宜兴抽水蓄能电站上水库主坝下游堆石区设计优化

2010-07-14肖贡元

水利水电科技进展 2010年2期

肖贡元

(上海勘测设计研究院,上海 200434)

1 工程概述

宜兴抽水蓄能电站位于江苏省宜兴市西南郊的铜官山区,距宜兴市区约7km,是一座日调节纯抽水蓄能电站。电站总装机容量为1000MW,安装4台单机容量250MW的可逆式抽水蓄能机组,额定发电水头为363.0m。电站工程于2003年8月开工,4台机组于2008年年底前全部投入商业运行。

电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房、开关站等组成。上水库位于铜官山主峰东北侧,总库容530.7万m3,正常蓄水位471.50m,死水位428.60m。上水库采用全库盆钢筋混凝土面板防渗。

上水库主坝位置是“W”形的两沟一梁地形,沟和梁均以甚陡的纵坡倾向下游,主坝建基面是陡倾向下游的斜面。坝基岩石主要是砂岩夹粉砂质泥岩,层面产状向下游缓倾。此外还有多条花岗斑岩脉侵入,风化很深。地形、地质条件对大坝和库岸稳定极为不利。受地形、地质条件的制约,上水库建设具有相当的难度。经多方案比较后,上水库主坝采用钢筋混凝土面板堆石混合坝方案。筑坝堆石料来自库盆开挖的砂岩夹泥岩料。

钢筋混凝土面板堆石混合坝坝顶高程474.20m,坝顶长 494.90 m,趾板以上最大坝高47.2m,坝轴线处最大坝高75.2m。上游由钢筋混凝土面板挡水,上游面坝坡度为1∶1.3,下游面上坝道路之间坝坡度为1∶1.26(综合坝坡为1∶1.42)。在坝轴线下游135.5m处设置混凝土重力挡墙,墙顶高程381.90m,墙顶长347.80m,挡墙上游面坡度为1∶0.1,下游面坡度为 1∶0.2,最大墙高 45.9 m(图1)。

图1 上水库主坝典型剖面及筑坝材料分区(尺寸单位:mm,高程单位:m)

虽然钢筋混凝土面板堆石混合坝经论证是可行的,但由于其特殊的坝型、复杂的地形以及较差的地质条件带来了常规水电站大坝和其他抽水蓄能电站未曾遇到过的一系列技术问题。在工程建设过程中,对上水库主坝与库盆防渗的关键技术问题进行了全面系统的研究,研究成果已在该工程成功应用。本文论述的对下游堆石区的设计优化研究就是其中之一。

2 问题的由来

常规混凝土面板堆石坝坝体分区设计,一般将下游坝体大部分区域设置为次堆石区。一般认为,由于该区承受的水荷载很小,其压缩性对面板变形的影响较小,因此对其筑坝材料的性能和碾压标准的要求相对较低。根据DL/T 5016—1999《混凝土面板堆石坝设计规范》的规定,垫层料、过渡层料、主堆石区料和下游堆石区料的设计孔隙率分别为15%～20%,18%～22%,20%～25%和23%～28%。在施工程序上,一般情况要求上、下游平起;但考虑施工度汛和初期发电需要上游面挡水,不少工程下游堆石区的填筑都滞后于上游坝体。在一些工程中发现,由于下游堆石区的变形模量低于上游,以及其填筑滞后于上游,会造成上、下游的不均匀沉降。下游堆石体滞后发生的沉降将牵动先期填筑的上游堆石体向下游变形,造成上游垫层开裂和与先期浇筑的混凝土面板脱开。出现这种现象的典型例子是天生桥一级电站混凝土面板堆石坝。不少专家学者对天生桥一级电站混凝土面板堆石坝的问题进行了研究,认为:上、下游堆石体沉降差会造成上游面过大的水平位移,因此造成上游面拉伸、下游面压缩的悬臂梁现象;其沉降差不仅由上、下游堆石的压缩模量差造成,并且还可以由上、下游堆石的填筑高差造成;堆石体的徐变会引起面板水平拉伸裂缝,减小徐变影响只能由设置堆石预沉时间解决[1]。

