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工程的重大技术问题及解决方案在水利枢纽工程勘测设计中的研究

发布于:2015-09-14 11:16:14 来自:水利工程/农田土整 [复制转发]
工程的重大技术问题及解决方案在水利枢纽工程勘测设计中的研究


万家寨水利枢纽位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段内,是黄河中游梯级开发的第一级。坝址左岸为山西省偏关县,右岸为内蒙古自治区准格尔旗。枢纽的主要任务是供水结合发电调峰,同时兼有防洪、防凌作用。枢纽年供水量14亿m3,其中向内蒙古自治区供水2亿m3,向山西省供水12亿m3。枢纽水电站装机1 080 MW,年发电量27·5亿kW·h。枢纽主体工程于1994年11月开工, 1998年10月下闸蓄水, 1998年11月28日第一台机组并网发电, 2000年12月11日最后一台机组并网发电。2002年9月15日,枢纽工程顺利通过竣工验收。
1 枢纽布置枢纽由拦河坝、电站厂房、电站引水系统、泄水建筑物、引黄取水建筑物、GIS开关站等建筑物组成。枢纽主要建筑物均布置在宽约400 m的U形河谷中,枢纽总体布置采用混凝土直线重力坝和坝后式电站厂房的布置形式。电站主厂房布置在河床右侧,副厂房布置在主厂房右侧,与主厂房呈T形布置。泄水建筑物采取以底孔、中孔为主的布置形式,布置在河床左侧。GIS开关站布置在厂坝之间,引黄取水口设在大坝左岸②、③坝段上,电站进水口设在大坝○12~○17坝段。电站与泄水建筑物之间设长导墙分隔。枢纽总体布置紧凑、协调合理,满足枢纽供水、发电、防洪、排沙、防凌等工程任务的要求。
2 水库采用“蓄清排浑”的运行方式黄河是世界著名的多泥沙河流之一,为确保水库长期维持有效库容和泥沙淤积末端不上延,万家寨水利枢纽水库调度采用“蓄清排浑”运行方式。库水位除满足泥沙冲淤要求以外,还要满足供水、防洪、防凌和发电等要求。每年8、9两月为排沙期,水库保持低水位运行。库水位控制在952·00~957·00 m之间。汛期流量较大时,库水位短期降至948·00 m冲沙运行(5~7 d)。10月底库水位蓄到970·00 m以使机组能满发出力。11月~翌年2月底,最低库水位970·00 m。3月初~4月初是内蒙古河段开河流凌期,降低水位至970·00 m运行。春季流凌结束后即可蓄水至977·00 m, 4月底前蓄至980·00 m。5月~7月供水期水位由980·00 m逐渐降到排沙期运用水位。根据水库“蓄清排浑”的运行要求以及防洪、发电、供水、排沙冲沙、排冰(凌)、排漂等综合要求,枢纽泄水建筑物采取以底孔、中孔为主的布置形式,泄水建筑物由1个表孔、8个底孔和4个中孔组成。此外,在电站坝段设有5个排沙孔,以减少电站进水口前泥沙淤积和过机含沙量。计算及试验结果表明,枢纽泄水建筑物的泄流能力满足规划设计要求,即校核洪水位979·10 m时相应泄量为8 326 m3/s,设计洪水位974·99 m时相应泄量为7 899 m3/s。当水库排沙期最低运用水位952·00 m时,泄流能力满足5 000 m3/s (其中包括机组引用流量),当水库冲沙水位948·00 m时,底孔泄流能力满足3 500 m3/s,满足下泄3 000~5 000 m3/s造床流量的要求,从而可以有效地降低库水位进行冲沙,排沙效率较高。
3 河床左侧坝基层间剪切带加固处理及大坝浅层抗滑稳定坝基局部存在的层间剪切带影响到大坝浅层抗滑稳定,是坝基主要工程地质问题。在技施设计阶段,通过补充勘察和基础开挖揭露,基本查清了坝基层间剪切带的空间分布、性状特征及变化情况。根据现场大型抗剪试验成果和地质专家的意见,调整了不同类型层间剪切带的抗剪强度值,并以此复核大坝的抗滑稳定性。河床右侧电站坝段采取了厂坝平缝灌浆联合受力的结构措施,厂房与坝体一起维持坝体抗滑稳定。电站坝段在厂坝联合作用下整体稳定满足规范要求。对河床左侧泄水坝段采取了以下工程措施:①在坝基和护坦基础设混凝土抗剪平洞,并对基础进行超细水泥补强灌浆。②枢纽大坝为半整体式重力坝,大坝各横缝下部灌浆连成整体。③泄水坝段采取长护坦挑流消能方式,使下游冲刷坑远离坝体。④坝基和泄水坝段下游侧设防渗帷幕和排水并进行封闭抽排。