可供比选的电站布置设计方案

可供比选的电站布置设计方案

开发水电工程时，整体经济性(包括工程造价、投资收益和回报周期)是比较方案的决定性因素。由于每项工程的坝址环境不同，以及其自身所具有的难点，应用工程师始终致力于为工程提供一座更安全、更经济、更耐用和更持久的大坝。因此，根据大坝的目的和建筑材料，在大坝工程建设史上，开发和修建了各种类型的大坝，空腹混凝土重力坝在这些坝型中占据了重要一席。

水电站;水电站布置;水电站设计;方案选择

在20世纪，世界上普遍开发和修建空腹混凝土重力坝。然而碾压混凝土(RCC)作为修建大坝的新技术和新材料的出现，由于其成本低、施工快且性能可靠，于是在20世纪80年代空腹混凝土重力坝的建设数量就变少了。规划、设计和施工新大坝时，大多开始关注RCC坝，而空腹混凝土重力坝的方案经常被搁置一旁。最近，RCC技术的重大进步和对RCC特性的良好认知，才使规划、设计和修建超高RCC大坝(坝高超过150 m)获得允许。与修建地下电站截然相反，对于超高RCC坝，在大坝中修建空腹并将电站布置到该空间，会大大节约成本，与RCC施工的冲突有限。出于这个原因，正在加紧研究将电站布置到一座高270 m、坝基宽260 m的超高空腹的RCC重力坝中的可行性，被并入的电站宽37 m。本文的论述内容，在一定程度上，由可行性研究发展而来。研究结果显示，这是降低新RCC重力坝成本且无损安全性的可行办法。

1 电站方案选择

规划RCC坝的水电工程时，显然，电站布置位置的选择十分重要。通常会考虑到以下3种方案:

(1)地上厂房。通常是将厂房布置在坝后，水通过压力管道输送，穿过大坝。

(2)位于坝肩内的地下厂房，水道的长度最短。

(3)位于较远下游区域的地下或地面厂房，可利用大坝和尾水之间河流段陡降的优势。

电站位置的选择主要取决于工程环境和坝址条件，不过最终由经济因素决定。与工程其他主要特性相关的电站布置，在工程的总成本中显得相当重要。坝后式布置的地上电站，需要足够大且无太多开挖量的地方，以使电站可以沿河布置。如果是狭窄的河谷，河道区域常常没有足够的空间来布置电站、溢洪道以及可能会需要的升船设施。因此，设计师经常会采用地下电站设计的形式。虽然在这种情况下电站的位置会更灵活，工作区可以更轻易地与大坝建筑物隔离开，但需要修建地下设施，包括电站洞室、开关站洞室以及相关的隧道系统，而这些工程的成本通常是非常昂贵的。

因此，对于超高RCC坝而言，笔者提出另一布置方案:将电站布置在坝体内。中空的空间将建在坝体内的下部，以布置电站。用压力管道将水从水库引入到发电室，机组将水从尾水管直接排放到下游。采用这种设计方式，溢洪道的布置也不会受电站设计的影响。

显然，RCC坝内的电站布置会影响到RCC的施工。因此，这种电站只对超高RCC坝有意义，因为与巨大的坝基成比例的坝内电站空腹就将变得相当的微不足道。

事实上，超高坝的设计和修建不是一项寻常工作。每座超高坝工程都将是一个特例，且特定的条件将影响最适合坝址的坝型的最终决定。世界上只有有限的部分坝址是适合修建超高RCC坝的。然而，这一替代方案所节约的大量工程成本可能会吸引设计者。

2 空腹混凝土重力坝

空腹混凝土坝是一种用混凝土构造的拦河坝结构，内部为中空。空腹坝大多是重力结构，但也有可能是重力拱坝甚至是拱坝。应说明的是，其他类型的空腹坝，比如支墩坝、多拱坝和宽缝重力坝，不在本文讨论之列。

20世纪早期开发的常规混凝土空腹重力坝，最初改善了应力条件并节省了重力坝的大体积混凝土。与实体重力坝相比，空腹重力坝更多地是依赖于其结构，而不是依赖其重量来抵御水的压力。

空腹坝的下一步发展，则是将电站并入到中空的空间中。这样，可以获得以下益处:

(1)为将电站布置在狭窄河谷提供了一种选择方案;

(2)将附属的地下洞室移至坝肩内，可以降低工程成本;

(3)可以节省混凝土的用量;

(4)可以改善中空空间上游侧大坝混凝土的应力条件和坝基的应力分布状况;

