东升水电站枢纽坝型选择

宋春山

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150080)

1 概 述

东升水电站枢纽位于黑龙江省东宁县境内绥芬河干流上,距县城西约10 km处,地理坐标为E130°58′40″,N44°03′42″,坝址控制流域面积8176 km2。东升水电站枢纽工程的主要任务以发电为主,同时兼有城市供水、改善生态环境、防火隔离带、灭火水源等综合利用效益。

东升水电站枢纽总库容为5016×104m3,正常蓄水位为156.00 m,调节库容为2867×104m3,水电站总装机33 MW,工程等别为Ⅲ等,挡水建筑物、泄水建筑物和引水建筑物工程级别为3级,水电站工程级别为4级。水电站发电年保证率取为90%,供水年保证率取为95%。

东升水电站枢纽工程由坝区枢纽和引水发电系统两大部分组成。坝区枢纽由重力坝、溢流坝、坝后式电站、坝下放空洞等组成,坝顶长度为337 m,重力坝最大坝高为30 m。结合生态基流,左岸重力坝下游布置坝后水电站,装机容量1 MW。引水发电系统由进水口﹑压力引水隧洞、调压井、压力钢管及地面电站厂房等组成。进水口采用岸塔式,引水隧洞为直径8.2 m的圆形断面,隧洞长3305 m,纵坡i=7/1000。电站厂房布置在绥芬河坝下16.3 km的隧洞出口处,电站总装机32 MW。

2 工程地形及地质条件

2.1 地形地貌

坝址处于绥芬河下游丘陵峡谷地带,地势起伏较大,河谷呈不对称“U”型。河流自南向北流经坝址,河床宽约70 m,水深0.5～3.0 m,该区地貌单元可划分为:构造剥蚀低山丘陵,堆积高、低河漫滩。

构造剥蚀低山丘陵分布于河谷两岸,左岸山坡较缓,坡度 15°～30°,山顶高程 216 m,山体主要由燕山期花岗岩组成。右岸地形较陡,山顶高程320 m,坡度45°～80°,山体主要由燕山期花岗岩组成。

堆积高河漫滩呈条带状分布于左岸低山山前,地势平缓,高程 141～149 m,宽度 10～95 m,滩面倾向河床。岩性主要由冲洪积含砂低液限黏土、粉土质细砂、卵石混合土、混合土卵石组成,下伏燕山期花岗岩。

堆积低河漫滩呈条带状分布于河床左侧,地势起伏不平,高程135～140 m,宽度不一。岩性主要由冲洪积级配不良中砂和卵石混合土组成,下伏燕山期花岗岩。河床右岸不发育,仅局部有宽度不到3 m的滩面。

2.2 地层与岩性

坝基上部为第四系松散层,主要由含砂低液限黏土、粉土质细砂、级配不良中砂、卵石混合土、混合土卵石组成,总厚度1.50～12.80 m,河谷基底及两岸为燕山期侵入岩,岩性主要为花岗岩():灰白色-灰黑杂色,中细粒结构,块状构造,为酸性侵入岩。主要矿物成分由石英、斜长石、钾长石、黑云母、角闪石组成。

3 坝型比选

3.1 基本坝型选择

结合坝址处地形、工程地质条件、河道水文特性、工程总体布置、施工条件及天然建材分布情况,设计选择混凝土面板堆石坝、沥青混凝土心墙堆石坝、混凝土重力坝3种坝型进行优选。

坝址处500年一遇洪峰流量为10765 m3/s,考虑地形及工程地质条件,上述几种比较坝型对应的泄水建筑物型式为溢流坝方案。溢流坝堰顶高程为144.00 m,闸孔总净宽 105 m,共分 7孔布置,每孔净宽15 m;戽流消能。

混凝土重力坝采用50年一遇洪水设计,500年一遇洪水校核。坝长337 m(含溢流坝宽126 m),坝顶高程159.31 m,坝顶宽6.0 m。上游坡面为垂直面,下游坡面自折点以下为1∶0.75。坝基坐落于强风化下限以下2 m。

混凝土面板堆石坝采用100年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核。坝长340 m(含溢流坝宽126 m),坝顶高程161.22 m,坝顶宽6.0 m。上游边坡比为1∶1.5,下游边坡比为1∶1.4。上游面为混凝土防渗面板,厚0.4 m;下游面采用干砌块石护坡。