⑤在护坦下游设有15 m长防冲板和10m深的齿墙,切断和封闭各层剪切带,能有效地防止剪切带软化,有利于大坝稳定。⑥左岸坝基和护坦基础进行了全面的固结灌浆,孔深均超过SCJ10剪切带,灌浆前后弹模测试结果表明,固结灌浆对提高坝基岩体的完整性和抗剪强度是有成效的。计算结果表明,泄水坝段坝基加固处理后,左侧泄水坝段沿SCJ08、SCJ10剪切带抗滑稳定安全系数,基本组合K′均大于3·0,特殊组合K′均大于2·5,且坝体自身稳定安全系数K′大于或接近2·0。利用纯摩公式计算,河床左侧坝段浅层滑动坝体自身安全系数K基本组合情况下大于或接近1·10,特殊组合情况下大于1·0,说明坝基加固以后,河床左侧泄水坝段具有相当的安全度,可以正常蓄水运行。枢纽已经下闸蓄水4年多, 2001年水库最高水位达到975·77 m, 2002年3~5月,水库最高水位达到978·75 m,超过水库正常蓄水位977·00 m,大坝运行正常,证明坝基层间剪切带加固处理方案稳妥可靠,大坝抗滑稳定具有足够的安全储备。
4 电站发电引水压力钢管布置枢纽电站6条引水压力钢管初步设计审定为坝内埋管式布置。为有利于加快施工进度,减少坝体混凝土浇筑与钢管安装的施工干扰,减少钢管槽二期混凝土回填工程量及有利于工程下闸蓄水和发电目标的实现,在吸取国内外已建或在建工程经验的基础上,将发电引水压力钢管由坝内埋管优化为坝面浅埋管的设计方案。发电引水钢管采用单机单管引水方式,钢管直径为7·5 m,单机设计引用流量为300 m3/s,管道最大内水压力为1·11 MPa,管道PD值为8·33×103kg/cm。压力钢管斜直段平行于下游坝面布置,外包混凝土厚度为1·5 m。为充分发挥钢管的承载能力,改善外包混凝土的受力条件,在钢管上方220°范围内铺设高压闭孔塑料垫层。钢管本身的安全度满足规范要求,钢管与外围钢筋混凝土联合受力的综合安全度高于坝内埋管和坝后背管。万家寨水利枢纽工程采用的浅埋式压力钢管是一种创新的压力管道布置形式,拓宽了压力管道设计思路。实践证明,采用浅埋式发电引水钢管,对减少钢管安装和坝体混凝土的施工干扰,降低钢管安装施工难度,争取工期,为工程度汛、下闸蓄水和第一台机组提前发电均创造了有利的条件。另外,将坝内埋管改为浅埋式压力钢管后,由于钢管外移,调整了电站坝段排沙孔的布置,减少了坝基开挖及混凝土工程量各1万m3,效益显著。
5 低热微膨胀混凝土新
技术的应用枢纽坝址地处北纬39·6°地区,夏季炎热,冬季寒冷,风沙大,气温骤降频繁,气候条件恶劣。拦河坝孔洞多,温控难度大,施工工期紧张。为了节省投资,简化温控措施,缩短建设工期,并获得优良工程质量,水利部于1992年以水科教[1992]24号文件批复同意,将万家寨水利枢纽采用低热微膨胀混凝土筑坝技术研究列为水利部水利科技重点项目,并成立了领导小组和专家组。“万家寨水利枢纽工程应用低热微膨胀补偿收缩混凝土筑坝技术研究”项目共分为4个课题15个专题, 4个课题分别为“低热微膨胀水泥及补偿收缩混凝土性能研究”、“应用补偿收缩混凝土快速建坝设计理论和方法研究”、“补偿收缩混凝土建坝的施工方法和施工组织”、“大坝原型观测布置设计、观测及反馈”,由长江科学院、水科院、天津大学和水利部天津设计院共同承担试验研究、计算分析工作。1994年9月和1995年5月,分别在左岸低缆基础和上游纵向围堰进行了两期低热微膨胀混凝土现场试验。1995年10月第一课题的研究成果通过了项目专家组审查, 1997年7月第二课题最终研究成果通过专家组审查,第三、四课题的研究也取得了一些成果。4个课题的研究成果表明,在万家寨水利枢纽工程大面积应用低热微膨胀补偿收缩混凝土,在技术上是可行的。1997年7月,水规总院主持会议对水利部天津设计院编制的《黄河万家寨水利枢纽采用低热微膨胀混凝土设计报告》进行了审查,同意在边坡坝段、施工导流底孔封堵、压力钢管槽回填等部位采用低热微膨胀混凝土,并要求在有条件的部位也予以采用,扩大使用范围。根据工程建设的进展情况,先后在大坝边坡坝段、导流底孔封堵、预留钢管槽回填及左侧坝基抗剪平洞回填等部位采用了低热微膨胀水泥混凝土。枢纽工程采用低热微膨胀混凝土筑坝技术,减少了坝体纵缝,简化了温控措施,加快了施工进度,提高了混凝土的抗裂性能,获得了一定的技术经济效益。课题的研究成果对低热微膨胀混凝土筑坝技术的提高和推广应用也具有积极作用。

