黄河龙口水利枢纽主要技术问题与对策

陆宗磐 余伦创 门乃姣

龙口水利枢纽位于黄河北干流托克托至龙口段的末端,坝址距上游万家寨水利枢纽25.6km,下游距天桥水电站约70km。枢纽工程的主要任务是发电和对万家寨电站调峰流量进行反调节。水库总库容1.96亿m3,电站装机容量420MW,多年平均发电量13.02亿kW◦h,为大 (Ⅱ)型二等工程。枢纽基本坝型为混凝土重力坝,主要建筑物从左到右依次为左岸挡水坝、河床式厂房、隔墩坝、泄洪底孔、表孔及右岸挡水坝,其中河床式电站安装4台单机容量为100MW和1台单机容量为20mW的水轮发电机组,泄洪建筑物由10个4.5m×6.5m的底孔和2个12m×12m的表孔组成,大坝、电站厂房、泄洪建筑物按2级建筑物设计。

枢纽主体工程于2006年6月开工,2007年4月二期截流,2009年7月下闸蓄水,2009年9月第1台机组发电,2010年6月5台机组全部并网发电。

1 对万家寨下泄流量进行反调节

万家寨水利枢纽总库容8.96亿m3,电站装机容量1080mW(6台180mW混流式机组),单机额定流量301m3/s。万家寨电站在晋蒙电网中担负调峰任务,每天平均调峰运行6～7 h,每天不同时段下泄流量很不均匀,电站满出力发电时最大下泄流量1806m3/s,而不发电时则没有下泄流量,致使万家寨—天桥区间黄河干流有17～18 h/d的断流,不能满足区间生态基流的要求;同时万家寨电站调峰运行时的不稳定流到达天桥电站时尚不能完全坦化,而天桥电站因受调节库容的限制,不能对万家寨电站调峰发电流量进行完全调节。

龙口水利枢纽位于万家寨—天桥之间,正常蓄水位与万家寨电站尾水相衔接,具有3400万m3左右的日调节库容,能承上启下,对万家寨调峰下泄流量进行反调节。龙口电站设计满出力发电流量1520m3/s,小于万家寨电站最大下泄流量,龙口电站发电时间可比万家寨电站长一些,通过合理的联合调度,其反调节的作用更加明显,有利于坦化流量过程,减小流量波动幅度,改善下游河道生态条件和天桥电站运行条件。

为确保非调峰时段河道不断流,满足枯水年份瞬时流量不小于50m3/s,日平均流量不小于100m3/s的要求,设计采用了大小机组方案,即4台大机组(单机容量100mW,单机额定流量359m3/s)与万家寨联合调度调峰,1台小机组(单机容量20mW,单机额定流量60m3/s)发电下泄基流,以提高梯级电站的综合经济效益。

2 排沙设施和运行方式

龙口水利枢纽位于万家寨水利枢纽下游25.6km,库区有支流偏关河在左岸距坝址约13.5km处汇入。龙口坝址控制流域面积39.7万km2,其中支流偏关河控制流域面积2089km2。万家寨库区泥沙达到冲淤平衡后,多年平均下泄悬移质泥沙量1.32亿t,万家寨坝址到龙口坝址区间悬移质多年平均入库0.188亿t,推移质多年平均入库1万t。万家寨水库出库泥沙颗粒较细,多年平均 d50为0.023mm。万家寨—龙口区间入库悬移质泥沙颗粒较粗,多年平均d50为0.039mm。多泥沙河流上修建水利枢纽必须重视和妥善处理泥沙问题,采取必要的防沙排沙措施。

2.1 泄洪排沙底孔

本工程库容较小,库沙比约为1.6,水库淤积平衡年限较短,枢纽必须具有较强的排沙能力,结合枢纽泄洪建筑物的要求,采用以底孔为主的泄洪排沙布置型式,在主河床布置了10个4.5m×6.5m的底孔,进口底高程为863 m,略高于原河床底高程,汛期降低水位排沙。

同时,10个泄洪排沙底孔在施工期还兼作二期导流底孔使用,有利于节省工程投资和加快施工进度。

2.2 电站排沙洞

为保证电站进水口 “门前清”,根据已建工程的实践经验,在电站坝段设置了排沙洞。排沙洞位置和高程的选定应使排沙漏斗足以控制进水口。经比较和模型试验验证,采取了分散排沙布置方式,即在每个大机组段布置2个排沙洞,副安装间坝段设1个排沙洞,共9个排沙洞。

排沙洞进口位于电站进水口下方,按照尽量压低排沙洞进口底高程的原则,确定底高程为860.0m,进口设有检修闸门,孔口尺寸5.9m×3.0m。排沙洞出口高程与下游运行水位有关,按满足完全淹没出流确定,出口底高程为860.0m,排沙洞出口设有工作闸门和检修闸门,出口断面尺寸为1.9m×1.9m。单孔设计流量71m3/s。

