厄瓜多尔TP水电站TOACHI大坝工程导流设计优化成果浅析

张昆鹏

厄瓜多尔TP水电站TOACHI大坝工程导流设计优化成果浅析

张昆鹏

根据招标文件及技术规范要求，承包商完全负责TOACHI大坝导流围堰的设计与施工，且为总价承包项目，我方在认真研究招标文件及现场实地考察，综合整体招标设计、地质、水文等资料后，认为招标文件中围堰设计过于保守，在实施过程中有优化及修改方案的基础及条件，通过与专家讨论、经分析计算论证最终对围堰设计进行优化。

一、工程概述

厄瓜多尔TP水电站工程距离首都Quito约80公里。本工程由两级电站组成，均为引水式电站，各装机3台，装机分别为49MW、204MW。TOACHI大坝工程属二级电站工程，为混凝土重力坝，全长157m，最大坝高69m，共布置9个坝段，其中在3#和4#坝段共布置2个导流底孔和2个表孔溢洪道，在5#坝段内布置一台小型发电机组。大坝混凝土主要分为基础混凝土、坝体混凝土、结构混凝土和高抗混凝土，设计混凝土浇筑量17.1万m3。

二、水文气象条件

本工程位于亚热带潮湿地区（海拔1000m~2000m），Toachi-Alluriquin二级电站处年均气温22.0℃，平均湿度90%，年均风速43Km/h。工区雨季在12月~5月，受地形影响，年降水量在800mm~2400mm。

三、优化设计对比（仅针对上游围堰进行优化）

1.投标阶段设计

上游围堰共由上、下游戗堤及中心粘土心墙围堰组成，上、下游戗堤成对称方式，堰顶高程933.5m、堰底高程922.85m，堰高10.65m、堰顶宽9.8m，粘土心墙顶部高程945m、堰高24.3m、堰顶宽6m，整体围堰底宽88.54m，设计开挖总量约7万m3，填筑总量约11.2万m3。

2.实施阶段设计

上游围堰结构形式由两部分组成，第一部分为上游子围堰，第二部分为上游粘土心墙围堰。

（1）上游子围堰由土、石混合料组成，主要承担引水功能，子围堰长约39m，围堰高度约13m，堰顶高程935.85m，堰顶宽度5m，迎水面坡比设计为1∶1.5，背水面坡比设计1∶1.3，最大底宽41m。

（2）上游粘土心墙围堰全长88m，为满足汛期水位壅高，设计堰顶高程仍采用原设计的945.0m高程，堰顶宽度6m，最大堰高22.15m，与子围堰合并后最大底宽79m；粘土心墙坡比为1∶0.2；粘土心墙两侧设堆石堤，迎水面坡比设计为1∶1.5，背水面坡比设计为1∶1.3；堆石堤迎水面外侧铺设块石护坡，坡比为1∶1.5。

3.工程地质条件

上游围堰处河床宽度约为15~20m，左岸边坡陡峭，覆盖层较薄，植被茂盛，河底可见大量孤石及河卵石；右岸边坡较为缓和，腐殖土覆盖层较薄，松散风化岩层较厚。

4.导流工程设计

本工程围堰使用年限小于3年，堰高小于50米，因此围堰设计等级为4级。导流洞断面为城门洞形，尺寸8.1m×8.8m，过流能力为640m3/s，相对应导流标准选用25年洪水重现期。

5.围堰优化稳定性计算

计算目标：安全系数计算

滑裂面形状：圆弧滑动

计算方法：瑞典条分法

安全系数：根据围堰设计等级，需满足安全系数K≥1.05。

为方便计算，将圆弧在水平长度上均分为10条，每条宽度2.23m。

取γb=γs=21KN/m3，采用圆弧法计算，考虑0.15g地震作用力影响，计算公式如下：

式中：

γb—湿容重，KN/m3；

γs—浮容重，KN/m3；

Ni—各条块间法向力，KN；

Ti —各条块间切向力，KN；

Wi —各条块重量，KN；

αi—通过各条块底面中点的半径与重力线之间的夹角，°；

b —条块宽度，m；

hi—各条块高度，m；

Qi—水平地震惯性力，KN；

Vi—垂直地震惯性力，Vi=Qi*2/3，向上为负，向下为正，按不利于稳定的方向取值，KN；

Mr—抗滑力矩，KN·m；

Mi—滑动力矩，KN·m；

φi—各块内摩擦角；

R —滑动面半径 m；

ci —各条块滑裂面上的凝聚力，取6KPa；

li —各条块滑裂面长度，li=b*secαi，m；

K —安全系数；

ah—水平向设计地震加速度代表值，取0.15g；

ζ—地震作用的效应折减系数，取0.25；

GEi—各条块产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值，GEi=γibhi，KN；

ai—动态分布系数；

g—重力加速度，取9.81m/s2。

各条块参数见下图所示：

经计算K= Mr/Mi =32186.4／29316.2=1.10>1.05，满足稳定性要求。

四、优化成果

经济效益：围堰截流后，充分结合原河床及堰底的自然地质条件，取消了原设计中约5万方的岩石开挖量，改为对原河床表面的松散材料清除后直接在岩石地基上填筑。通过方案优化，不仅减少了堰底本身的开挖量，在堰顶高度和堰体断面基本相同情况下，由于底部建基面的抬高，大大减少了围堰底部的填筑方量。方案优化后，缩短围堰施工工期近40天，节约总成本160.5万美元。

五、结语

在方案优化初期，项目业主及监理对我方优化设计及方案的通过评审存在一定的异议，在沟通及讨论过程中，项目部通过同等案例对比，数据说明等针对围堰的稳定性、可实施性、工期等多方面进行论证，最终得到业主及监理的认可并批准实施。整个工程项目严格按照质量标准环环控制，为厄瓜多尔政府上交了优质工程。2014年4月20日，TOACHI大坝上游围堰外水位直逼围堰顶高程，达到了TOACHI河十年洪水位，而围堰固若金汤，工程质量堪称上乘，得到了业主监理的认可和好评。

（作者单位：中国水利水电第六工程局有限公司）