6 水库防凌及库尾冰塞、冰坝壅水处理万家寨水利枢纽上游内蒙古河段,在冬季由流凌而封河,在春季解冻开河。在这两个时期,有流冰进入库区。分析结果表明,冬季封河期最大入库冰花量约4 020万m3,春季开河时总冰量估算最大为6 000万m3。防凌措施主要是调节冰期运用水位,使上游来冰蓄入库区,并以不影响拐上断面为准。在冬季流凌封冰期,有大量冰花流入库区,在封冻前的流凌时段,保持库水位在975 m以下。入库流凌比降保持在0·3‰~1·2‰,便于流凌顺利入库。另外,采取降低水位预留一定库容容纳冰量,使冰凌蓄于库内不致影响拐上及其上游河道。待上游河道封冻稳定后,视具体情况,再适当提高水库运行水位。在春季开河前,采取迅速升降水位的办法,促使水库盖面冰破坏和融化。水位降到970 m保持正常发电,这样970~980 m之间有库容2·4亿m3,可作临时(几天内)容纳冰量之用。万家寨水利枢纽的建成和运用,使枢纽电站的出库水温有所提高,对下游天桥水电站和即将建设的龙口水利枢纽的防凌有利。枢纽工程于1998年10月1日下闸蓄水,至今已经历了4个凌汛期。凌汛期间在库尾河段不同程度地产生了冰塞、冰坝壅水现象,最高壅水高程超过了库尾移民搬迁高程,造成库尾部分居民、企业财产受淹,水库降低水位运行,使电站效益遭受一定损失。水利部天津设计院和黄河万家寨水利枢纽有限公司在内蒙古自治区有关部门的大力支持下,对冰塞、冰坝壅水问题进行了深入的分析研究,对于凌汛问题的处理,较为一致的意见是“长痛不如短痛,抬高库尾移民搬迁线,一次性处理”。2001年7月,天津院编制了《万家寨水利枢纽工程库尾冰塞、冰坝壅水淹没影响处理设计报告》, 2001年10月水规总院对该报告进行了审查。2002年6月17日水利部下发了审查意见,“同意库尾按987 m水位方案确定的淹没范围进行设计变更,实施移民搬迁”。库尾凌汛影响处理移民搬迁工作现正在进行之中。