排沙洞进口流速选择考虑以下两方面因素。

(1)为使电站进水口保留一定的过水断面,要求排沙洞进口处有足够大的流速,能将厂房前的推移质泥沙带进排沙洞,排至电站下游。

(2)为了避免影响水轮机出力,排沙洞进口与机组进口两者的流速不宜相差过大,应保持适当比例。工程经验表明,两者流速比为1.8时,机组运行较为稳定;当两者流速比达到3.9时,会严重影响水轮机出力。本工程经比选排沙洞进口与机组进口两者的流速比为3.1。

2.3 拦沙坎

在电站进水口前设置拦沙坎,以加大进水口与主河槽的高差,保证水流能将厂房前的推移质泥沙带进底孔排走。本工程拦沙坎高度不低于3.0m,利用上游围堰改建而成。

2.4 “蓄清排浑”

从控制水库泥沙淤积末端和水库经济指标两方面考虑,确定龙口水库的运行方式为 “蓄清排浑”,考虑到上、下游梯级排沙及发电运行的同步性,龙口水库排沙期设定为8、9月。

3 大坝深层抗滑稳定

龙口水利枢纽坝址区地层主要由奥陶系马家沟组(O2m)、石炭系(C)及第四系(Q3+Q4)地层组成。河床坝段建基面岩性主要为中厚层、厚层灰岩,少量为薄层灰岩,岩体完整坚硬,适合修建混凝土坝;但是,在坝基岩体中发育多层软弱夹层,控制着河床坝基深层抗滑稳定性,是本枢纽工程的主要工程地质问题。

根据物质组成与成因,软弱夹层可划分为三类,即岩屑岩块状夹层、钙质充填夹层和泥化夹层,其中泥化夹层又细分为泥质类、泥夹岩屑类和钙质充填物与泥质混合类。这些不同类型的软弱夹层,连续性好,抗剪强度低,特别是 NJ304-1、NJ304、NJ303是河床坝基中的控制滑动面,故大坝深层抗滑稳定问题是本工程的重大技术问题。为确保大坝安全,本工程设计采取了如下综合工程措施。

3.1 挖除

对埋藏较浅的软弱夹层 (如NJ305),采取挖除的方法处理。

3.2 坝基设置齿槽

底孔、表孔坝段在坝踵设置齿槽。齿槽底宽12m,齿槽深入NJ304下1.0m;电站及安装间坝段结合厂房开挖,在坝基中部设置齿槽,齿槽上口宽22m,齿槽深入NJ303以下1.0m。

3.3 充分利用尾岩抗力

河床坝基内的NJ304是底孔、表孔坝段稳定的控制滑动面,为典型的双面滑动。底孔、表孔坝段需依靠坝趾下游尾岩支撑才能维持稳定,为了保护尾岩免遭破坏,泄水建筑物采用二级底流消能的方式,以充分发挥尾岩的抗力作用。

3.4 横缝部分灌浆

由于夹层埋藏深度及力学性能的不均一及钙质充填夹层的不连续性,所以各坝段稳定安全度不同。为使各坝段相互帮助,提高坝的整体稳定性,将左岸河床坝段横缝做成铰接缝,对部分横缝进行灌浆。

3.5 利用开挖弃渣压重

在安装间坝段及左、右岸坡坝段下游,利用开挖弃渣分别回填至高程872.9m和866.0m,除满足布置要求,还可增大尾岩抗力,提高两岸边坡坝段及安装间坝段的抗滑稳定性。

3.6 坝基设上、下游帷幕及排水

本工程除按常规设置上游防渗帷幕和排水外,在坝基下游侧及岸边均布设帷幕与上游帷幕形成封闭系统。上游帷幕深入相对隔水层O2m层3 m,下游帷幕及左右岸边帷幕深入O2m层1m。主排水孔深入控制滑动面以下。抗滑稳定计算时不考虑抽排作用,作为安全储备。

3.7 坝基及尾岩固结灌浆

对全坝基和部分尾岩进行固结灌浆处理,以提高坝基、尾岩的承载能力、整体性和均一性。

3.8 预应力锚索加固尾岩

在底孔、表孔消力池下面设置预应力锚索,提高尾岩抗力。

4 消能防冲

龙口水利枢纽为大(Ⅱ)型工程,拦河坝、泄水建筑物和电站厂房均为2级建筑物,其洪水标准按100年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核。入库洪水由万家寨—龙口区间同频率洪水叠加万家寨水利枢纽相应洪水的下泄流量组成。水库运用方式是蓄清排浑,汛期排沙。泄水建筑物除应满足泄洪要求外,还应满足冲沙、排污、排冰凌等要求。规划对泄水建筑物泄流能力的要求是:

(1)校核洪水位时,下泄流量大于8276m3/s;

(2)设计洪水位时,下泄流量大于7561m3/s;

(3)汛期排沙水位888.0m时,下泄流量大于5000m3/s。

由于本工程冲沙流量大,汛期要求泄洪兼排沙,故泄水建筑物以底孔为主。经反复比较,选用10个孔口尺寸4.5m×6.5m(宽×高)的泄洪底孔,孔口处最大单宽流量为137.8m3/(s◦m);2个12m×12m的泄洪表孔,兼作排污排冰之用,最大单宽流量为76.7 m3/(s◦m);为保持电站坝段“门前清”,还设有9个1.9m×1.9m排沙洞。

