壩內(nèi)的滲水匯入集水井內(nèi)。抽水泵房?jī)?nèi)設(shè)3條廊道:(1)泵房交通廊道,將泵房與右岸低線(xiàn)過(guò)壩交通洞相連,滿(mǎn)足交通和通風(fēng)需要;(2)岸坡斜廊道,將抽水泵房與二道壩壩內(nèi)的下游交通兼排水廊道相連;(3)出水管廊道,將水泵抽出的滲水引排至二道壩下。2.4高地應(yīng)力引起底板破壞水墊塘位于高地應(yīng)力區(qū),為適應(yīng)地應(yīng)力的分布,減少開(kāi)挖基巖面的卸荷松動(dòng),反拱基巖面的開(kāi)挖最好平順無(wú)突變。但基巖表面存在的10.5條縱、橫向交叉的廊道凹槽不僅加大了開(kāi)挖難度,更嚴(yán)重的是在反拱基巖面出現(xiàn)眾多的凹槽突變帶,形成大量的應(yīng)力集中區(qū),加劇了表層基巖的卸荷松動(dòng)。且由于水墊塘內(nèi)基巖緩傾角及中陡傾角裂隙發(fā)育,反拱開(kāi)挖體形難以保證,對(duì)底板受力不利。另外,底板下眾多廊道的設(shè)置,不利于泄洪時(shí)底板的穩(wěn)定。泄洪時(shí)的沖擊動(dòng)水壓力或脈動(dòng)上舉力是導(dǎo)致底板破壞的主要原因。眾多廊道槽的存在,加劇了高地應(yīng)力引起的基巖卸荷變形,減少了底板與基巖的結(jié)合面積,特別是位于動(dòng)水壓力最大作用區(qū)的縱、橫廊道十字交叉和丁字交叉處,廊道密集、距離近、成形差,由于廊道空腔效應(yīng)和無(wú)蓋重固結(jié)灌漿的效果受限,底板在高水頭動(dòng)水沖擊作用下,很可能被掀起和破壞。而一旦廊道頂部有底板被掀起,脈沖水流會(huì)急劇涌入廊道,眾多的板下廊道就成了傳送動(dòng)水沖擊壓力的“導(dǎo)爆索”,引起廊道頂板的大規(guī)模破壞,增加了底板的破壞幾率。涌水如果灌入拱壩內(nèi)的排水廊道及左、右岸低線(xiàn)交通洞,后果嚴(yán)重。3消能防沖建筑物的排水和引水系統(tǒng)的優(yōu)化配置3.1壩下消能防沖建筑物設(shè)計(jì)確定由于目前國(guó)內(nèi)對(duì)反拱水墊塘的設(shè)計(jì)無(wú)明確規(guī)定,缺少?lài)?guó)內(nèi)外同類(lèi)工程的有關(guān)資料,設(shè)計(jì)難度較大。西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“西北院”)、科研單位及有關(guān)院校對(duì)此進(jìn)行了深入的科研試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。拉西瓦建設(shè)分公司和設(shè)計(jì)監(jiān)理部專(zhuān)家組也提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。經(jīng)各方共同努力,優(yōu)化了壩下消能防沖建筑物的結(jié)構(gòu)及排水、抽水系統(tǒng)布置,最終確定了壩后消能防沖建筑物的設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后,水墊塘反拱底寬(弦長(zhǎng))62.0m,中心角61.647°,反拱混凝土底板厚2.5m及3.0m(水舌沖擊區(qū)),反拱頂面最低高程2214.50m,兩岸拱座長(zhǎng)6.46~6.72m,開(kāi)挖高程2220.00m,反拱段和拱座段開(kāi)挖總寬78.00m。拱座邊墻直立開(kāi)挖,其上進(jìn)行約1.5~2.0m厚的混凝土護(hù)坡,坡度1∶0.3~1∶0.6,護(hù)坡頂高程2265.00m。3.2內(nèi)耳水池的垂直和水平走廊的優(yōu)化配置3.2.1壩后橫向排水廊道的取消水墊塘內(nèi)橫向排水廊道的主要作用是降低反拱底板下的揚(yáng)壓力,滿(mǎn)足底板穩(wěn)定要求。設(shè)計(jì)假定的底板揚(yáng)壓力是以水墊塘上游第一道橫向排水廊道和二道壩內(nèi)下游交通兼排水廊道的揚(yáng)壓力水頭為控制水頭,中間按直線(xiàn)連接分布。在水墊塘周邊已形成封閉排水網(wǎng)絡(luò)的情況下,塘內(nèi)其他橫向排水廊道的作用不大。為此,設(shè)計(jì)監(jiān)理部專(zhuān)家組建議取消水墊塘內(nèi)的全部橫向排水廊道(7條),將塘內(nèi)的第一道橫向排水廊道移到塘外,設(shè)在壩后(以下稱(chēng)“壩外排水廊道”),位于樁號(hào)壩下0+052.00處,并在底板設(shè)排水孔。