缅甸道耶坎Ⅱ级水电站枢纽布置设计

万云辉,张 超,熊泽斌,孔凡辉

(长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉430010)

0 引 言

道耶坎Ⅱ级水电站位于缅甸锡唐(Sittaung)河流域,东吁(Taungoo)市以东21 km,对外交通条件较便利。枢纽布置是道耶坎Ⅱ级水电站设计的重要内容。在设计过程中,需考虑的因素众多,主要包括水文气象、工程地质条件、主要建筑物设计方案、施工组织等,枢纽各建筑物布置的合理性直接影响电站投资、功能和效益发挥[1-3]。在前期的枢纽布置研究中[4-6],主要考虑如何适应工程客观条件,发挥工程最大效益,而对工程建筑物形式调整和优化、自然环境影响等的考虑偏少。道耶坎Ⅱ级水电站采用当地材料坝,既要满足枢纽的各项任务和功能要求,又要因地制宜充分发挥当地材料坝的优点[7]。道耶坎Ⅱ级水电站地处东南亚热带雨林,森林覆盖率98%,自然环境条件优良,植被茂盛。通过在枢纽布置方案设计中对挡水建筑物大坝坝型方案的调整,可节约当地的黏土资源,减少料场开采、运输对热带雨林的破坏,最大限度地保护当地人民群众赖以生存的自然环境。

道耶坎Ⅱ级水电站枢纽工程区主要为全强风化岩体,抗冲刷和风化能力差,给水工建筑物设计带来较大的挑战。本文主要介绍了道耶坎Ⅱ级水电站枢纽布置设计方案优化过程,总结了枢纽布置的主要特点,可为今后类似东南亚地区水电站工程设计提供参考。

1 工程概况

道耶坎Ⅱ级水电站坝址以上流域面积2 152 km2,多年平均流量为134 m3/s,多年平均径流量为42.2亿m3。正常蓄水位为127.00 m,校核洪水位为130.34 m,总库容4.470亿m3,调节库容3.026亿m3,电站装机容量为120 MW,年平均发电量为6.047亿kW·h。电站开发任务以发电为主,兼有灌溉及其他效益。枢纽工程主要由河床混凝土面板堆石坝、3座副坝、左岸正常溢洪道、非常溢洪道和引水发电系统等组成,工程规模大,枢纽布置需考虑复杂的水文气象、工程地质、社会环境等因素。

根据规范GB 50201-2014《防洪标准》、NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》,道耶坎Ⅱ级水电站为Ⅱ等大(2)型工程,大坝、溢洪道、引水发电等主要永久水工建筑物均为2级建筑物,设计洪水标准为500 a一遇,对应洪峰流量为3 560 m3/s;校核洪水位按5 000 a一遇洪水加20%洪峰流量设计,对应洪峰流量为6 200 m3/s。工程场址区基本烈度为Ⅷ度,壅水建筑物抗震设防类别为乙类,非壅水建筑物抗震设防类别为丙类,均采用基本烈度作为设计烈度,相应设计地震加速度代表值为0.3g。

电站于2008年11月开工,2010年10月完成截流,2012年12月下闸蓄水,2013年3月,3台机组全部并网运行,工程总投资约18亿元。截至2023年,工程各项运行指标优良。

2 水文气象与地质条件

2.1 水文气象条件

道耶坎河是锡唐河左岸一级支流,流域形状为长条形。从河源到与锡唐河汇合处,主河长约120 km。河源处高程为1 450 m,河口为40 m。工程所在流域为热带气候,受季风影响,一年分为两季,即雨季和旱季。雨季通常从5月中旬持续至10月中旬,降雨量可占全年90%左右。流域年均降雨量约2 692 mm。多年极大风速6.4 m/s,风向ES,最小风速0.2 m/s,风向SN。