宜兴抽水蓄能电站上水库主坝的下游堆石体建于倾斜建基面上,坝体堆石填筑断面有些类似于天生桥一级电站混凝土面板堆石坝的后期填筑断面,而坝基岩体相当于其前期填筑断面。参考天生桥一级电站混凝土面板堆石坝的经验教训,如果主坝下游堆石区按照常规设计,则下游堆石体的后期沉降可能导致上游防渗面板开裂。因此有必要对下游堆石区的设计参数和施工程序进行优化。

3 下游堆石区的优化思路与过程

根据上水库主坝的特殊体型并参照有关工程的经验,控制坝体变形的关键部位是下游堆石区。对下游堆石区进行优化的主要思路和技术路线是:①充分研究筑坝材料的特性,做到心中有数;②调整下游堆石区的设计和施工参数,选用较好的筑坝材料,尽量提高堆石体的变形模量;③调整施工程序,尽量减少上下游坝体沉降差。

上水库主坝下游堆石区的优化突破了现行设计规范的规定,所做的优化是逐步加深的。2002年3月审查通过的可行性研究补充阶段堆石混合坝设计专题报告中,坝体分区基本上按规范的规定分区,即从上游至下游为垫层、过渡层、主堆石区、次堆石区。要求主堆石区孔隙率 n≤22%、次堆石区 n≤24%,都在规范规定的范围内。与规范不同的是在次堆石区与基础面之间设置了1层厚4m的基础过渡区,采用过渡层级配。这是考虑到主坝下游坝体坐落在倾斜建基面上,为保证坝料与基础面接触良好、增大接触面的抗剪能力而采取的措施。

2002年下半年招标设计时,在招标文件中将原来的次堆石区调整为主堆石Ⅱ区,原主堆石区称为主堆石Ⅰ区。此外,为加强下游坝体的排水,沿上下游方向顺沟谷紧贴坝基布置3条纵向排水带,排水层位置及厚度同过渡区,每条排水带宽度为10m。

筑坝材料来自上水库库盆开挖料,其岩性主要是泥盆系五通组石英岩状砂岩夹粉砂质泥岩和茅山组岩屑石英砂岩夹粉砂质泥岩,呈弱风化。弱风化五通组石英岩状砂岩干抗压强度为187MPa,饱和抗压强度为83MPa,软化系数为0.44。弱风化茅山组岩屑石英砂岩干抗压强度为142MPa,饱和抗压强度为54MPa,软化系数为0.38。虽然软化系数低,但饱和抗压强度并不低,仍属硬岩。弱风化粉砂质泥岩干抗压强度为63MPa,饱和抗压强度为22MPa,软化系数为0.35,属于软岩,但经试验不具浸水崩解性。由于薄层夹层无法完全剥离,主坝坝体堆石料即为上述2类砂岩夹泥岩料,其中泥岩在上坝料中质量比控制在10%～15%范围。在施工图设计阶段,进一步深化对上水库库盆砂岩夹泥岩料的试验研究。进行了模拟主坝堆石填筑施工过程的筑坝材料现场新型直剪试验[2]以及堆石料的湿陷试验[3]等特殊试验,证明库盆开挖料完全可以满足主堆石料的要求。现场碾压试验也证实在采取合适的施工工艺后孔隙率小于20%。这些成果为优化下游堆石区提供了科学依据。

在此基础上,2004年根据世界银行特别咨询团专家的建议,对下游堆石区做了进一步优化。将主堆石Ⅱ区(包括一小部分主堆石Ⅰ区)以高程426.50m为分界线又分成2个不同的区域。分界线以下的主堆石区进一步提高设计指标和施工参数,称为“增模区”(即增加变形模量区),要求主要采用物理力学性能相对更好的五通组石英岩状砂岩夹泥岩料填筑,并通过减少铺层厚度、增加碾压遍数、充分洒水湿化来达到较高的密实度和较小的孔隙率,从而有更高的变形模量。这样,主堆石Ⅰ区和Ⅱ区按设计指标要求实际上变成以高程426.50m为分界线的2个分区:该高程以上为“主堆石区”,以下为“主堆石增模区”。调整后的坝体各区设计施工指标见表1。

为了减少上、下游堆石的沉降差,在堆石填筑施工程序上,第1阶段先填筑高程426.50m以下即“增模区”的堆石体。位于高程426.50m以上部位的堆石填筑分为2个阶段,按照下游超前于上游的原则,第2阶段先填筑下游部分(起坡点不超过坝轴线上游15.0m),在高程426.50m以下部位即第1阶段填筑完成后即可施工。其余部分为第3阶段,必须等待高程426.50m填筑面的沉降率达标后(沉降率小于1～3mm/月)方可填筑,即为“增模区”留有预沉降的时间。

