玻利维亚伊卡拉水电站工程主要建筑物优化设计

包第啸，曹 阳

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

伊卡拉（ICLA）水电站工程位于玻利维亚首都苏克雷（Sucre）东南方向50 km，皮科马约河（Pilco⁃mayo）右岸索托马约尔村（Sotomayor）下游4 km 处。皮科马约河在流经坝址处的右岸山脊时，流向由东转南，形成了一个天然90°弯段。弯段上游为广阔的冲击平原，弯段处为狭窄的峡谷，河道高程2 060 m，河道两岸海拔均超过2 300 m，非常有利于大坝布置。河流流向的突变为溢洪道、导流洞和引水隧洞布置提供了理想的地形条件。

1 原方案总体布置

伊卡拉水电站以发电为主，同时兼顾下游农田灌溉。工程主要由挡水坝、溢洪道、泄洪洞、引水隧洞、地面厂房及附属建筑物、尾水渠等组成。

大坝位于皮科马约河河弯段上游700 m，为心墙堆石坝。心墙下方采用混凝土防渗墙，最深处穿越大约80 m的河床冲积物。坝顶高程2 167 m，最大坝高110 m，黏土心墙顶高程为2 164 m。水库的最高运行水位2 161 m，超高为6 m；在风速200 km/h时，波浪爬高为2.9 m。溢洪道位于大坝上游右岸垭口位置，采用闸门控制。在最高运行水位时下泄流量为3 780 m3/s；在10 000 a一遇洪水时，水库水位为2 164.2 m，可下泄4 550 m3/s。引水隧洞和泄洪洞相结合，泄洪放空洞满足15 d内，水库水位降至2 123 m 要求。隧洞断面为圆形，内径10.6 m，钢筋混凝土衬砌。引水隧洞为泄洪洞的支洞，进口位于泄洪洞下游侧，和厂房压力钢管相接。厂房为地面厂房，装机容量102 MW，为3 台混流式机组，单机容量34 MW。下游设有尾水渠，位于右岸覆盖层中，尾水水位2 044 m。开关站位于厂房顶部，采用单回路220 kV输电线。

2 优化设计

2.1 挡水建筑物

2.1.1 坝型选择

前期地质勘探成果表明，本工程采用的当地材料坝是比较经济的坝型。由于坝基为深厚的覆盖层，基础变形较大，推荐坝型为黏土心墙土石坝。该坝型受力简单，适应基础变形能力强。坝基防渗采用混凝土防渗墙。建筑材料的调查延伸到坝址上游约10 km 的索托马约尔村，此处分布有大量的砂和砾石。工程区内坝壳的建筑材料储量丰富，质量较好，基本满足坝体心墙材料的要求。开采的岩石可以作为填筑料，经过轧制处理后，还可以作为坝体排水材料和混凝土骨料。

2.1.2 坝顶高程

原方案中拦河坝的坝顶高程为2 167 m，水库10 000 a 一遇洪水位为2 164.2 m，最高运行水位为2 161 m，黏土心墙顶高程为2 164 m。坝顶未设防浪墙。由于波浪爬高为2.9 m，按照规范复核，设计工况坝顶安全超高为1.5 m，校核洪水时安全超高为0.7 m，将坝顶高程提高至2 167.8 m，并设置高1.2 m的防浪墙。防渗体（黏土心墙）的顶高程应高于校核洪水位，但原方案心墙顶高程偏低，抬高至2 165 m。

2.2.3 基础防渗设计

拦河坝基础坐落在深厚覆盖层上，坝基防渗标准采用3 Lu。坝基砂卵砾石的渗透系数变化很大，包括深度方向和坝体延展方向，须对基础采取切实有效的防渗措施。1982 年版招标文件推荐垂直防渗方案，选用混凝土防渗墙。大坝的防渗心墙与其下部的垂直混凝土防渗墙联接，形成整个防渗屏障。两岸坝肩岩石出露，采用帷幕灌浆进行防渗处理。根据两岸坝肩基础渗透性和地下水情况确定帷幕的排数、深度和范围。

2.2 泄水建筑物

本工程采用溢洪道和泄洪洞联合泄流。根据坝址地形地质条件，溢洪道布置在右岸垭口。溢洪道分3孔，每孔宽14 m，设弧形闸门，闸门尺寸为14 m×11.5 m（宽×高）。中间闸墩厚3 m，边墩厚2.3 m，墩顶高程2 169 m。溢洪道堰顶高程2 151 m，为WES堰面，下游接反弧段，反弧段接坡比为6%的泄槽段，泄槽宽48 m。10 000 a一遇入库洪峰流量10 600 m3/s，经水库调蓄后，出库流量6 570 m3/s，其中低水位泄洪洞下泄2 250 m3/s，溢洪道需承担4 320 m3/s，上游水库最高水位为2 164.2 m。经验算，在流量系数为0.52、收缩系数为0.95 时，溢洪道泄流能力为4 407 m3/s，满足泄流要求。

2.3 发电引水建筑物

原方案采用引水隧洞与泄洪洞结合，在泄洪洞下游控制闸前设一条短支洞，隧洞出口接压力钢管。压力钢管直径5.0 m，由上水平段、斜坡段和下水平段组成。优化方案中，引水隧洞与泄洪洞平行，由水平段、斜井段和高压水平段组成。电站进水口布置在大坝右岸上游约250 m 处，为竖井式，采用一管三机的引水方式。引水压力管道长290.54 m（含5 m长渐变段），内径5.5 m。渐变段后接下弯段，长13.51 m，钢衬内径4.5 m。下弯段末端接近厂房处为岔管段，长44 m，分成3个支管，支管内径2.6 m。

优化方案中，电站进水口的位置尽量靠近泄洪洞。高压管道加长了钢衬段长度；在混凝土衬砌段和钢衬段相接处增设深层帷幕灌浆，钢衬段增设止水环。

2.4 厂房

主厂房位于河流90°弯道以下，在主坝轴线下游约1 000 m 处，为地面厂房，装机容量为102 MW，安装3台立轴混流式水轮机，单机容量34 MW，年均发电量404.5 GW·h，最大净水头为117 m，最小净水头86 m，平均净水头111 m，设计流量120 m3/s。

2.5 尾水系统

尾水系统包括尾水支洞、尾水闸门室、尾水洞、尾水埋涵及尾水渠等建筑物。为增加有效发电水头，在河流左岸冲积层开挖尾水渠，尾水渠从主厂房延伸到下游约3 km 处。尾水洞与尾水渠间，穿越河床部位采用埋涵型式连接，埋涵采用双孔结构。

3 优化方案评估

（1）在进行了地质、水文补勘的基础上，进一步优化了工程总体布置，确定工程总布置方案和主要特征指标。

（2）在补充地质勘查的基础上，进一步分析了大坝的渗透稳定以及坝体的应力应变，优化了大坝的断面。

（3）大坝坐落在深厚覆盖层上，覆盖层厚度大于80 m，优化方案中改进了防渗墙的结构型式，使施工更便捷，投资更经济。

（4）复核了原方案溢洪道孔口尺寸，优化溢流堰堰面曲线，并通过水工模型试验进一步验证了溢洪道泄流能力和消能措施。

（5）优化了泄洪洞和引水隧洞布置，节省了金属结构工程量，方便运行管理。