智利艾森水电枢纽导流工程物理模拟试验

[智利]R.西恩富戈斯 B.费尔南德斯 O.加尔塞斯等

刘洪亮 译自英刊《水电与大坝》2010年第1期

艾森水电枢纽包括贝克河上的2座水电站和帕斯夸河上的 3座水电站,这两条河位于智利最南端。

该水电枢纽总装机容量2750MW,年平均发电量18430GW◦h。水库总面积59.1 km2,年发电量 -水库面积系数为 312 GW◦h/km2,艾森水电枢纽为此成为效益最高的水电工程。

在工程设计方案中,从设计初期阶段起就融入了“为减轻环境影响设计”的理念。制定了与可持续开发方法一致的标准。这需要尽早查明环境影响,以便能对工程进行调整与优化,并减少大量环境问题的潜在不利影响。

该枢纽将开发这两条河的部分水电资源,这两条河都因河谷狭窄、陡峭和天然调节流量很大而受到关注。即使在枯水季节,平均流量仍为 600～800m3/s。这些特点导致坝址处流速快(达到5 m/s),水流深(＞5m),使导流工程具有挑战性。

为了对推荐的贝克1和帕斯夸2.2水电工程坝址处的导流特点进行分析,智利天主教大学水工实验室运用了两个缩尺物理模型(贝克河为1∶70,帕斯夸河为1∶60)来评价导流工程的性能和检验围堰施工的不同方法。

结合诸如立方体、四立方体(tetracubes)、四脚锥体,以及土石填方进行试验,以获得半透水的围堰。

本文介绍了使用这两个模型进行的试验,以及选用方案的效果。该方案考虑了使用 30t重的四脚锥体并结合使用石料和颗粒料填筑,以确保上游围堰不渗水。

1 工程概况

艾森水电枢纽位于智利首都圣地亚哥南部约2000km处的艾森地区。水电枢纽设计包括在贝克河上建2座电站和在帕斯夸河上建 3座水电站。

该枢纽由上游至下游分别命名为贝克1和贝克2电站,帕斯夸1、帕斯夸2.1和帕斯夸2.2电站。该工程还包括帕斯夸1电站与贝克1电站附近的交直流换流站之间的一条177 km长的50kV交流输电线路。从该换流站开始,一条2000km长的高压直流输电线路将该电站与智利中央互联电网连接。

除贝克2电站外,其余电站布置相似。这些电站由1座进水口建筑物、2条短引水隧洞和竖井,以及地下电站组成。每座电站装2台竖轴混流式水轮机、发电机和变压器。尾水隧洞设有调压井,将水排入每座坝下游河内。

贝克2电站进水口建筑物以前有一条输水渠,该进水建筑物与两条钢板衬砌的混凝土斜压力管道连接。电站厂房为地面厂房,装2台转桨式水轮机、发电机和变压器。水轮机将水流排入与贝克河相连的一座水库内。

帕斯夸河上的 3座电站都设计了一座 RCC坝,而贝克1电站则设计了一座混凝土面板砾石坝(CFGD),贝克2为常规混凝土坝。这5座大坝的主要参数见表1。

表1 艾森水电枢纽的主要参数

贝克河发源于卡雷拉将军(General Carrera)湖-伯特兰(Bertrand)湖系(面积1890km2),而帕斯夸河则发源于奥希金斯(O′Higgins)湖 -奇科(Chico)湖系(面积1000km2)。与智利其他河流相比,贝克河和帕斯夸河年平均流量极大,加上其地形优势,其水电蕴藏量自20世纪 40年代以来一直受到人们关注。20世纪 60～80年代中期,在两条河的干流及某些支流上设置了十多个测流站。此外,在卡雷拉将军湖和奥希金斯湖设置了几个气象站和湖泊水位站。因此,已有45 a的逐日实测流量水文资料,可进行详细和可靠的流量分析。在上游的湖泊出口处,贝克河流量约570m3/s,在其下游35 km的贝克1坝址处,流量增至约 640m3/s。在距卡雷拉将军湖 90km的贝克2坝址处,记录的年平均流量为 950m3/s。下游支流不大,当贝克河水流汇入海里时,流量估计为1000m3/s。该河水情表明,由于冰雪融化,夏季流量为最大,年平均流量季节变化范围为 ±35%。贝克河主要为西南流向,如图1所示。帕斯夸河具有类似的水文特征,在奥希金斯湖出口下游几公里的帕斯夸1坝址处年平均流量为 620m3/s,在其下游约60km处,该河汇入海里的流量估计为 800m3/s。在帕斯夸2.2坝址处,记录的平均流量为 690m3/s。年平均流量季节变化限定在 ±45%的范围内。