沥青混凝土心墙堆石坝采用100年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核。坝长340 m(含溢流坝宽126 m),坝顶高程161.22 m,坝顶宽 6.0 m。上游边坡比为1∶1.75,下游边坡比为1∶1.65。沥青心墙顶宽40 cm,底宽60 cm。

坝型工程量及投资比较结果见表1。

由表1可见,混凝土面板堆石坝造价相比最高,混凝土重力坝工程造价最低,重力坝并具有以下优点:

1)抗渗透变形能力强,防渗设施相对更安全有效;

2)安全性较高,对抗御超标准洪水或意外荷载潜力较大;

3)便于与河床式溢流坝衔接及坝下厂房布置;

4)施工工艺简单易行,施工进度快,建设工期较短;

5)坝体可漫顶过流,便于施工渡汛,导流条件好。

表1 坝型比较成果表Table1 Results table of dam types comparison

故此,设计推荐混凝土重力坝为东升水电站枢纽设计的基本坝型。

3.2 坝型选择

近年来,随着我国水利水电工程建设的高速发展,清华大学研究的堆石混凝土技术替代传统混凝土筑坝在山西清峪水库重力坝工程、恒山水库双曲薄拱坝加固工程、河南宝泉抽水蓄能电站上库副坝工程等多个水利水电工程中得以应用。

堆石混凝土就是用自密实性能优良的自密实混凝土充填堆石体所形成的致密混凝土,施工工艺是将一定粒径要求的堆石直接入仓,形成有空隙的堆石体,用自密实混凝土代替高流动砂浆,从堆石体上部倒入自密实混凝土,利用自密实混凝土的高流动和抗离析性能,使自密实混凝土依靠自重自动填充到堆石的空隙中,形成完整、密实、有较高强度的混凝土,这样形成的混凝土称为堆石混凝土,见图1。堆石混凝土由堆石体和带有小骨料的自密实混凝土构成,其基本力学性能满足普通混凝土要求,在水化热温升、施工速度、造价等方面有较大优势。

堆石混凝土与传统混凝土或埋石混凝土相比具有以下优点:

1)施工过程简单,最大限度地减少了混凝土仓面的施工人员和机械工作量,现场控制管理更加简便易行;

图1 堆石混凝土示意图Fig.1 Sketch drawing of rock filled concrete

2)无需进行混凝土振捣密实的施工环节,消除了人为的不利干扰,施工质量和稳定性更加容易保证;

3)施工工艺简单,能大幅提高大仓面混凝土的施工效率、极大地缩短施工工期;

4)堆石混凝土使用了大量的块石作为原材料,因此能有效降低工程造价;

5)堆石混凝土的水泥用量少,因此水化温升小,温控简单;

6)堆石混凝土具有大块岩石稳定堆积构成的骨架,具有优良的体积稳定性,体积收缩小,较强的抗裂性能和抗渗性能;

7)堆石混凝土可减少或免除施工冷缝处理和凿毛工序,提高施工速度、降低工程造价,通过国内多项工程中的应用验证表明:堆石混凝土替代传统混凝土筑坝可提高施工速度20%～30%,降低工程造价10%～20%。

综合以上,设计采用堆石混凝土坝作为设计坝型,堆石混凝土强度等级表层混凝土采用C20,内部混凝土采用C15,大坝水位变化区等受冻严重部位的混凝土,抗冰冻等级为F300;受冻较轻部位的混凝土,抗冰冻等级为F200,大坝混凝土的抗渗等级为W4。

重力坝基础设计坐落于强风化下限以下3 m,对坝基断层破碎带处设混凝土塞处理,混凝土塞深度按1倍断层宽度考虑,坝基设帷幕灌浆防渗,帷幕底部进入5 Lu渗透线以下5.0 m处,帷幕后设排水孔。

[1]黑龙江省水利水电勘测设计研究院.黑龙江省东宁县绥芬河干流东升水电站枢纽工程可行性研究报告[R].哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院,2009.

[2]金 峰,安雪晖.堆石混凝土施工技术专题报告[R].北京:清华大学水利水电工程系&清华—前田(岗村)先进建设技术研究中心,2006.

[3]崔京浩.自密实混凝土技术手册[K].北京:中国水利水电出版社,2008.