壩外排水廊道的排水孔幕是攔截壩基滲水的重要設(shè)施,使水墊塘底板的揚(yáng)壓力在塘前就得以迅速降低,增加了反拱底板的排水降壓保護(hù)范圍,在其后進(jìn)行的“壩后水墊塘區(qū)三維滲流分析研究”中,證明了壩外排水廊道的作用尤為顯著。專(zhuān)家組還建議將原位于水墊塘中部的集水廊道(0.5條)改設(shè)在二道壩內(nèi)。由此,塘內(nèi)7.5條橫向廊道全部取消,不僅減輕了開(kāi)挖、卸荷對(duì)反拱形基巖面的破壞影響,有利于發(fā)揮反拱底板的拱作用,增強(qiáng)泄水工況下的底板穩(wěn)定性,而且使集水廊道開(kāi)挖洞長(zhǎng)減少了100多m,加快了施工進(jìn)度,節(jié)省了工程費(fèi)用。優(yōu)化設(shè)計(jì)中,西北院修改了排水盲溝的布置,取消了板下的全部縱向排水盲溝,施工設(shè)計(jì)中將橫向排水盲溝間距改為4.73m。3.2.2反拱底板防護(hù)安全技術(shù)原水墊塘底板下設(shè)3條縱向排水廊道,其左、右縱向排水廊道位于拱端處,為盡量減少水墊塘底板下的孔洞數(shù)量,并考慮拱端受力較大,混凝土較薄,西北院優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),取消了板下左、右縱向排水廊道,改設(shè)在左、右拱座處(即左、右拱座縱向排水廊道),拱座開(kāi)挖高程2220.00m,下設(shè)排水孔。根據(jù)天津大學(xué)反拱底板的非線(xiàn)性靜力分析,檢修工況時(shí),當(dāng)揚(yáng)壓力為150kPa、底板和拱座的錨固量為7.6t/m2時(shí),拱端最大推力為942kN/m,拱座垂直向位移為0.091mm,橫向位移為0.303mm,拱座最大壓應(yīng)力僅為0.6MPa;泄洪工況時(shí),根據(jù)反拱底板非線(xiàn)性動(dòng)力分析,模型實(shí)測(cè)的最大拱推力僅為139kN/m。上述成果表明,無(wú)論在檢修工況還是泄洪工況時(shí),拱推力和拱座的應(yīng)力、位移均不大,拱座安全完全有保證。優(yōu)化設(shè)計(jì)后,反拱水墊塘底板下僅保留1條中央縱向排水廊道,其他廊道全部取消。左、右拱座縱向排水廊道分別與壩外排水廊道(壩下0+052.00)和二道壩內(nèi)排水廊道相連,形成水墊塘反拱底板外圍和二道壩內(nèi)的封閉排水降壓保護(hù)網(wǎng)絡(luò),并與壩基排水廊道脫離,各自獨(dú)立。水墊塘內(nèi)縱、橫向廊道的優(yōu)化布置使各廊道的功能明確、布置簡(jiǎn)捷、施工方便。根據(jù)試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果,二道壩及水墊塘周邊均不設(shè)防滲帷幕。3.2.3關(guān)于底板穩(wěn)定驗(yàn)算的建議原水墊塘反拱底板厚3m和4m。目前,我國(guó)已建的二灘平底水墊塘底板厚3~5m,在建的小灣平底水墊塘底板厚3m,前蘇聯(lián)英古里反拱水墊塘底板厚4m。反拱底板由于其拱作用,能將揚(yáng)壓力和脈動(dòng)壓力傳遞到兩側(cè)拱座和山體。從底板的整體穩(wěn)定性分析,底板的抗浮穩(wěn)定問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是拱座的穩(wěn)定問(wèn)題,因此反拱底板的受力條件比平底板好,具有較高的安全儲(chǔ)備。專(zhuān)家組根據(jù)國(guó)外工程和二灘水墊塘資料,結(jié)合拉西瓦水墊塘的模型試驗(yàn)及有限元計(jì)算成果,提出了減小反拱水墊塘混凝土底板厚度的建議。拉西瓦水墊塘底板穩(wěn)定計(jì)算的最大荷載設(shè)計(jì)取150kPa,底板設(shè)計(jì)錨固力76kN/m2。檢修工況時(shí),根據(jù)SL282—2003《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL253—2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》中揚(yáng)壓力計(jì)算的規(guī)定,該水墊塘底板的揚(yáng)壓力約為140kPa。根據(jù)“壩后水墊塘區(qū)三維滲流分析研究”,檢修工況,當(dāng)排水孔、排水盲溝等排水設(shè)施正常工作時(shí),底板揚(yáng)壓力最大值僅為25.2kPa;當(dāng)排水孔50%和70%失效時(shí),底板最大揚(yáng)壓力分別為25.8kPa和70.2kPa。根據(jù)二灘平底水墊塘滲壓計(jì)實(shí)測(cè)資料,平底板底部的最大揚(yáng)壓力小于50kPa。