2.2 地形地质条件

道耶坎Ⅱ级水电站坝址处河谷形态大致呈“V”形,右岸地形坡度23°～32°,左岸自然坡度31°～36°。正常蓄水位127 m高程处河谷宽度为333 m,枯水期河水面宽45 m,水深1～2 m。河床覆盖层为冲积砂砾石,厚6.6 m,未发现可能产生地震液化的粉土或细砂层等不利地层。河床基岩主要为砂岩及变质砂岩,其中右岸基岩主要为片岩夹变质砂岩,左岸主要为变质砂岩夹片岩,呈薄层状至碎裂状结构,夹少量中厚层状结构。岩层走向300°～320°,倾NE(倾上游),局部倾SW(倾下游),倾角60°～68°,岩层走向与河流流向近直交,为横向谷。

电站坝址区岩体抗风化能力差,左岸岩体条件略好于右岸。左坝肩B19、B1、B2等3个钻孔揭露的岩体强风化带深度分别为25.0,27.0 m及14.5 m,右岸沿坝线部位实施的6个钻孔中,B5揭露的全风化带深度大于60 m,B6揭露的岩体全风化带深度大于40 m,右岸坝线上游存在风化深槽。地质勘探资料表明:建坝岩体中发育有F1、F2两条主要结构面,岩体结构以碎裂结构为主,近地表为碎裂状夹散粒状结构,岩体较破碎-极破碎。坝肩岩体中的变质砂岩及石英岩属中硬-硬岩,抗风化能力强,岩体以Ⅲ类和Ⅳ类为主;片岩、黑片岩属软岩,抗风化能力差,该类岩体以Ⅳ类及Ⅴ类为主。坝址区分布的透水介质类型主要为裂隙性(基岩)和孔隙性(冲积砂卵石、残坡积土体和全风化岩体),全、强风化岩石和砂卵石为强透水层,弱风化-新鲜岩石和残坡积土体为弱-中等透水层。

3 枢纽布置方案

3.1 主坝坝型选择

根据地形资料,可选坝址处河谷宽高比约为4∶1。坝址基岩主要以砂岩、变质砂岩及片岩为主,片岩为软岩,不适宜建设拱坝,若建重力坝则基础处理工程量极大。此外,该工程地处缅甸欠发达地区,应尽量减少水泥、钢筋等外来物资运输量。基础设计阶段推荐主坝坝型为黏土心墙堆石坝,坝顶高程132 m,心墙顶高程131.5 m,河床建基面高程40 m,最大坝高92 m,坝顶宽10 m,坝顶长度390 m。大坝上游坝坡坡比为1∶3.15,下游坝坡坡比为1∶2.15。心墙坝上游围堰与大坝结合,采用黏土心墙防渗。大坝心墙部位建基面采用固结灌浆,在心墙中心线上布置一排主帷幕孔,孔深80 m,主帷幕孔上下游各布置一排辅助帷幕孔,孔深50 m。对于强风化岩层未完全挖除的黏土心墙堆石坝基,将根据实际情况采取防渗墙再接灌浆帷幕的措施。防渗帷幕按灌后基岩透水率小于3 Lu控制。黏土心墙堆石坝和上游围堰分别需黏土62万m3和22万m3。

对前期设计选取的2个土料场储量进行重新计算:位于右岸的3号料场储量约42万m3,位于左岸的7号料场总储量33万m3,合计75万m3,储量无法满足黏土心墙的填筑要求,需寻找其他填筑方案。

根据缅甸WREUT公司进行的试验结果,两料场土料的液限及塑限超出了SL 274-2020《碾压式土石坝设计规范》规定的心墙黏土料的上限值,存在施工碾压困难、孔隙水压力难以消散、黏土心墙质量难以控制等问题,而混凝土面板堆石坝可以适应当地地形地质条件,且不会面临黏土心墙坝心墙土料料源因难的问题。此外,缅甸雨季持续时间长,对面板堆石坝施工影响小,对黏土心墙填筑影响较大,且黏土心墙堆石坝的黏土心墙填筑需在基础帷幕灌浆完成后进行,施工工期较长,直线工期需30个月,而混凝土面板堆石坝施工直线工期只需17个月。并且,面板坝总填筑量少168.72万m3,工程静态投资可节省684万元。

