针对某水电站技改工程的研究

刘辉

（神华四川能源有限公司，四川 成都 610011）

某公司二级站于2008年5月经历“5.12”大地震，于2013年7月经历“文家沟”特大泥石流灾害。现在的整个绵远河河床平均有约20m深，全部是不稳定的泥石流堆积体，局部达到70～80m。鉴于上述情况，考虑电站多次受灾的特殊性，本着临时兼顾“长久”的设计理念，本文重点研究了黄水河临时取水枢纽处渡槽消能设施的设计。

1 工程概况

1．1 工程概况

电站位于绵竹市清平镇境内绵远河上游，总装机容量2.3万千瓦，共4台机组（其中一级站2×4000kW，二级站2×7500kW）。电站属无调节径流式水电站，两级电站分别距绵竹市区48、39km。黄水河原取水枢纽位于黄水河渡槽上流130.0m处的黄水河干流上，坝长22.5m，最大坝高4.95m。通过128.5m的黄水河引水隧洞，引用流量3.0m3/s，作为补充水源进入3号隧洞末端。

1．2 工程现状

电站地理位置比较特殊，它位于龙门山地震带，地处2008年“5.12”大地震震中的映秀与绵阳青川、北川之间。2008年地震时二级站厂房下游（绵竹河与雍家沟交汇处）出现断裂带，断裂带宽约1～2m。

1．3 工程任务

本报告主要根据黄水河“6.26”受损实际情况，分析其破环原因同时结合国内已建工程的实例，研究黄水河过水箱涵溢流面及消能设施的改造恢复的可行性方案。

2 工程改造建筑物布置

2．1 工程等别和标准

水电站为引水式电站，工程以发电为主，电站装机23MW，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）等指标，二级水电站为小（一）型水电工程，工程等别为Ⅳ等，其永久性主要建筑物（引水发电建筑物、取水口等）按4级设计，次要建筑物按5级设计。

2．2 黄水河取水枢纽现状及整改原因

2．2．1 现状情况

二级电站地理位置比较特殊，它位于龙门山地震带，受“5.12”地震次生灾害及绵茂公路工程建设弃渣影响，2018年主汛期来势凶猛的超设计标准洪水中夹杂着大量的泥石流，极大地削弱了电站各水工枢纽的防汛能力，含有大量泥石流的洪水将渡槽下游坝面破坏并使钢筋外漏，同时，2017年修复的消能设施直接被洪水冲走，渡槽下游保护结构受损严重，渡槽下游抗冲能力变弱。

2．2．2 工程布置情况

二级水电站位于绵竹市汉旺镇清平乡以上河段。该电站上接一级水电站尾水，为引水式径流电站。电站厂区位于绵远河右岸黑滩子处，距绵竹市38km，距上游一级电站厂房8.0km。电站由清水河取水枢纽、3号输水隧洞、黄水河取水枢纽、黄水河渡槽、4号输水隧洞、厂区枢纽六部分组成。清水河取水枢纽位于清水河干流上，取水枢纽为底格栏栅坝，坝长35.0m，最大坝高15.7m。库水经3号隧洞、黄水河渡槽、4号隧洞、压力前池和压力钢管至二级水电站厂房；黄水河取水枢纽位于黄水河渡槽上游130.0m处的黄水河干流上，坝长22.5m，最大坝高4.95m。通过128.5m的黄水河引水隧洞，引用流量3.0m3/s，作为补充水源进入3号隧洞末端。电站设计水头221.0m，引用流量8.0m3/s，装机2×7500kW，年发电量约7000万kW·h。

表1 技术、经济比较表

2．2．3 黄水河主要建筑物修复方案比选

存在的问题：黄水河过水箱涵溢流面损毁。原因分析及主要结论：2017年过水箱涵溢流面修复采用下部钢筋石笼+表层50cm钢筋混凝土的形式，经现场踏勘，过水箱涵现状与去年修复前的现状一致，主要破坏了修复设施。经过破坏分析，由于特大洪水来势快且流量大，钢筋笼下部为砂卵石基础，由于往年受投资限制，防冲深度一直未达到设计要求，2018年的超标洪水在下游不断冲刷，逐步形成破坏面，导致整个钢筋石笼基础不稳向下游滑移破坏。由于钢筋石笼与面板钢筋整体连接，整个面板与钢筋石笼整体破坏损毁。

综上所述，得出如下结论：（1）产生破坏的主要是超标洪水淘刷基础，基础沉降导致修复钢筋石笼及面板整体破坏；（2）过水箱涵整体稳定性是可靠的，但是，在下部掏空及水流长期作用下，存在破坏的风险较大。（3）经现场踏勘，超过2m以上的巨石基本未产生位移，随水流向下滚动的石块主要为2m以下的石块。