上述數(shù)值均小于規(guī)范計(jì)算值,可見(jiàn)按目前規(guī)范計(jì)算的揚(yáng)壓力有較大的安全空間。泄洪工況時(shí),根據(jù)反拱底板非線(xiàn)性動(dòng)力分析,實(shí)測(cè)的模型底板最大上舉力為94kNm/2(相當(dāng)94kPa),也小于150kPa。水墊塘的拱座和底板混凝土主要承受壓應(yīng)力,根據(jù)反拱底板非線(xiàn)性靜力分析,當(dāng)揚(yáng)壓力為150kPa、底板和拱座的錨固力76kN/m2時(shí),反拱底板的最大壓應(yīng)力小于7MPa,錨筋最大應(yīng)力為257MPa。當(dāng)揚(yáng)壓力為360kPa時(shí),反拱底板的最大壓應(yīng)力小于10MPa,仍低于混凝土的抗壓強(qiáng)度,說(shuō)明反拱底板的抗壓強(qiáng)度有較大裕度。研究中還根據(jù)模型實(shí)測(cè)的最大上舉力,對(duì)反拱底板的局部穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算和分析。其結(jié)果表明,反拱底板的局部穩(wěn)定也有一定的裕度。根據(jù)上述科研試驗(yàn)和計(jì)算分析,西北院將拉西瓦反拱水墊塘混凝土底板厚度改為2.5m和3.0m。3.2.4廊道布置優(yōu)化施工階段,為減少陡壁開(kāi)挖對(duì)兩岸山體穩(wěn)定的不利影響,西北院優(yōu)化了反拱水墊塘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將反拱底板中心角由73.74°改為61.647°,底板弦長(zhǎng)由72.00m改為62.00m,拱座開(kāi)挖高程由約2224m改為2220.00m,反拱段與拱座段的開(kāi)挖總寬度由約84m減小為78.00m,底板頂面最低高程由2215.00m改為2214.50m,并對(duì)二道壩內(nèi)的廊道布置按專(zhuān)家組的建議進(jìn)行了優(yōu)化。3.3增設(shè)出水管及隧道洞西北院采納了專(zhuān)家組對(duì)抽水系統(tǒng)布置的優(yōu)化建議,優(yōu)化結(jié)果為:(1)將抽水泵房軸線(xiàn)由順河向改為垂直水流向,與二道壩軸線(xiàn)平行,位置靠近二道壩右壩頭;集水廊道改設(shè)在二道壩內(nèi),使集水和抽水系統(tǒng)布置緊湊,由此原長(zhǎng)約150m的集水廊道(隧洞)減為約42m。(2)保留原泵房交通廊道,與右岸低線(xiàn)過(guò)壩交通洞相連,以利交通和通風(fēng);該廊道外通山坡,以利施工出渣;洞內(nèi)設(shè)出水管線(xiàn),將所抽滲水以最短的距離經(jīng)洞口排到二道壩下游;出水管線(xiàn)鋪設(shè)完后,將靠近山坡的洞段用混凝土封堵,以防泄洪時(shí)水霧入洞。(3)取消原布置的出水管廊道。(4)取消原布置的岸坡斜廊道。根據(jù)施工安排,原布置的岸坡斜廊道只能自上而下開(kāi)挖,出渣十分不便,影響工期。由于右岸已有1條交通廊道與水墊塘相連,左岸還有2條交通廊道分別與水墊塘和二道壩相連,已滿(mǎn)足通風(fēng)、檢修和觀測(cè)等需要,因此取消了原布置的岸坡斜廊道,不再與二道壩相連。(5)西北院取消了抽水泵房下設(shè)的高約60m、開(kāi)挖斷面積2.0m×7.6m的泵管豎井,改以3個(gè)!1200mm的鉆孔替代,泵管經(jīng)鉆孔直接與集水井相連,節(jié)省豎井開(kāi)挖及支護(hù)工程量,加快施工進(jìn)度。4反拱底板穩(wěn)定施工的效果(1)拉西瓦水電站是國(guó)內(nèi)大型、高水頭水電站中第一座采用反拱水墊塘為壩后消能建筑物的水電站工程。由于受地形、地質(zhì)和工程布置的限制,水墊塘容積較小、水深較淺,單位水體消能率達(dá)20.3kW/m3,比小灣(12.3kW/m3)、溪洛渡(12.88kW/m3)、構(gòu)皮灘(13.5kW/m3)、二灘(13.5kW/m3)和錦屏一級(jí)(13.1kW/m3)等工程還高,接近國(guó)際經(jīng)驗(yàn)控制的最高標(biāo)準(zhǔn),泄洪消能問(wèn)題突出。(2)拉西瓦水電站采用反拱水墊塘的主要原因是反拱體形更好地適應(yīng)了該處的地形、地質(zhì)條件。由于拱座開(kāi)挖高程較高,減少了峽谷兩岸坡腳的開(kāi)挖范圍,有利于高、陡、卸荷邊坡的穩(wěn)定;反拱底板采用淺表層弧形開(kāi)挖,適應(yīng)了消能區(qū)河床下凹弧形的基巖面和地應(yīng)力的分布,減少了河床基巖的卸荷回彈及處理工程量。