综合上述因素,在实施阶段,主坝采用混凝土面板堆石坝的施工方式。

3.2 副坝布置

3个副坝布置于大坝库区左岸的几个垭口处,距离大坝直线距离约2 500 m,均为均质土坝,坝顶高程均为134.0 m。

3.3 溢洪道布置

前期设计方案溢洪道采用无闸开敞式方案,控制段采用低堰,堰面采用WES曲线,堰顶高程127 m,净过流堰宽400 m,下游与泄槽段混凝土底板用1∶0.5的坡衔接,泄槽段混凝土底板厚30 cm,距离堰顶断面20 m后泄槽不衬砌,顺水流方向开挖坡比为1∶800。该方案存在以下问题:① 溢洪道宽度较大,开挖山体厚度超过50 m,开挖工程量大,工程投资大;② 尽管泄槽内最大单宽流量不超过15 m3/(s·m),但上、下游最大水头差超过60 m,泄槽末端流速将超过20 m/s,而消能区基础岩体主要为强风化砂岩,裂隙发育,抗冲流速一般小于5 m/s,消能防冲问题突出。

经充分论证研究,在可行性研究阶段,将溢洪道调整为有闸控制的溢洪道,泄洪轴线方向与无闸控制溢洪道一致,共设5个表孔,采用低堰形式、堰面采用WES曲线,堰顶高程115.0 m,孔口尺寸为10 m×12 m(高×宽)。泄槽宽62 m,底板及两侧均采用厚钢筋混凝土衬砌,并布置锚筋和底部排水。有闸控制溢洪道可节省投资11 057万元,且采用全钢筋混凝土衬砌泄槽,安全风险低;在地震时可降低库水位,震后低水位有利于安全和检修,在施工后期,有利于导流隧洞封堵及提前发电,调度灵活。

3.4 引水隧洞及导流隧洞洞线选择

前期设计方案中引水隧洞布置于左岸,紧靠大坝,导流洞位于左岸上游。该方案引水洞进出口开挖相对较少,但引水洞上覆岩体较薄,尤其在大坝下游的大冲沟位置,上覆山体仅30 m,而岩石地震波速为2 500 m/s左右,岩体质量较差;导流洞地质条件虽较好,但洞轴线较长。

根据现场查勘情况和实测地形图,推荐将引水洞往左侧平行移动约80 m,导流洞轴线调整到原引水洞的轴线位置。虽然调整后两条洞进口开挖有所增加,但引水洞上覆岩体显著增加,最小厚度约70 m,地质条件明显改善;导流洞轴线长度从800 m缩短到500 m。另外,相对于原引水洞,导流洞底板高程降低20余米,上覆岩体厚度增加较多,具备成洞条件。道耶坎Ⅱ级水电站枢纽布置示意见图1。

图1 道耶坎Ⅱ水电站枢纽布置示意Fig.1 Layout of Thaukyegat Ⅱ Hydropower Station

4 主要建筑物设计

道耶坎Ⅱ水电站工程主要建筑物由河床混凝土面板堆石坝、3座副坝、左岸正常溢洪道、非常溢洪道和引水发电系统等组成。

4.1 混凝土面板堆石坝

主坝布置于WWS向河谷的主河床,为混凝土面板堆石坝,坝顶高程133 m,河床趾板基础高程42 m,最大坝高91 m,坝顶长度381.0 m。面板顶高程129 m,坝顶上游面布置防浪墙,墙高5.2 m。上游坝坡坡比1∶1.4;为提高大坝抗震性能,下游坝坡上缓下陡,在高程109.0 m以上和以下的坡比分别为1∶1.5和1∶1.4,并在高程109.0 m、84.0 m和55.0 m分别设3 m宽马道。

根据坝体各部位工作和受力条件、填料来源及其特性,大坝主要分为上游铺盖区、盖重区、垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区、下游护坡和压坡等。盖重区采用建筑物开挖的弃渣填筑,其他均采用料场开挖的微新花岗岩填筑。

