CCS水电站首部枢纽设计特点

2016-03-11黄河勘测规划设计有限公司

河南水利与南水北调 2016年10期

□耿莉（黄河勘测规划设计有限公司）

CCS水电站首部枢纽设计特点

□耿莉（黄河勘测规划设计有限公司）

CCS水电站位于南美洲厄瓜多尔国，总装机容量1500 M W，为EPC总承包项目。CCS水电站首部枢纽设计根据水文泥沙条件、地形地质特点，电站运行要求并结合施工导流布置提出了技术可行，经济合理的首部枢纽布置方案；根据不同建筑物地基的特性及运行要求提出安全可靠、经济可行的基础处理方案，从监测结果来看，地基基础处理达到较好的效果，有效解决了地基基础的沉降变形问题，实际沉降量远小于规范允许最大沉降量，均满足工程运行要求。文章结合引水式电站首部枢纽布置所涉及的工程要素及特点，介绍了CCS水电站首部枢纽设计特点，为在建及待建类似工程设计提供参考。

厄瓜多尔CCS水电站；首部枢纽布置；地形地质；泄洪规模；泥沙；基础处理

1 项目建设背景

COCACODOSINCLAIR（简称CCS）水电站为引水式电站，位于厄瓜多尔共和国北部NAPO省和SUCUMBIOS省的交界处，工程任务主要为发电，电站总装机容量1 500 MW。该电站为厄瓜多尔目前最大的水力发电项目之一，工程建成后，将成为厄瓜多尔国家电网的骨干电源，多年平均发电量84.66亿kW.h，提供厄国70%的电力。CCS水电站主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道和地下厂房等，为中水集团EPC总承包项目。

CCS工程概念设计（相应于国内的可研）由意大利ELC公司完成，本公司于2009年9月开始经历了概念设计复核，基本设计阶段（相应于国内的初设）和施工图设计阶段，2016年4月电站首台机组发电，基本按合同工期完成了建设目标。

2 首部枢纽工程概况

首部枢纽位于Salado河和Quijos河两河交汇处下游约1 km的Coca河上，由挡水建筑物（混凝土面板堆石坝）、泄洪排沙建筑物（溢流坝及冲沙闸）、取水建筑物（引水闸及沉沙池）三部分组成。首部枢纽根据功能要求，各建筑物之间既相互独立又相互交错，功能上既要满足水库泄洪要求，同时要解决引水发电进口泥沙淤堵问题，保证引水口门前清，有效控制过机泥沙，满足合同对引水泥沙含量和粒径的要求。

结合首部地形地貌特点，经多方案比选，首部枢纽采用左岸集中泄水布置方案，既在首部枢纽坝址区左侧垭口处集中布置泄水和取水建筑物，现状河道处布置混凝土面板坝挡水。泄洪排沙建筑物布置在坝址区左侧垭口处，从左到右依次布置为8孔溢流堰和3孔冲沙闸，承担整个首部枢纽的泄洪排沙任务。坝顶高程1 289.50 m，坝顶长度约271.75 m。水库最高水位1 288.30 m，最大泄流量16 444 m3/s。取水闸紧贴冲沙闸右侧布置，与溢流坝轴线呈70°交角，为带胸墙的平板闸，闸底板高程1 270.00 m，比冲沙闸进口引渠底板高10 m，引水闸共16孔，四孔一联，共四联。沉沙池紧接引水闸布置，共布置8条池室，主要包括上游过渡段、工作段、下游出口闸、静水池、侧向溢流堰及排沙廊道系统。沉沙池工作段长153 m，单池过流断面净宽度13 m，沉沙池底部排沙采用SEDICON排沙系统，泥沙通过下部排沙系统管道汇集到排沙廊道，经排沙廊道排沙至下游海漫；沉沙池后连接无压长输水隧洞。混凝土面板堆石坝位于Coca河主河槽上，轴线长156.12 m，坝顶高程1 289.80 m，坝顶宽度8.00 m，最大坝高26.80 m。

3 首部枢纽设计特点

3.1 泄洪规模大，地形地质条件限制，枢纽布置难度大

首部枢纽所处的Coca河流域中大部分地区属于热带雨林气候，径流分配较为均匀，降雨充沛。首部枢纽防洪标准为10 000年一遇设计，灾害性洪水校核。灾害性洪水设计流量为15 000 m3/s。施工导流标准采用25年一遇设计洪水，设计流量为4 430 m3/s。建筑物具备以下几方面的特点：一是水库要求泄洪规模非常大，需要根据地形地质条件，考虑溢流坝段布置宽度，以满足泄流规模和下游防冲消能的需要；二是施工期洪峰流量大，需要充分考虑导截流工程布置的经济性和方便性，布置方案要利于施工导流工程的实施。