修复方案一。采用下游修筑拦砂坝（至基础），渡槽下游保护坝面采用50cm厚抗冲耐磨混凝土，同时在坝表面铺设废旧钢轨，增加坝体表面的抗冲耐磨强度及结构的刚度。废旧钢轨间距为30cm，表面略高于坝体混凝土表面0.5cm。

修复方案二。采用下游修筑拦砂坝（至基础）+框格梁加废旧钢轨防护的结构形式进行过水箱涵的加固。渡槽下游坝体采用抗冲耐磨混凝土进行修复，同时，在拦砂坝基础上设置3排直径为1.2m的柱子，柱子外侧用钢板进行保护，在柱子上设置横梁，废旧钢轨铺设在横梁上，钢轨顺水流方向坡度为1:3.0，钢轨中心间距为35cm，此方案钢轨与坝体表面有一定距离，大于30cm的石头会经钢轨顺水流冲入下游，不会危及坝体表面结构稳定，小于15cm的沙石会掉入钢轨与坝体表面的空间，但由于此空间在洪水时会有一定的水深，对坝体表面的结构也会有一定的保护，不会对坝体混凝土造成结构上的破坏。

方案比较：（1）充分利用当地建筑材料。设计时，材料的选择尽可能利用当地建筑材料。回填料可以充分利用工程河道开挖料，采挖运输方便，又可以结合河道疏浚。河道内块卵石料储量较为丰富，能够部分满足工程需要。（2）考虑施工队伍特点，确保工程质量。设计时考虑施工队伍特点，本工程结构设计较为简单，对施工队伍的专业化要求均不高。严格施工管理，加强工程质量监督，可确保工程质量。（3）适应黄水河工程改建需要。设计遵循国家及地方有关规程、规范和条例，结合本工程短期需求和长远运行目标，保护结构稳定和提高经济效益。（4）改善河床行洪能力。因势利导顺应河道河势特性，改善局部险工险段的行洪防洪能力，控导河势朝有利方向发展，有利于后期工程管理。

根据工程场地的地形地质条件、建筑材料条件、工程造价和当地的施工技术水平，初拟以上两种方案进行比较。两种形式均主要利用当地材料，施工技术要求不高，具有较强的适应性和可比性。

经表1综合技术、经济等方面比较可知：

（1）施工技术：施工技术要求相当。

（2）工程投资：两种方案混凝土用量相差不大，工程造价相当，方案二略高。

（3）功能性：均能满足防洪及结构稳定要求，方案二保护作用更强，会避免坝面直接受上游泥石流的冲击，年维修费用较低。

根据上述比较成果，结合工程河段地质条件、地形条件、场地条件、实际对结构功能的要求等条件，工程河段涉及河道较窄及地质灾害等区域，采用抗冲刷能力强及受力条件更好的方案二比较合适，故本项目选择方案二。

2．3 主要建筑物-黄水河拦砂坝

2．3．1 坝轴线选择

结合现场实际情况，初拟冲砂孔出口断面作为拦砂坝坝轴线，主要选择理由为：（1）两侧均出露较完整的基岩；（2）如果向上游移，坝轴线位于现有流面下部，开挖及混凝土浇筑均无法施工；如果下下游位移，增长流面长度，第二拦砂长度增加，所以均不适宜；所以，坝轴线从地质上和工程投资上均以冲砂孔出口断面作为拦砂坝轴线是合理的。

2．3．2 坝体体型结构

采用重力坝结构形式，结合地质勘探情况，重力坝坝高为9.4，顶宽2.0，底宽5.36m，上游采用立面，下游面坡比1:0.2；设置两排排水孔，排水孔采用φ20mm波纹管，间距5.0m，排水孔前采取反滤措施。

2．3．3 基础处理设施

为了加强拦砂坝稳定，在基础上采用砂浆锚杆锚固，采用φ25，L=4.5m间距为2.0/4.0m砂浆锚杆，入岩3.0m,外露1.5m。

2．3．4 拦砂坝的稳定计算。

（1）计算方法。混凝土重力坝坝体稳定采用刚体极限平衡法计算，分别计算各坝段不同水平截面（包括坝体混凝土碾压层面、坝体混凝土-基岩结合面）上的外加荷载及应力，并计算出抗剪和抗剪断稳定安全系数，以及坝基截面的垂直应力。为了确保结构即使在排水系统失效时也能安全运行，本次设计时扬压力考虑全水头。