4.2 副 坝

3座副坝布置于主坝左岸上游的几个垭口处,距离大坝直线距离约2 500 m,均为均质土坝。3座副坝坝顶高程均为134.0 m,坝顶宽度均为8.0 m,上、下游坝面坡比分别为1∶3.5和1∶3.0。其中,1号副坝最大坝高20.8 m,坝顶长度98 m;2号副坝最大坝高30.3 m,坝顶长度147.0 m;3号副坝最大坝高46.2 m,坝顶长度254 m。

4.3 溢洪道

溢洪道布置在主坝上游左岸的鞍部山体,距离主坝直线距离约700 m。溢洪道由进水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎、下游消能区等组成。

引水渠渠底高程110 m,渠底宽75 m,中心轴线长54.3 m。闸室为开敞式,坝顶长度140.8 m,共5个表孔坝段,孔口尺寸为10 m×12 m(宽×高),堰型曲线为WES曲线。

泄槽净宽70 m,上缓下陡,上半段坡比1∶100,下半段坡比1∶2.5,中间采用竖坡曲线衔接,泄槽底板厚80 cm。泄槽底板设置卵石填充内包排水软管的排水盲沟。采用挑流消能,挑坎反弧半径R=25 m,挑角25°,挑坎底高程54 m,在挑坎底板末端设置齿脚。

4.4 非常溢洪道

非常溢洪道布置在1号副坝与2号副坝中间的小山丘上,底部开挖高程127.0 m。流道中间设置挡水埂,长92 m,顶部高程127.5 m,顶部总宽5.0 m,由填土和干砌石组成,其中填土总宽4.4 m;上下游各设顶宽0.3 m的干砌石护坡,护坡坡度1∶1.5。

4.5 引水发电系统

引水发电建筑物布置在河道左岸,采用引水式岸边明厂房型式,安装3台单机容量40 MW的混流式水轮发电机组,总装机容量120 MW。引水发电系统由引水系统、电站厂房、尾水渠及地面开敞式开关站组成。

引水隧洞长538 m,厂房为岸边地面厂房。引水隧洞进水口高程77 m,上游设置拦沙坎,坎顶高程80.0 m,引水洞直径8.5 m,出口采用斜三岔管,岔管直径3.5 m。

电站厂房位于主坝下游左岸滩地,厂房尺寸为66.70 m×37.70 m×39.40 m(长×宽×高)。厂房建基面高程35.00 m,机组安装高程46.50 m,发电机层高程57.50 m,尾水平台高程59.00 m。尾水渠轴线垂直于厂房纵轴方向,渠底高程47.00 m。厂房开关站为开敞式,布置在厂房进厂公路左侧,地面高程为64.00 m,平面尺寸为91.56 m×66.80 m(长×宽),其下游侧设进场公路连接厂房进厂公路。

4.6 导流建筑物

导流建筑物由导流洞、上下游围堰组成。导流洞布置在左岸。按20 a一遇洪水设计(最大洪峰流量1 930 m3/s),导流洞长500 m,断面为马蹄形,断面尺寸10.0 m×10.9 m(宽×高),净过流面积95 m2,隧洞进口高程50 m。上下游围堰顶高程分别为84 m和55 m。

5 工程主要特点及成果

(1) 强风化岩层上修建高水头趾板。混凝土面板堆石坝防渗体系一般由厚度不到1 m的混凝土趾板、面板及其分缝止水和基础帷幕组成,关键在于趾板定线及建基面的选择。按一般的设计理念,高水头面板堆石坝趾板基础要进入弱风化岩层,而本工程坝基岩体岩性软弱,岩石风化强烈,呈不均匀风化,全强风化层深度较厚,多为30～40 m,左右岸全风化槽发育,局部达60～80 m。如果大坝趾板基础全部进入弱风化岩层,则工程量增加较多。经过分析研究,最终确定趾板基础大多位于强风化岩体之上。

(2) 软弱地区边坡处理及洞室开挖支护。溢洪道、导流洞进水口、厂房进水口等建筑物边坡多为强风化围岩条件,且大直径导流洞和引水隧洞多次穿过软弱岩层。对此,总结出一套软弱地区边坡处理及洞室开挖支护的设计方法,并提出了相应的设计原则、分析方法及技术标准,有效保证了边坡稳定和地下洞室成洞。