(5)可以改善大体积混凝土的散热状况;

(6)可以减少坝肩的冲击，保护了环境。

直到20世纪80年代，只建成了屈指可数的几座空腹混凝土坝，其中有的设计有电站，有的没有。例如，1957年，日本修建了高为 103.6 m的伊川(Ikawa)空腹混凝土重力坝，接着又修建了13座空腹混凝土坝。1964年，葡萄牙建成了高87 m的宾波斯塔(Bemposta)拱坝，坝内空腹高20 m，宽14 m。1979年，凤滩重力拱坝竣工，坝内布置有整体电站，这是在坝体内布置整体电站的最大一座混凝土坝。表1中列出了布置有整体电站的几座空腹混凝土坝。

3 布置整体电站的大型空腹RCC坝

RCC的利用，使许多新建大坝在经济上可行。RCC易于制造、输送和布置，施工过程经济且快速，这也直接导致了快速的混凝土浇注，施工期缩短反过来就意味着成本更低。在过去的30 a里，RCC技术在大坝工程领域内得到了普遍认可和接受，现在RCC已在全世界成功地应用于大坝建设。

RCC技术的最新进展和对RCC特性的更佳认知，为大坝工程师提供了经济地规划、设计和修建超高RCC坝的机会。建造超高RCC坝的新技术、新材料和施工程序已经被广泛接受。高188 m的米尔(Miel)1级和高216.5 m的龙滩RCC坝，已经分别在2002年和2007年竣工。表2中列出了几座超高RCC坝(超过150 m)的情况。超高RCC坝的成功修建，显示了RCC技术的适用性和超高RCC坝的可靠性。基于已竣工RCC坝的建设经验和有效性能数据，几座高度超过200 m的RCC坝目前正在设计中，或建议在不久的将来修建。

表1 在坝体内布置电站的空腹混凝土坝

表2 已竣工的超高RCC重力坝(坝高超过150 m)

RCC坝施工的一个重要因素是它需要相当大的浇注区域，且没有任何干扰，这样可完全利用快速设备和高效劳动力的优势来实现。较大的浇注区域意味着模板量也要减少。另一方面，适当地限制浇注区域，可以保证RCC的质量，如果浇注区域太大，2个连续层之间的时间间隔可能会超过RCC混合的最初设定时间。RCC高坝的建设经验表明，恰当的浇注区域应限制为:夏季4 000～7 000 m2左右，冬季10 000～15 000 m2左右。过大的浇注区域将导致设备投资巨大，且难以保证RCC的养护质量。因此，超高RCC坝的总施工区域应划分为几个浇注子区域(或称之为错层式法)，就象修建高为216.5 m的龙滩RCC坝一样。

将电站集成到RCC坝中，首先要考虑到电站空腹将占用的空间，而RCC施工需要足够的工作空间来实现经济地浇注和压实RCC材料。空腹RCC坝的坝基区分为上游侧和下游侧2个区域。然而，RCC坝中电站空腹的施工干扰是坝基宽度面临的难点。坝不是很大时，2个部分的浇注区可能不足以充分利用设备，这将影响RCC的施工。RCC坝的坝基宽度增大时，电站空腹与坝基宽度的相对比例会减小。如果坝基足够大，再施以仔细规划并适当地加以管理，则电站空腹对RCC施工的干扰将维持在最小。混流式水轮机电站空腹的最大宽度通常小于40 m，而超高RCC坝的坝基宽度有可能超过140 m。因此，如果将电站的空腹布置到坝体内，每侧还有超过50 m的浇注区，这样的空间足以使RCC持续施工且干扰很小。此外，如上所述，超高RCC坝的RCC浇注应在几个子浇注区进行，电站空腹将提供分区。

与地下式电站相比，将电站并入到坝体内的主要好处是工程的成本大幅度地降低。比较工程成本时，对下述项目的质量和成本应进行单独计算及比较:

(1)土木工程。包括地下洞室、隧道、调压室、水道、引水、泄洪设施、坝内的发电洞室、压力管道、尾水管、坝基开挖、开关站、交通通道、RCC/大坝和电站及加强的常规混凝土。