因坝基存在多层泥化夹层,从大坝稳定性考虑不宜采用挑流消能方式,故表孔和底孔均采用底流消能。同时,为了保护尾岩免遭破坏,维持大坝稳定需要的抗力,消力池不宜深挖,为此采用二级消能方式。消能建筑物主要由一级消力池,一级消力坎,二级消力池,差动尾坎,海漫,消力池左、右边墙及消力池中隔墙等建筑物组成。

一级消力池池长75.0m,表孔和底孔消力池池宽分别为29.0m和95.0m,之间用中隔墙分开,在一级消力池末端设置梯形断面消力坎,坎高7.0m。

二级消力池为底孔、表孔共用,池长53.0m。为了减少消力池末端的单宽流量,平面上二级消力池的左、右边墙分别向两侧扩散(左侧1∶6.67坡度,右侧1∶8坡度向外扩散),池宽由131.0m扩散为147.0m。二级消力池末端设差动尾坎,高坎体型为直角梯形断面,坎高5.0m,低坎体型为等腰三角形断面,坎高3.0m,两种形式每隔3.5m交叉布置。为了防止出池水流淘刷,差动尾坎末端设置一齿槽,齿槽深5.5m,齿槽后接20.0m海漫。

为了防止下泄水流对消力池底板表面混凝土冲刷,在消力池底板顶面铺设0.4m厚的抗冲磨混凝土。

经整体水工模型试验验证,在宣泄各级洪水情况下,消能充分,水流平顺,流态较好,出池水流最大流速控制在9.0m/s以内。

5 厂房下部结构

龙口电站为河床式厂房,总装机容量420MW,年发电量13亿kW◦h,共装4台单机容量为100mW轴流转桨式机组和1台单机容量为20MW的混流式水轮发电机组,额定水头31.0m,最大、最小净水头为36.1m和23.6m。厂房长187.0m,下部宽81.0m,上部宽30.0m,高67.2m,采用一机一缝,大机组段宽30.0m,小机组段宽15.0m。

大机组转轮直径7.1m,单机引用流量359m3/s,采用特殊的上下伸式钢筋混凝土蜗壳,蜗壳包角216°,上下伸角各为15°,流道体型极其复杂。同时,因排沙需要,在每个机组段布置有2个排沙洞,排沙洞进口位于电站进水口下方,呈重叠布置,排沙洞从蜗壳两侧下方穿过,在尾水管上方进入尾水渠,致使厂房下部结构孔洞多,上下左右交叉,体型复杂。

厂房下部结构采用平面框架法和三维有限元法进行分析计算。平面框架方法简便、实用,但忽略了空间作用,只能确定顶板和侧墙径向内力和配筋,无法计算环向应力,致使蜗壳顶板径向钢筋和侧墙竖向钢筋偏多,而环向钢筋不足。三维有限元方法可以弥补结构力学方法的不足,能精确反映各个部位的应力状况。两种方法相互验证,实际配筋综合了两种方法的计算结果,对转角、孔口交叉或应力突变的部位配置了加强筋。蜗壳进口段净跨22.0m,净高11.5m,因受水轮机层布置和蜗壳上伸角的限制,该段顶板混凝土仅2.5m厚,为保证结构强度在蜗壳进口段混凝土顶板内沿顺水流方向和横水流方向各布置2道暗梁。

本工程蜗壳最大内水压力(计入水击压力后)达46.0m,为提高防渗性能,在蜗壳顶板内壁,+x轴方向13.65m,-x轴方向7.85m的范围内,设置薄钢板衬砌,其它部位采用10mm厚环氧砂浆抹面。

6 结 语

本工程坝虽不高,电站装机容量不大,但其特殊的地形地质条件和泥沙问题,仍然存在一些重大的技术问题需解决,针对这些问题采取的相应工程措施值得总结。

(1)采取大小机组方案不仅能满足下游河道生态流量的要求,而且有利于坦化流量过程,增强反调节的作用。

(2)本工程枢纽布置紧凑、合理,泄洪排沙建筑物采用以底孔为主,表孔为辅的方式,可有效地控制库区淤积形态。同时,在电站坝段分散布置排沙洞可以保证电站进口 “门前清”。

(3)针对坝基存在的软弱夹层,采用多种工程措施进行处理,有效解决了大坝深层抗滑稳定问题。

(4)根据大坝深层抗滑稳定需要,为保护尾岩,避免消力池深挖,泄水建筑物消能采用二级消能方式,经整体水工模型试验验证,消能充分,水流平顺,流态较好。

(5)针对河床式厂房下部结构孔洞多,体型复杂的特点,采用平面框架法和三维有限元法两种方法进行分析计算,相互验证。钢筋混凝土蜗壳承受的内水压力较高,为提高防渗性能,在蜗壳顶板内壁局部设置簿钢板衬护。