黄河龙口水利枢纽工程设计过程回顾

杜 雷 功

1 概况

1.1 工程概况

黄河龙口水利枢纽位于黄河北干流托龙段尾部、山西省和内蒙古自治区的交界地带,左岸是山西省忻州市的偏关县和河曲县,右岸是内蒙古自治区鄂尔多斯市的准格尔旗。坝址距上游已建的万家寨水利枢纽25.6km,下游距已建的天桥水电站70km。

龙口水利枢纽的开发建设符合历次黄河流域规划的要求。工程规模为大(Ⅱ)型,其主要功能:充分利用黄河北干流丰富的水能资源,为晋蒙电网提供清洁、可靠的调峰容量和电量,从而改善电网电源结构,增强调峰能力,优化运行条件;对万家寨水电站发电流量进行反调节,确保黄河龙口—天桥区间不断流,兼有滞洪削峰等综合作用;促进地区经济发展,有利于西部大开发战略的实施;改善周边生态环境。

水库设计洪水标准为100年一遇,校核洪水标准为1000年一遇。采用 “蓄清排浑”运行方式,每年7～9月低水位运行排沙。水库总库容1.96亿m3,电站总装机容量420mW(4×100mW+1×20mW机组)。年均发电量13.02亿kW◦h。左岸1回220kV线路接入山西电网;右岸2回220kV线路接入内蒙电网。库区淹没各类土地约446.67 hm2(0.67万亩),生产安置人口1147人。主体工程施工期52个月,工程总投资约27.15亿元。

枢纽主要由混凝土重力坝、河床式电站、泄水建筑物、副厂房及GIS开关站组成。拦河坝坝顶高程900m,坝顶全长408m,最大坝高51m。

枢纽布置格局为:河床式电站坝段布置在左岸,泄流表孔坝段布置在右岸,泄流底孔坝段布置在电站坝段与表孔坝段之间,电站坝段和底孔坝段间设隔墩坝段,两岸设混凝土重力边坡坝段和岸坡连接。左右岸边坡坝段分别预留引黄取水口。副厂房布置在主厂房左侧,220kV GIS开关站布置于副厂房下游侧。

1.2 工程勘测设计过程

龙口水利枢纽工程勘测设计工作始于20世纪50年代,50—70年代先后开展过一些地质勘探工作。1984年水利部天津水利水电勘测设计研究院(现中水北方勘测设计研究有限责任公司)开始本工程的地质勘察和设计工作,1988年12月编制完成了《黄河龙口水电站工程可行性研究报告》,于1992年11月通过了原能源部、水利部水利水电规划设计总院技术审查;1998年在可研工作基础上补充编制了《黄河万家寨水利枢纽配套工程龙口水利枢纽项目建议书》,于2003年1月通过水利部水利水电规划设计总院的审查,并于同年9月通过中国国际工程咨询公司评估;2003年开始龙口工程可行性研究报告的修编工作,2004年5月完成《黄河万家寨水利枢纽配套工程龙口水利枢纽可行性研究报告》,并通过了水利部水利水电规划设计总院审查;2005年5月,编制完成《黄河万家寨水利枢纽配套工程龙口水利枢纽初步设计报告》,于2005年6月通过水利部水利水电规划设计总院的审查;2005年9月国家发展和改革委员会核准本工程立项;2005年12月水利部对工程进行了批复。中水北方勘测设计研究有限责任公司随即开展本工程招标和施工图设计工作,工程进入建设实施阶段。

1.3 工程施工过程

2005年9月国家发展和改革委员会核准立项后,开始工程施工筹建准备工作,2006年4月实现了一期截流,主体工程从2006年5月初开始施工,2007年4月实现二期截流,2009年9月初正式下闸蓄水,2009年9月18日首台机组并网发电,2010年6月底工程建设基本完工。截止目前,龙口水库已蓄水至正常蓄水位,5台机组全部投产发电。

2 设计和建设过程中的优化

2.1 枢纽布置优化

随着设计工作的不断深入和外部条件的变化,对枢纽主要建筑物的形式、布置进行了优化调整。

2.1.1 拦河建筑物布置优化

坝址处坝基岩层倾向左岸及下游,倾角2°～6°,可行性研究阶段拦河建筑物的布置为:从左岸至右岸依次为非溢流坝段、主安装间坝段、电站坝段、小机组坝段、副安装间坝段、隔墩坝段、底孔坝段、隔墩坝段、表孔坝段及非溢流坝段。可研阶段的这种布置适应了坝址处的地形地质条件:将建基高程较低的电站坝段布置于左岸,建基高程较高的泄水建筑物布置于右岸,这种布置形式与电站布置于右岸方案相比可减少岩石开挖量6.1万m3,减少混凝土浇筑量5.3万m3。