由于流量季节变化小,预计工程导流时流量很大。此外,坝址处河谷狭窄,导致流速达到5 m3/s,水深在5 m以上。因此,在水力学模型上对待建的2座电站,即贝克1和帕斯夸2.2的导流条件进行了试验研究。

2 工程设计采用的环境标准

采用了为减轻环境影响而设计的理念作为工程开发各方面应用的标准。在初期阶段,现代环境保护和减缓环境影响的理念就融入工程设计方案中。

图1 贝克河流域和拟建工程选定的坝址

通过各种方式使地方和地区的社会阶层了解这项工程,收集利益相关者的看法、意见和所关注的问题,随后将这些意见在工程计划中加以考虑。这意味着工程设计考虑了早期发现的环境影响,并决定对设计加以调整,这样就减少了许多潜在的不利环境影响。

这种方法不仅考虑了通过典型的减缓环境影响的措施和计划减缓对环境的影响,而且还采用了工程设计的方法来减少和避免对环境的影响。为减轻环境影响,设计时应遵循如下准则:

(1)开发高效工程,注意减少水库蓄水面积,同时达到尽可能高的发电水平。

(2)维持卡雷拉将军湖 -伯特兰湖水系和奥希金斯湖 -奇科湖水系上游的天然水位。

(3)基于库水位变化小和运行流量大(≥该河流年平均流量的 40%)的自主调度准则,以确保对电站上下游的影响最小。

(4)维持旅游景点(如险滩)以及电站上游平地河段的天然水流条件。

(5)利用短尾水隧洞和(或)溢洪道泄水恢复每座大坝坝脚的水流。

(6)通过地下工程设计,尽量减少对景观的视觉影响,包括输电线路选择的视觉影响标准。

(7)有关工程附近冰川的“零影响”方法。

(8)根据独立单元的设计理念,应远离居民区设置施工人员生活营地,减少对当地居民的可能影响。

3 水工物理模型

两个模型都是按弗劳德相似性和无几何变态的缩尺比例建立的。模型设计由1∶1000比尺的地形资料、水深测量剖面图(包括由 Ingendesa公司为确定水工建筑物的位置和尺寸而编制的水位 -流量测量数据、平面图和布置图)提供支撑。通过对照现场观测数据调整实验室回水曲线,在两个模型上率定河道内等效表面曼宁糙率和异常部位的能量损失。水工模型的尺寸和特征参数列于表2。

3.1 围堰施工和导流的研究方案

由于诸如坡陡、流量大、流速快(达到了5m/s)及水深(即使在枯水季节某些河段水深也超过了5 m)等自然条件,贝克河和帕斯夸河施工导流都是一件非常复杂的事情。此外气候条件也不利,且可获得的尺寸和重量适宜的颗粒材料也不多。

为了尽量减少风险和危害,决定在物理模型上模拟导流。为利用预制混凝土件(例如四立方体、石笼、四脚锥体)和级配的土石料修建一道初始导流堤,研究了各种方案,以便在施工结束时形成一座半透水围堰。必须指出的是,根据模型试验结果,一旦导流洞连通,在围堰施工之前,通过导流洞就可以引走贝克河枯水期 40% ～45%的流量,帕斯夸河25%～30%的流量。

石笼水力稳定性初步试验表明,石笼不适于用来抛填,因为在典型流量条件下,石笼可能向下游滚动。用于试验的四立方体、四脚锥体和土石填筑材料试验的尺寸和特征见表 3。

河流导流和围堰施工初期阶段都在水工模型上进行了不同河流流量和预制件与填料组合的试验。每组河流流量和施工方法至少重复了 3次,以反复试验预制件的任意抛填。

每一组试验都是先在河流断面上形成一道稳定的预制件结构。填筑方法是在一给定点通过模拟的缆轨一件一件地抛投预制件,直到预制件露出河面为止。然后变换位置,反复进行填筑,直到到达河对岸。一旦形成了预制件结构,就用帕斯夸2.2电站的一辆模拟用的20t卡车和贝克1电站的一辆模拟用24 t卡车抛投填充料,继续进行围堰施工。在这两种情况下,继续进行抛投填充料施工,直到在整个河流断面上形成一个近6 m宽的顶部平台。初步试验的顺序是:1型试验,四立方体试验(仅有参考值);2型试验,四脚锥体和填料试验 ;3型试验,四立方体、四脚锥体和填料试验。