(2)水力金属结构。包括上游引水、水道、调压室和尾水管等。

(3)水轮机和机械设备。

(4)发电机和电气设备。

(5)变电站和相应的电气设备。

超高RCC坝可行性研究的经验表明，并入电站的设计方案可使费用节省20%～25%。

由于重力坝是使用大体积混凝土，而混凝土材料水合作用的热量会使混凝土温度升高，从而产生热应力，因此有可能会引起有害的裂缝。大型RCC坝的温度控制总是施工时应引起特别关注的重要事项。原则上，RCC坝应是全程长度处理浇注(在一个断面上，按从下游到上游浇注坝块的顺序)，在坝块的中部没有纵向接头。因为坝基很宽，很难控制超高RCC坝的温度。例如，龙滩大坝浇注RCC时，一般采用RCC预冷，炎热季节里还需嵌入冷却管进行后冷却。米尔1级RCC坝，其斜纵向接头布置在大坝的中部，最后的接头灌浆施工时嵌入灌浆系统。在大坝中部浇注电站空腹，坝基浇注的宽度明显减少并分为2个部分，这有助于RCC施工的温度控制。此外，电站空腹在每侧均提供有RCC大体积块散热的表面。因此，大型RCC坝内布置有电站空腹会有利于实行温度控制。

如上所述，重力坝中部的混凝土应力小，浇注这种有电站空腹的混凝土，不会明显影响大坝的应力条件。相反，混凝土的体积将减小。

总的来说，在实际条件许可的情况下，建议将电站布置到超高空腹的RCC重力坝中，与地下式电站相比，前者通常具有以下优势:

(1)更加经济;

(2)为狭窄的河谷提供了另一种电站布置的可能性;

(3)改善了大体积混凝土的散热条件，且有利于温度控制;

(4)对地面景观和环境的影响极小。

值得注意的是，就所关心的节约成本而言，在空腹RCC坝中布置电站并不是就不存在不利的因素。除了先前所说的对RCC浇注施工的干扰以外，坝内的压力管道和尾水管的安装也会影响RCC的施工。然而，与较小的RCC坝相比，超高RCC坝所受的影响相当小。通过进行适当的施工管理，这些干扰可以最小化。与地下式电站的建设成本相比，安装压力管道的成本和较高的RCC单元价格也就显得微不足道。

电站空腹边墙的施工使用模板和灌浆加强的震实RCC或常规混凝土;上拱可以用预制的混凝土构件建造。另一替代方案是，可以考虑开采和开挖方法来修建电站的空腹空间。也就是说，浇注RCC时，将不凝结的/非粘性材料(如砂和碎石)填置于电站的空腹地带。只有当电站空腹上方的RCC浇注充分完成后，才可以开挖填料。这种建造电站空腹的方法对RCC浇注的影响最小。

4 应力条件

作为超高RCC坝内电站空腹应力条件的实例，可行性研究中，调查了一座高270 m的RCC重力坝。大坝坝基的最大宽度约为2 260 m。大坝的坝块在河道中，电站空腹长×宽×高为305 m×37 m×70 m，与发电机组一起布置在坝体内。变压器/开关站布置在坝坡的下游，应力分析中可不予考虑。

坝体内布置了这样的空腹，意味着坝内的应力分布将会受到影响。空腹周围的混凝土内，有可能会出现应力集中和拉伸应力，局部需要加强或采用更高等级的混凝土。为了识别这些应力区，对坝块进行了二维有限元分析。所使用的有限元的计算模型的二维视图如图1所示。大坝混凝土块的最大边长限制为10 m。空腹顶部区域的网格则要求更细。

图1 计算模型使用的有限元网格

在常见的荷载条件下，包括静荷载、常见的上游和下游静水压力、隆起和泥沙荷载，计算的应力如图2所示。从图2可以看出，拉伸压应力发生在限制区内电站空腹的上游上角和下游下角，它们一般小于1.0 MPa，在采用普通钢进行加强处理的范围内。主压应力一般为竖直方向，与常规惯例一致。电站空腹最大的主应力介于4.0～5.0 MPa，仍在允许的混凝土应力范围内。压应力集中出现在电站空腹周围混凝土的边缘，其强度为9.4 MPa，很好地维持在允许的混凝土抗压强度之内。在常见荷载条件下，坝踵处没有产生拉伸应力，且坝踵和坝趾的应力集中是适度的。

图2常见荷载下的主应力矢量示意

从上述计算结果来看，大坝混凝土的应力条件没有因为坝体内布置有电站而明显恶化。而且，由于电站空腹位于坝体的中部，应力也不会因为地震载荷而明显增加。

刘 明 译自英刊《水力发电与坝工建设》

2011年第12期

赵秋云校

TV74

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1006-0081(2012)09-0027-04

2012-06-16