首部枢纽库区由Quijos河谷与Salado河谷组成，在两河交汇一带以相对宽广的“U”型谷为主，谷底宽约300～700 m，发育有多处河心滩、河漫滩，河道纵比降约2.70‰～4.70‰。河谷岸坡陡峻。坝址处的突出特征是河谷中间凸现一锥形花岗岩侵入体，受该侵入岩体控制，河道宽度缩窄形成了“V”型峡谷。河道在右岸形成一个弯道，河道左岸有一垭口，最低处高出河床仅约25 m。该特殊的地形条件为首部建筑物布置带来了一定难度。根据地形地质特点，设计进行了两岸泄水布置、右岸集中泄水布置和左岸集中泄水布置方案比选，最终确定采用左岸集中泄水布置方案。该布置方案的特点：一是在主河道深厚覆盖层上布置混凝土面板堆石坝，充分利用面板坝对地基适应能力强的优点，减少河床地基处理投资，缩短工期，施工也相对简单；二是取水闸和沉沙池布置在中部侵入岩体下游侧，充分利用河滩山包挡水，同时减少基础土石方开挖量和基础处理工程量；溢流坝和冲沙闸基础仍置于深覆盖层上，但覆盖层地质条件优于右岸主河道，地基土层已完成固结，密实程度高。采用左岸集中泄水布置方案是技术经济综合选择。

3.2 高水头冲击式水轮机对泥沙要求高

CCS水电站设计最大净水头618 m，是世界上规模最大的冲击式水电站之一。首部枢纽坝址处河道多年平均径流量290 m3/s，流域泥沙以悬移质为主，水库多年平均输沙量1 211.60万t，其中悬移质输沙量为932万t，多年平均悬移质含沙量为1.01 kg/m3。为了保证水轮机免受大量泥沙的磨蚀，首部枢纽布置方案应充分考虑首部取水口泥沙问题。根据合同规定，首部沉砂池要求≥0.25 mm粒径的泥沙沉降率为100%。

针对泥沙问题，首部枢纽取水建筑物布置有两大特点：一是取水口前布设冲沙闸排沙，保证门前清，尽量减少取水泥沙含量；二是取水口后布置大规模沉沙设施，取水后充分沉沙。

取水建筑物布置采用侧向引水，正向冲沙的方式，并在冲沙闸前设水下长导墙构成推移质沉积渠道，结合冲沙闸进行排沙，保证引水口门前清。取水闸及沉砂池布置在溢流坝冲沙闸右侧，与溢流坝轴线呈70°交角。取水闸为带胸墙的平板闸，共16孔，四孔一联。沉沙池紧接引水闸布置，共布置8条池室，两闸孔对应下游一条沉砂池池槽，包括上游过渡段、工作段、下游出口闸、静水池、侧向溢流堰及排沙廊道系统。沉沙池采用SEDICON排沙系统，泥沙通过下部排沙系统管道汇集到排沙廊道，经排沙廊道排沙至下游海漫；下游出口闸后连接静水池，静水池后连接输水隧洞。

目前大型水电站沉砂池通常采用漏斗集沙，依靠水力冲沙，冲沙耗水量通常较大，为保证沉砂池效率，通常设置专用的取水建筑物和输沙廊道进行冲沙。CCS水电站沉砂池规模大，存在工程投资、场地要求、排沙耗水量、运行要求等问题。SED1CON公司研发的冲沙技术是一种布置在沉砂池池室中的开槽排泥管，该技术在在室内试验和小型工程应用中取得了成功，在工程规模、投资、安装维护、场地条件及运行控制、冲沙效率上具有很大的优势。采用该冲沙方式的沉砂池设计将为今后类似工程提供巨大的借鉴意义。

3.3 地质条件复杂，基础处理难度大

首部工程建筑物物基础为不均匀的深厚覆盖层及花岗闪长岩侵入体，组成性质各有差异，岩相变化大，厚度相差大，基础条件非常复杂，同时因EPC总承包项目对工期及投资有很多限制条件，建筑物基础处理是设计难点和重点。

根据不同建筑物地基的特性，采取不同的基础处理方案，采用了软基换填、振冲碎石桩、混凝土灌注桩复合地基等多种基础处理措施。根据实际地质揭露情况，溢流坝采用了开挖换填+振冲碎石桩处理方案；冲沙闸基础采用素混凝土桩复合地基方案；混凝土面板堆石坝坝基河床覆盖层深厚，地层分布不均一，原设计采用振冲碎石桩进行加固处理，在实施振冲桩时，即使设备功率达到极限时，也无法向下振冲进尺穿透上部砂砾石层，多次试验过皆不能成功，表明坝基处砂砾石层密实性较好。实施时修改为坝前增加盖重区；沉砂池基础左侧坐落于花岗闪长岩侵入体上，右侧则位于河床，岩石与砂砾石土层交接部位坡度较陡，覆盖层厚度变化大，两者之间的压缩模量和变形模量相差较大，在沉砂池结构的影响下，覆盖层处的沉降量将必然比基岩部分的沉降大的多，不均匀沉降问题突出。

基础处理考虑碎石桩方案、碎石桩与堆载预压联合处理方案、桩基方案。经计算分析，采用碎石桩方案可以解决砂层液化问题，但是由于沉砂池区域覆盖层深度较大（最深90 m），沉砂池结构范围较大（工作段宽度119 m），附加应力影响范围太深（80 m以下折减系数不超过50%），采用碎石桩不能有效解决沉降问题，难以满足设计规范要求；采用碎石桩与堆载预压联合处理方案，工期安排上不具备条件，因此最终确定采用桩基方案。桩基方案在实施过程中结合现场施工能力，分别布置了直径1. 50 m和1.80 m的桩基，桩基都为嵌岩桩，在桩顶部分进行扩头处理；桩顶和结构之间布置0.50 m回填砂卵石垫层。