初步设计阶段在可行性研究阶段布置格局的基础上,本着在满足建筑物功能要求的基础上,力求合理、紧凑的原则,结合两岸边坡岩石情况和水工模型试验成果,对枢纽布置进一步优化,取消了底孔和表孔间的隔墩坝段,左岸增加了一个非溢流坝段,坝顶长度由420m调整至408m。左岸增加一个非溢流坝段后,电站厂前区宽度由25m增至40m,厂前区更加开阔,方便了施工和运行管理。模型试验表明:取消底孔、表孔间的隔墩坝段,虽然下游出消力池流速比河床允许不冲流速稍大,但最大冲刷深度小于5m,不会危及建筑物安全。

2.1.2 副厂房布置优化

初步设计阶段副厂房、GIS开关站布置于左岸边坡下,沿山体开挖线成 “一”字布置,GIS开关站靠近主厂房,副厂房布置于GIS开关站下游侧。

工程实施过程中,考虑到本工程生活管理区距厂区较近,可充分利用生活管理区已有房屋设施,将部分办公及非生产用房安排至生活管理区,副厂房内只保留必要的生产性用房,大幅降低了厂区副厂房的建筑面积。并对副厂房位置进行调整:将其布置于左岸边坡坝段下游侧坝体上,紧邻主厂房。如此优化后,既减少了大坝的混凝土浇筑方量,又缩短了主、副厂房间的电缆廊道,同时还节省了厂前区的空间和厂区回填量,节约了建设成本,也方便了后期运行。

2.2 左右岸预留引黄取水口

在龙口水利枢纽工程实施期间,应山西省、陕西省及内蒙古自治区三省(区)地方政府请求,调整变更部分建筑物设计,在左、右岸边坡坝段分别预留引黄取水口。

枢纽左岸为忻州市河曲县,境内有沿黄河水地面积3633 hm2(5.45万亩),是全县发展高效农业的重点地区和主要产粮区,原为提水灌溉,利用龙口水利枢纽提供的有利条件,从龙口库区引水可变原提黄引水方式为自流引水,不仅能保证原有水地的适时灌溉,而且还可新增保浇水地1033 hm2(1.55万亩),同时还可满足沿黄18个厂矿企业的工业用水需求,经济效益和社会效益显著。

枢纽右岸内蒙古自治区准格尔旗沿黄经济带内计划建设诸多大型煤电、煤化工基地,预计年需水缺口2亿m3;右岸下游的陕北榆林地区煤、油、气、盐资源丰富,将建设成全国重要的能源接续地和化工基地,预测到2020年供水缺口将达12.23亿m3,解决这一突出矛盾的主要途径也是引黄。

2.3 基础处理优化

施工过程中根据开挖揭露的地质情况,及时对基础处理设计进行复核、优化。

2.3.1 坝基帷幕和排水优化

前期勘察成果表明:坝址两岸地下水位低于库水位,坝址区岩体渗透性呈不均一性,蓄水后存在绕坝和坝基渗漏问题。坝址无大断层和较大溶洞存在,产生集中渗漏的可能性不大,渗漏形式是散流型、岩溶裂隙式。左岸坝肩和坝基大部分岩体渗透性较弱,右岸坝肩岩体渗透性较强。坝基岩体渗透性随深度的增加有逐渐减小的趋势。初步设计阶段坝基防渗设上游帷幕、下游帷幕及两岸横向连接帷幕,帷幕形成封闭系统,上游帷幕设2排。坝基下共设3道排水幕,第1道主排水幕布置在灌浆及主排水廊道内帷幕下游侧,第2道排水幕布置在基础排水廊道内,第3道排水幕布置在下游灌浆排水廊道帷幕上游侧。

施工过程中,对基坑内的涌水量进行了认真观测、分析,结果表明:坝基的渗漏量与前期勘察预测情况基本一致,基岩不透水性好于预期;初步设计中虽设置下游帷幕,但仅作为安全储备,未计入抗滑稳定计算;黄河是多泥沙河流,水库蓄水后,坝前会形成一定程度天然铺盖。综上考虑,对坝基帷幕和排水进行了优化:取消下游帷幕及上下游连接帷幕;取消1#～11#坝段下游灌浆排水廊道排水孔及左、右岸上下游连接廊道内排水孔。

2.3.2 坝后尾岩加固处理优化

初步设计阶段有限元计算结果表明:由于坝基存在多条泥化夹层,坝体深层抗滑情况下坝后尾岩(抗力体)承受向上作用,尾岩表面有隆起现象,局部有拉应力区。为安全计,底孔和表孔坝段坝体下游尾岩20m范围之内,每个坝段施加20000kN的垂直压力;电站坝段下游尾岩30m范围,每坝段施加55000kN的垂直压力。据此,初步设计提出对底孔、表孔和电站坝段坝后尾岩采用锚筋桩加固,锚筋桩梅花形布置,桩径0.6m,桩长16m,桩底爆破扩头处理。

招标设计阶段,对坝后尾岩加固措施进行了锚筋桩和锚索两种方案的比选。与锚筋桩方案相比,锚索方案具有施工难度小、工期短,变被动受拉为主动施压等优势,采用锚索加固方案。