(3) 软弱岩层消能防冲设计。溢洪道消能区底板高程以上基本位于全风化区,为防止泄槽挑坎基础被淘刷和有效改善水流对消能区边坡的冲刷,采取“柔性防护,先冲后护”的原则,明渠底板采用厚80 cm柔性排水垫底,明渠扩散段下游不进行专门的衬砌。与工程量巨大的传统刚性防护方法相比,节省了大量的施工资金,加快了施工时间。

(4) 利用专业三维软件进行三维设计。道耶坎Ⅱ级水电站工程地质资料缺乏,需根据开挖揭露的地质条件对设计进行实时调整。由于水工结构自身的复杂性,设计难度大,设计周期长,容易出错,后期不便调整,如趾板为三维异性结构,其控制点必须通过复杂计算才能得到。自2009年初开始,通过引入CATIA三维设计软件,历经2 a时间,建立了“骨架控制标准化模块”等多个控制模块,对面板坝、溢洪道等特征进行了三维可视化参数设计,大幅度提高设计的效率和精度,为工程枢纽布置优化奠定了坚实的基础。

(5) 自然环境和谐,人文环境协调。道耶坎Ⅱ级水电站为建设于缅甸道耶坎河中的大型构筑物,在满足水电站安全运行的功能要求下,充分考虑当地的社会风俗习惯,合理运用各种技术手段,以“适用、经济、美观”为原则,塑造具有现代水电工程特色的新形象,尤其注重建筑与环境的相互依存和相互协调,实现主体工程和自然环境的完美结合。通过实施水土保持工程,在防治施工区水土流失的同时美化施工区景观和生态环境。注重开展陆生生态和水生生态保护,通过就地保护、迁地保护的方式反哺自然。

(6) 工程建设采用新型的水电项目咨询模式。道耶坎Ⅱ级水电站是缅甸第一个由民营企业投资、建设和运营的水电项目。建设单位和主要土建施工单位都是首次涉足水电行业,大多数管理和施工人员未参与过水电站的建设,施工详图阶段设计采用“全过程、全方位咨询”的新型水电项目咨询模式,解决了一系列具有开创性和挑战性的技术难题,使部分水电建设需求较大的国家可以利用国际先进技术,以最小的资金发挥他们的资源和人力优势,成功建设水电项目推动经济发展,并通过项目建设培养技术管理人员。

(7) 打造为中缅合作建设典范性工程。首次将面板堆石坝这一坝型引入缅甸水利水电工程中,并协助一个首次涉足水电行业的当地企业用53个月时间完成工程建设(同期缅甸国内水电建设周期一般为8～10 a)、创造了缅甸水电建设新速度。该项目被视为中缅合作建设水电站典范,并已成为缅甸国家水电建设培训基地。该工程建设过程中全部采用中国标准和规范,促进中国标准“走出去”;2014年工程获得东盟颁发的杰出工程成就奖;2021年获得国际小水电联合会颁布的中外水电国际合作优秀案例奖。

6 结 语

道耶坎Ⅱ级水电站位于缅甸国内用电负荷中心,自2013年3月,3台机组全部并网运行以来,大大缓解了缅甸电力供应的紧张局面。运行期电站基本处于正常蓄水位的高水位运行。混凝土面板堆石坝的变形和渗流已基本趋于稳定[10-11],最大沉降量不足1 m,低于坝高的1%,最大渗漏量小于10 L/s。溢洪道多次放水,并经历最大泄流量549 m3/s的泄洪考验。水力学原型观测和汛后检查表明:泄洪消能主要建筑物完好无损,下游冲刷情况与预测一致。运行监测结果表明:引水隧洞围岩稳定性良好,边坡稳定,主要建筑物运行良好。工程实践验证了缅甸道耶坎Ⅱ级水电站枢纽布置及建筑物设计的合理性,可为类似土石坝工程枢纽布置提供良好借鉴。