7 库区右岸岩溶渗漏库区右岸岩溶渗漏是水库主要工程地质问题。水利部天津设计院在前期勘察针对该问题做了大量工作,得出了基本结论,并建议继续进行深入研究。前期根据库区右岸长观孔水位资料分析,将库区右岸分为上、中、下三个渗漏段,其中中段(从龙王沟口下游2 km至黑岱沟口下游7·5 km,河段长15 km)由于冲沟发育、奥陶系中统马家沟组灰岩出露面积大,且有焦稍沟断层存在,为主要渗漏段;水库蓄水后库水渗漏形式以岩溶裂隙式渗漏为主,初设估算蓄水后最大渗漏量为10·63 m3/s。1993年水规总院对初步设计右岸岩溶渗漏的主要审查意见为:“库区右岸渗漏问题基本清楚,同意对入渗地段的划分和以中段马家沟灰岩溶隙渗漏为主要形式的意见。本阶段估算的渗漏量是可信的,相应于入库流量水库渗漏量不大。鉴于岩溶渗漏的复杂性和重要性,建议对右岸渗漏区建立和完善地下水长期监测网,监测水库蓄水前后(运行期)的地下水位、水质和各出水点水量的变化,计算蓄水前后的渗漏量变化,分析渗漏的途径和部位,进一步论证防渗措施的必要性。”在施工运行期,天津院对库区右岸19个钻孔的地下水位、下游相关泉水水量,实施了长期监测,并针对重点渗漏段进行了补充勘察,包括地质调查、测绘、山地开挖、钻探及示踪试验研究等。补充勘察及监测资料表明,前期勘察对库区右岸存在岩溶渗漏的判断是正确的。库区右岸岩溶渗漏的形式以岩溶裂隙式渗漏为主,局部存在集中渗漏现象。在水库上段和下段,尚未发现较大渗漏现象,与前期勘察预测的一致。通过对蓄水前后岩溶地下水的监测证实,前期勘察对岩溶地下水动态预测符合实际,对入渗区、径流区(岩溶地下水低缓带)、排泄区的认识基本正确。示踪试验模拟计算水库水位为980·00 m时,漏失水量为15·81 m3/s。根据目前渗漏状况判断,水库右岸渗漏量仍在前期勘察研究的预测范围之内,右岸岩溶渗漏对大坝和电站的安全没有影响,也没有出现对环境的明显负面影响。在主要渗漏段(水库中段)出现的较大渗漏点,虽然不会改变整个库区右岸岩溶渗漏模式,但鉴于本区岩溶发育特征及焦稍沟断层(F4)在长期渗流水作用下可能进一步恶化等因素,因此,应对整个库区右岸加强监测,密切关注主要渗漏段动态,必要时进一步补充勘察和采取相应措施进行处理。

8 引黄取水口分层取水针对水库水位涨落幅度大、库水泥沙含量高的特点,利用水库泥沙含量垂线分布上小下大的规律,引黄取水口的设计采用了分层取水方案,引取水库表层清水。引黄取水口采用坝上取水口的形式。在枢纽大坝上设两套各自独立的取水系统,每套取水系统均由分层取水口、坝内引水钢管及控制系统组成。其中两个分层取水口分别布置在②、③坝段上,并通过两条穿过①坝段的引水钢管与左岸引黄入晋引水隧洞相接。取水口附属建筑物(闸门启闭控制室和清污设施)布置在①~③坝段。单个取水口引水流量为24·0 m3/s,每年除8、9两个月外,其余10个月为引水期,年供水量为12亿m3。为达到分层取水的目的,采用多门组合、门顶溢流的分层取水方式。取水口建筑物由拦污栅、隔水竖井及隔水闸门、上部检修及启闭设施、坝内进水口、事故检修闸门与启闭设施等组成。每个取水口在不同高程设置两扇隔水闸门,分别封挡隔水胸墙上的两个孔口。取水时隔水闸门随库水位的涨落而升降,门顶始终处于库水位以下一定深度,通过左、右侧隔水闸门的升降组合来引取水库表层清水。引黄取水口分层取水设计构思新颖。采用坝上取水口的形式,结构简洁紧凑,节约了工程投资。分层取水和避开集中排沙期引水,可以最大限度地减少引水中的泥沙含量,极大地改善了引水水质。与常规固定取水方式相比,预计取水含沙量可减少1/3,泥沙中有害粒径(d≥0·05 mm)含量可减少2/3,全年可减少输沙量80万~90万t。

9 电站接入系统和电气主接线枢纽电站在山西侧以220 kV一级电压接入山西电网,共出线三回,其中二回接入方城变电站,一回经义井接入原平变电站。电站在内蒙古侧以220 kV一级电压接入蒙西电网,共出线三回,其中一回接入薛家湾变电站,一回接人昭君变电站,一回备用。电站发电机与变压器的连接采用单元接线,220 kV升高电压侧采用单联双母线接线,即山西侧和内蒙古侧各为双母线接线,中间用一组隔离开关连接。从1#、3#、5#机机端分别引出了一个厂用电分支,并在这3台机的机端装设发电机出口断路器,在另外3台机组的机端装设隔离开关。正常运行时,山西电网和蒙西中网各带3台机, 220 kV母线断开,各侧成双母线运行。某段时间,经两电网协商,也可以一侧电网多带1台机运行,即运行4台机组,而另一侧则带2台机组。此时,电站升高电压侧,一侧为双母线,另一侧为单母线运行。在运行中应防止两侧电网在此联网。万家寨水电站的主接线,在同类型电站中还不曾有过,它的主要特点是:(1)220 kV的开关进出线较多,采用两个双母线接线,中间又用一组隔离开关进行连接。相当于两个既独立又相连的开关站。(2)开关站采用了SF6全封闭组合电器,提高了设备的可靠性,虽然进出线回路数多,但也不必考虑增设旁路设施。(3)厂用电分支首次采用了与离相封闭母线配套的单相负荷开关组合柜。(4)主接线设计保证了供电可靠性,而且接线简单、布置清晰、操作灵活、维护方便。