施工阶段电站坝段基坑后揭露情况表明:电站坝段坝趾岩石完整性较好,未发现缓倾角裂隙、地质构造破碎带等不利地质情况。采用现场实测地质参数重新进行稳定复核,计算结果满足规范要求。据此,取消电站坝段尾岩预应力锚索加固措施。

2.4 厂房通风方案优化

施工图设计过程,通过对已建水电站调研,对厂房通风系统进行了优化,在满足消防及工艺要求的前提下更加简洁、高效。将主厂房送风系统的取风地点由室外改为主帷幕灌浆廊道,由廊道内取风可使送风温度夏季降低5℃左右,冬季提高5℃左右,节约了能源,节省了运行费用。

2.5 施工导流与进度方案调整

本工程初步设计阶段分两期导流,一期导流又分为一期低围堰和一期高围堰两个导流时段。一期围右岸河床,施工右岸泄水坝段;二期围左岸河床,施工左岸电站坝段。工程实际于2006年4月实现了一期截流,与原初步设计计划推迟了近5个月,根据这一情况,将施工导流调整为三期:一期围右岸河床,施工右岸泄水坝段;二期围左岸河床,施工左岸电站坝段;三期围右岸消力池,施工消力池面层混凝土。

二期截流的时间是影响电站发电工期的关键,为实现2007年汛前二期截流,使电站提早发挥效益,采取了如下措施:降低导流缺口底高程以降低一期基坑坝体混凝土浇筑强度,消力池面层混凝土安排到三期浇筑,减少了一期基坑混凝土浇筑强度。通过以上调整,2007年4月顺利完成了二期截流。

2.6 接入系统和主接线方案调整

初步设计阶段至最终实施的过程中,龙口电站的接入系统和主接线方案根据电网情况和业主要求进行了多次调整。

在电站初步设计阶段,接入系统方案为电站分别采用2回220kV线路接入山西和内蒙电网。电站接线具备两省电网在龙口电站联网的条件,并且具备两省电网互相借用机组运行的条件。根据上述原则,水电站220kV侧采用双母线接线。

工程实施过程中,山西、内蒙2省(自治区)最终审定的接入系统为:山西侧以1回220kV线路接入系统;内蒙侧以2回220kV线路接入系统,同时业主提出简化设计、节省投资的要求。据此,确定电站主接线不考虑 “联网”和 “借机”的运行原则,电站220kV侧接线改为2个独立的单母线接线。

在电站投产前,内蒙侧电网调整了发展布局,龙口内蒙侧送出线路项目被暂时搁置。为保证电站效益不受损失,与山西电网协商后,同意近期龙口电站全部机组接入山西侧电网运行,内蒙侧送出线路建成后,按照已经审定的接入系统方案运行。根据这一实际情况,龙口电站220kV接线再次调整,在原有的2段母线之间加装了隔离开关,并在内蒙侧增设了临时借机用母线。

2.7 电站拦污、清污设施优化

本工程共安装有4台100mW机组和1台20mW机组,每台100mW机组有3个进水口,20mW机组有1个进水口。初步设计阶段每个进水口沿水流方向依次设有副、主拦污栅、检修闸门和事故闸门,拦污栅采用连通布置,采用清污抓斗和提栅人工清污两种清污方式。

建设过程中对上游万家寨水利枢纽进行了调研,由于近年来黄河未发生大洪水,库区污物较少,建成至今清污抓斗未曾使用。另外,龙口坝址距万家寨枢纽仅有25.6km,其间只有偏关河汇入,且来水较少,亦无大量污物汇入龙口库区。综合分析,取消了大、小机组电站进口的副拦污栅及其相应埋件,取消清污抓斗和相应的拦污栅库和清污抓斗库。

2.8 采用新材料

黄河是著名的多泥沙河流,龙口作为河床式电站,泄水、排沙、发电流道的磨蚀问题突出,结合本工程料场情况,针对混凝土的水泥、粉煤灰、粗细骨料、掺料及外加剂等进行了试验、研究,优选出了抗冲磨混凝土的配比方案。研究成果表明:采用UF500纤维素纤维作为添加料,辅以一定量的粉煤灰、硅粉等配置的抗冲磨混凝土,其抗磨蚀性、抗裂性、和易性等性能优良,施工简便,易于控制。UF500纤维素纤维作为一种新型纤维以其优异的性能在龙口抗冲磨混凝土中得以应用。

3 结 语

(1)水利水电工程设计是涉及多学科、多专业的系统工程,也是利用、适应和改造客观环境的工程。在设计和建设过程中,随着对客观自然条件认识的逐步加深、外部条件的不断变化和工程技术的快速发展,对设计不断进行调整、完善和优化是必然和必须的。随着科技的进步和设计理念的提升,水利水电工程设计必将进入较高层次的动态设计、交互设计的发展阶段。

(2)方案比选时,应全面辩证的分析问题,不能只强调直接投资或某单一因素,要着眼全局,结合工程运行管理的安全和灵活、运行费用、施工安全性、施工难度、工期等多方面因素,综合分析、比选。

(3)设计工作中要始终保持不断进取创新的精神,认真严谨、实事求是的科学作风。