式中，K’为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数；f’为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；C’为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，kPa；A为坝基接触面截面积，m2；ΣW为作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的法向分值，kN；ΣP为作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的切向分值，kN。

坝基截面的垂直应力按下式计算：

式中，σy为坝踵、坝趾垂直应力，kPa；ΣW为作用于坝段上或1m坝长上的全部荷载在坝基截面上法向力总和，kN；ΣM为作用于坝段上或1m坝长上的全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，kN·m；A为坝段或1m坝长的坝基截面积，m²；x为坝基截面上计算点到形心轴的距离，m；J为坝段或者1m坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩，m4。

（2）计算参数。

水容重γw：9.81KN/m3

混凝土容重γc：24KN/m3

坝基面抗滑稳定安全系数和坝基应力应满足表2规定的数值。

表2 抗滑稳定安全系数和坝基容许应力

重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力在运用期的各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力。

根据计算，拦砂坝抗滑稳定安全系数及坝基容许应力满足规范要求。

3 施工组织设计

3．1 施工条件

（1）对外交通现况及近期拟建的交通设施。水两级电站分别距绵竹市区48、39km。德茂公路直到二级站厂房，二级站至一级站临时道路由于汛期河道泥石流作用，均已冲毁，现目前正由四川路桥公司进行临时道路恢复施工。本工程施工道路主要依靠德茂公路临时公路，但是，其中黄水河施工场地距离临时道路约2.0km需要自建临时施工道路。

（2）工程建设期的要求。该工程的工程建设期在枯水季节，主要为当年10月～次年4月，总工期控制在7个月以内。

3．2 施工导流截流

本工程黄水河过水渡槽加固工程需要进行施工导流。

（1）导流标准。本工程围堰采用砂砾石填筑，迎水面采用土工布防渗，采用5年洪水重现期作为导流标准。

（2）截流方式及流量。本防洪堤工程安排在枯水期施工，由于枯期流量较小，河流主要水量引至进水口，因而施工中仅有少量来水，施工中在左侧设置围堰采用φ80波纹管进行施工导流。基坑采用排水泵进行抽排水，分段施工。根据本工程需要，工程进点后，11月完成施工准备工作，12月完成拦砂坝基坑开挖工作，1月开始混凝土施工，3月底完成混凝土施工，4月初拆除围堰。

3．3 主体工程施工

本工程2019年1月即开始逐步进行前期基坑开挖，开挖到设计高程即进行拦挡坝基础趾板混凝土的施工，并开始相邻段基坑开挖，完成趾板浇筑后，即利用上一段基础开挖的砂砾石料进行堤体填筑，如此分段循环施工，直至完成全部堤防填筑和面板等施工，于3月底完成全部填筑和混凝土施工。

（1）砂卵石开挖。砂卵石开挖：采用1.6m³反铲配合8t自卸车开挖砂卵石层，人工清基。开挖质量合格砂卵石就近堆放以备填筑。前期废弃料采用自卸汽车运输至河道内临时渣场弃渣，后续段防洪堤开挖砂卵石直接运输至已建段防洪堤进行回填。

（2）砂卵石回填。堤体土石回填采用8t自卸汽车运至填筑作业面倒退卸料，蛙式打夯机辅人工分层夯实，对于防洪墙背后的填料及大型振动碾难以碾压的边缘地带，采用蛙式打夯机辅人工分层夯实。

（3）混凝土浇筑。本工程挡墙为C20砼。施工程序：施工准备→仓面处理→仓面验收→砼浇筑→砼养护。

采用分段跳仓浇筑，分段按挡墙沉降缝分段，分仓按段每1.5m高为一仓，仓面浇筑分层连续浇筑，一次成型，每层厚度30～50cm。分层间隔浇筑时间不得超过试验所确定的混凝土初凝时间，以防出现施工冷缝。

砼由拌合站的0.4m³拌和机生产，砼水平运输采用机动翻斗车辅以胶轮车运送至需用点，料斗至仓面水平及垂直运输采用串筒入仓。块石由自卸汽车运至仓面附近，然后，人工抬运入仓。

4 结语

总之，地震产生含有大量泥石流的洪水不仅增大了对水工设施的破坏力，而且淤堵库区、河道，降低河道行洪能力。只有相关人员通过现场资料的收集、调查、研究、论证，工程场地的地形地质条件、建筑材料条件、工程造价和当地的施工技术水平方案的综合比较，才能研究出最合理的施工组织方案，积累更多的施工经验，从根本上保证工程质量和工程施工的有序开展。