主坝坝体堆石填筑从2004年12月15日开始,分3个阶段逐次进行各部位坝体填筑:2005年10月25日完成第1阶段的填筑,2006年4月9日完成第2阶段的填筑;第2阶段填筑完成后,高程426.50m界面的实测沉降率为2.2mm/月,开始进行第3阶段即其余部分的填筑,于2006年9月8日完成。3个月后,坝体月沉降量已小于1mm。主坝混凝土面板于2006年12月20日开始浇筑,2007年5月初全部完成。

表1 上水库主坝坝体分区及设计施工指标

4 下游堆石区优化效果

下游堆石区优化为主堆石Ⅱ区和“增模区”后,施工单位中国葛洲坝集团宜兴施工局严格按设计要求施工,从表2可见堆石的碾压效果很好,其中主堆石Ⅱ“增模区”的平均孔隙率仅为16.2%,非常密实。

表2 上水库主坝主堆石区填筑料施工检测结果(均值)

宜兴抽水蓄能电站上水库于2007年7月正式蓄水。2008年8月以后,上水库水位已多次达到正常蓄水位471.50m,这是抽水蓄能电站的运行方式所决定的。在上水库蓄水安鉴阶段,业主单位华东宜兴抽水蓄能有限公司委托南京水利科学研究院(以下简称南科院)和中国水利水电科学研究院-河海大学水工结构工程研究所联合体(以下称联合体)分别进行了上水库主坝反演分析和正分析研究。根据坝体监测、检测的实测数据,反演了坝体计算参数,并利用这些参数进行了正分析。表3为下游堆石区优化前后邓肯E-B模型参数对照。优化前的参数是可行性研究阶段室内试验结果,优化后(1)和优化后(2)分别是南科院和联合体的反演分析结果。可以看出,尽管两者的成果有差别,但均反映出优化后下游堆石区尤其是“增模区”的变形模量有明显的提高。此外,“增模区”堆石体内摩擦角增大,还减少了作用在下游挡墙上的土压力,有利于挡墙的稳定。

优化效果最终要反映在坝体变形上。表4分别列出了优化前后坝体内部变形、面板挠度以及周边缝变形的计算值和实测值。表中优化前计算值是可行性研究复核阶段上海勘测设计研究院的计算结果,优化后计算值(1)和优化后计算值(2)分别是南科院和联合体依据反演分析所得参数进行正分析的成果。实测变形资料来自国家电力监管委员会大坝安全监察中心《江苏宜兴抽水蓄能电站上水库水工建筑物安全监测资料分析报告》。

从表4数据可知,与常规混凝土面板堆石坝相比,宜兴抽水蓄能电站上水库主坝的变形较小。经检查主坝上游钢筋混凝土面板仅发现数条裂缝,缝宽小于0.1mm。当然,面板裂缝少是多项措施的综合结果[4],但下游堆石区优化功不可没。下游堆石区的优化对于减少坝体不均匀沉降、防止或减少上游面板开裂,以及减少堆石体对下游重力挡墙的土压力起到了重要作用。

5 结语

下游堆石区的优化是宜兴抽水蓄能电站上水库主坝设计的一项重要创新。主坝全部采用工程开挖料作为大坝填筑料。在充分研究筑坝材料特性的基础上,改变以往混凝土面板堆石坝主堆石区与次堆石区的分区原则,针对堆石混合坝的体型特点,下游堆石区按主堆石区的要求设计,并在426.50m高程以下设置“增模区”,进一步提高其设计压实度要求。在施工程序上,下游堆石区填筑超前于上游,并设定预沉降期,待“增模区”沉降基本稳定后再填筑高程426.50m以上的堆石区。宜兴抽水蓄能电站上水库主坝运行2年多来的安全监测结果表明坝体变形微小,应力变形性状良好,大坝稳定安全,取得了显著的经济效益,也促进了工程技术进步。2009年5月专家组对“宜兴抽水蓄能电站上水库建设关键技术研究”项目研究成果的鉴定意见认为下游堆石区的优化是该项目研究成果的主要创新点之一,对此给予了充分肯定。本工程下游堆石区优化的经验在类似工程中具有推广应用价值。