10 220 kV GIS开关站开关站布置在厂坝间,纵轴线平行于坝轴线,下游侧紧靠主厂房,上游侧与拦河坝之间为消防通道。GIS开关室全长144 m,宽15·95 m,共4层,地下1层,地上3层。地下1层为发电机电压母线室、厂用配电盘室及电缆廊道;地上1层为主变压器室;地上2层为SF6管道和电缆层;地上3层为GIS配电装置室,室外为同高程的避雷器平台。220 kV配电装置采用的是六氟化硫全封闭组合电器(GIS),共19个间隔,是国内目前规模最大的220 kV级GIS开关站。GIS的断路器为立式布置,每个间隔均为分相式,主母线为共筒式。为减少分支母线长度, GIS采用了非紧凑型布置。每个间隔的汇控柜对应布置在每个间隔的下游侧。GIS的元件操作及与出线场之间的隔离开关之间均有严格的联锁。

11 计算机监控系统电站综合自动化按少人值班原则设计,全厂集中监控采用以计算机监控系统为基础的方案。电站计算机监控系统采用符合国际开放系统标准的开放式环境下的分层分布系统。在中央控制室,除在模拟屏上保留紧急停机、紧急关闭快速闸门等常规操作按钮及少量全厂性水力测量仪表外,取消了其它常规设备,电站正常时的实时监控任务全部由计算机监控系统承担。全厂公用控制系统均采用相对独立的控制装置,一些重要的状态量通过公用LCU直接送入监控系统;此外全厂公用油、汽、水系统及各闸门系统控制装置还可通过MB+网与公用LCU通信。电站计算机监控系统在结构上分为主控级和单元控制级两级。主控级是电站实时监控中心,主要负责全厂重要机电设备的实时监视和控制,进行全厂的自动化运行(包括AGC、优化运行、AVC等)、历史数据处理、系统管理,以及进行全厂的人机对话等。主控级主要硬件设备包括厂级计算机2套,值班操作员工作站2套,工程师工作站1套;单元控制级主要负责生产过程的实时数据采集和预处理,控制与调节,以及与上位机的通信联络等。设备包括机组现地控制单元6套,开关站现地控制单元1套,公用设备现地控制单元1套。

12 结 语
(1)在枢纽工程勘察设计过程中,水利部天津设计院对工程的重大技术问题进行了深入研究,得出了正确的结论,提出了合理的解决方案。所有重大技术问题的解决方案,均及时上报上级主管部门审查或备案。工程设计基础资料齐全,总体设计质量优良,满足工程建设的需要。
(2)工程开工以来,水利部天津设计院组织各专业设计人员深入施工现场,优化设计方案,积极配合施工,及时解决施工中出现的技术问题,对工程建设顺利进行、提前蓄水发电和节省投资均起到了积极的促进作用。
(3)枢纽布置合理,结构紧凑,满足枢纽供水、发电、防洪、排沙、防凌等工程任务的要求。大坝采用半整体式混凝土重力坝,泄水建筑物采用长护坦挑流消能方式,电站坝段采用厂坝联合受力的结构形式,有利于大坝抗滑稳定。坝基剪切带加固处理措施稳妥可靠,大坝抗滑稳定安全度满足规范要求。电站引水压力钢管国内首次采用坝面浅埋管布置形式,取得了显著的经济效益和社会效益。引黄取水口建筑物布置合理紧凑,分层取水设施设计构思新颖。电气主接线首次采用单联双母线的接线方式,电站配电装置采用SF6全封闭组合电器,电站综合自动化按“无人值班、少人值守”原则设计,监控系统采用开放式全分布计算机监控系统。在工程设计中采用了多项先进技术,如浅埋式压力钢管、低热微膨胀补偿收缩混凝土、泄水建筑物过流面抗冲磨混凝土、引黄取水口分层取水、先进的电气主接线、计算机监控系统等,都取得了良好的效果,获得了一定的经济效益。
这个家伙什么也没有留下。。。

农田土整

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