表4列出了每种情况和各种流量条件的结果。

在所有组次的试验中,最终结构都是参差不齐的,且相当透水。实际上,使用挑选的预制件和填料组合不可能使围堰完全防渗。例如,只有试验类型3达到了可接受的约 90%～95%的导流流量,但需要大量填充料。不过本节介绍的试验对于确定下节所述的最佳围堰施工方法具有参考价值。

初步试验获得的结果有助于完善导流工程:

(1)贝克1电站。导流隧洞进口、洞身、出口降低了2m,维持洞底坡度不变,根据地质和岩土力学资料,对导流隧洞进口和出口位置作了修改。

表2 贝克和帕斯夸电站水工模型的主要尺寸

表3 贝克和帕斯夸电站模型混凝土预制件和填筑材料的主要尺寸和重量

表4 贝克模型预制件和填料的试验结果

(2)帕斯夸2.2电站。对将隧洞与河流连接的进口建筑物的定线作了修改,但维持进口建筑物底部高程不变。

由于进行了这些修改,在建围堰之前,贝克河的导流流量百分比从 40%～45%增加到55%～59%。对于帕斯夸河,隧洞导流流量百分比从 30%增加到约50%。

通过改进和优化导流工程的液压装置,河道截流时流量明显减少,有助于修建上游围堰。

3.2 围堰施工采用的方案

为了成功修建围堰,试验中应用了物理模型,并分析了各种方案。基于模型试验结果和 Ingendesa公司与艾森水电公司的建议,以及外部咨询,确定了一种新的施工方法。如上所述,新方法考虑了使用预制件初步形成的稳定结构。尽管如此,还将级配填充料堆填在新形成结构的上游侧,以达到防渗目的(图2示出了围堰布置的草图)。

图2 推荐的围堰示意图(贝克和帕斯夸电站模型)

用每件 30t重的四脚锥体形成一道初始戗堤,这样在水动力学和结构稳定性方面就产生了很好的效果。堆填在四脚锥体戗堤上游侧的填料由以下两个区组成,旨在形成级配的反滤层:

(1)粗料区(材料最小粒径0.3 m,最大粒径0.7m)。粗料直接填筑在四脚锥体上游(图2)。

(2)细料区。细料填筑在粗料区上面,以达到防渗的目的(贝克河:D50=35 mm,Dmax=170mm;帕斯夸河:D50=30mm,Dmax=150mm)。

对于粗料层,按几种水流条件,在水工模型上进行了两种粒径级配的试验。试验结果表明,粗料层应掺和可得到的尺寸最大的填料,以获得最佳和极其稳定的围堰结构。达到成功导流的四脚锥体和细料需要量列于表5。在所有情况下,最终围堰都是稳定和防渗的,通过导流隧洞可导流约 95%的河流流量。

表5 在不同流量下围堰施工使用的预制件和材料(贝克和帕斯夸电站模型) m3/s

4 结 语

由于贝克河和帕斯奈河流量大、水流深,使得导流工程面临巨大的挑战。为了完成隧洞导流,在贝克河1∶70水工模型上和帕斯夸河1∶60水工模型上进行了不同围堰施工方法的试验。为了进行围堰施工,使用了诸如石笼、混凝土四立方体、四脚锥体预制件进行试验,旨在跨河流形成初步稳定的戗堤。四脚锥体因在水动力稳定性和结构稳定性方面效果极佳而被采用。推荐的围堰施工方法是在选定的位置上通过缆轨一个接一个地抛投 30t重的四脚锥体,直到预制件露出河面,然后改变抛投位置,重复前一步的抛投方法,直到到达对岸。

待这种初步填筑结构形成后,再将两层级配的土填料堆填在四脚锥体戗堤上游侧。第1层材料是小到中粒径的砾石(粒径为 300～700mm),而第2层则使用的是细料(粒径 D50=30～40mm,Dmax=150～170mm),以达到防渗的目的。这种施工方法形成了稳定和不透水的围堰,为两条河的成功导流创造了条件。