西藏高海拔深切峡谷地区水电设计关键技术问题研究

2019-02-17赵国斌李新宇

水力发电 2019年2期

侯靖，吴忠，刘宁，赵国斌，李新宇，方杰

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)

0 引言

西藏自治区位于青藏高原西南部，北邻新疆，东连四川，东北紧靠青海，东南连接云南，南与缅甸、印度、不丹、锡金、尼泊尔等国毗邻，西与克什米尔地区接壤。西藏平均海拔在4 000 m以上，素有“世界屋脊”之称，全区为喜马拉雅山脉、昆仑山脉和唐古拉山脉所环抱，地形地貌复杂多样。西藏的气候具有独特特性，总体上西北严寒、东南温暖湿润，气候呈现日照时间长，辐射强烈；气温较低，温差大；干湿分明，多夜雨；冬春干燥，多大风；气压低，氧气含量少等特点。

西藏地域辽阔，河湖众多，土地辽阔，能源资源受其独特的气候和地形、地质条件影响，主要有水能、太阳能、地热、风能和传统能源(林木和畜粪等)。其中，水能资源特别丰富，水力资源理论蕴藏量约占全国的29%，技术可开发容量约占全国的24.5%，主要集中在藏东南的雅鲁藏布江中下游、怒江上游、澜沧江上游和金沙江上游等干流上，可开发水电站主要以大中型为主，适宜于集中开发和集中外送，是我国乃至世界少有的水电能源富集区，在保障国家未来能源安全中占有十分重要的战略地位。

针对如何在保护环境的前提下，有序开发丰富水电资源，促进西藏经济社会发展，提高百姓生活质量的问题，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司投入了极大的努力，结合自身丰富的工程经验，对西藏地区的独特水文、地质及电站水工结构、水轮发电机组、筑坝材料等，开展了一系列的研究工作，积累了大量研究成果，以下就部分内容做简要介绍。

1 西藏高海拔深切高山峡谷地区水文气象特性研究

1.1 河段水文设施和资料情况

西藏对自治区范围内大江大河水情测报工作非常重视，水文站、雨量站、气象站建设工作均比较全面到位，大江大河上的水文站基本为国家级站点。其中，雅鲁藏布江中上游、怒江上游、澜沧江上游和金沙江上游等干流上均布设有国家级水文站点，每年在汛期和非汛期测报洪水、径流流量和悬移质泥沙资料，为水文基础建设工作提供了大量详实资料。

西藏地域辽阔，尽管水文工作每年投入大量的人力物力，但在部分区域，由于早先交通不便，通讯不畅，仍然有一些水文站点未布设到，对预测径流和洪水存在较大的影响。

1.2 对未建水文设施河段的思考

针对西藏的基础交通设施，随着国家对地方道路的大力投入，使周边地区居民的对外出行得到了改善，地方内外物质的运输流动也得到了极大提升。对于交通道路延伸至水力资源丰富河段，如何及时改善和补充当地的水情测报系统，完善流域上下游水文测站的站点布设，也变得较为迫切，有必要提前进行谋划。

1.3 对一些未建水文设施河段的水文布设

西藏目前大江大河上的水情系统布置比较多，也存在前期交通、通讯比较困难地段未进行布设的情况，在咨询有关部门和实际分析后，本研究课题对未布设段进行了完善，目前测报工作均比较正常，并在今年的雅鲁藏布江下游河段两次堵江突发事件中，及时准确地向地方各级政府进行了水位流量观测和报告，避免了大的次生灾害出现，并积累了宝贵资料。

1.4 对新建水文测站河段的研究成果

在充分利用已有周边已经设置的水文站、水位站、雨量站、气象站的成果基础上，对新站进行新测数据资料整理，数据插补、延长，并作相关性分析，分别取得了径流、洪水研究成果。

2 西藏高海拔地区复杂地质环境与工程建设难题

2.1 西藏高海拔地区复杂地质环境特征

西藏是青藏高原的主体部分，总面积120多万km2，平均海拔4 000 m以上，是世界上最年轻的、海拔最高的高原，特别是中新世以来强烈的地壳抬升和新构造运动，造就了高原上自北向南排列的有昆仑山脉、喀喇昆仑—唐古拉山脉、冈底斯—念青唐古拉山脉及喜马拉雅山脉，构成了西藏高原的格局，尤其是雅鲁藏布江下游地区，是我国重要的战略资源和水电基地，也是国家“西电东送”重要的接续能源基地，但也是青藏高原上侵蚀最强烈的地区，山峰陡峭，峡谷深切，多呈“Ⅴ”形，两侧岸坡坡顶高程2 400～4 400 m，河谷中最低高程只有500～1 100 m。

从区域构造来看，雅鲁藏布江构造带是至今仍高度活跃的印度板块和欧亚板块之间的陆-陆俯冲碰撞缝合带，目前印度板块以2～5 cm/a的速率俯冲至欧亚板块的拉萨地体之下。由此可见，区域内断裂构造发育，构造活跃，地震烈度高，对水电工程的建设产生了极大的影响。

2.2 西藏高海拔地区地下工程建设主要难题

2.2.1高地应力

西藏地区区域构造活动强烈，板块挤压导致岩体结构强烈变化、岩性强烈变质，导致该区域存在复杂的构造分布特征、复杂的地应力场以及复杂多变的岩性分布，由此导致的复杂地质条件下地下工程建设便成了一个亟待深入研究的课题。在诸多影响深埋地下洞室围岩的稳定性的因素中，高地应力诱发的应力型破坏、强烈岩爆以及软岩大变形等对工程的影响最为突出。

西藏地区位于喜马拉雅东构造结，处于印度大陆和欧亚大陆碰撞前缘部位，是喜马拉雅造山带变形最为强烈的地区之一。碰撞导致的强烈挤压将南部印度大陆向北楔入欧亚大陆，使雅鲁藏布江缝合带在该地区强烈错位和急剧转折形成拇指构造结(喜马拉雅东构造结)。构造结东、西边界分别由右行走滑的阿尼桥断裂和左行走滑为主的东久-米林断裂限定；北边界则是被一系列北东走向走滑断裂切割，其中嘉黎断裂为较大型的韧性断层带，阿尼桥右行走滑断层走向约为N30°E。同时，在喜马拉雅东构造结处，新构造活动强烈，新构造运动主要具有大面积整体、间歇性抬升和块体的水平滑动以及断裂、断块活动的继承性、新生性和差异性等特征。晚第三纪末至第四纪，青藏高原总体处于快速隆升阶段，使第一期夷平面发生解体及变形，喜马拉雅山脉崛起，高原内部产生北东向、北西向走滑系统及南北向裂陷带。根据以上构造运动条件，可初步判断工程区的近代构造应力为NNE，地应力格局为逆断性地应力格局，即两个水平方向的主应力均大于垂直主应力，约为垂直主应力的1.3～1.8倍。

采用基于Hoek-Brown强度准则建立的能够准确反映围岩力学特征随围压变化的BDP模型，对不同埋深条件下的围岩损伤深度进行计算，以III类围岩为例，单轴抗压强度UCS=90 MPa，地质强度指标GSI=55，岩体完整性系数mi=28。埋深为1 500 m时，距离洞壁4.5 m深度处围岩经历了应力增高—峰值强度—低应力水平的过程，该深度部位围岩屈服程度相对较强，在距离洞壁5.0 m深度部位，围岩尚未达到峰值强度，由此判断出损伤深度约为4.9 m；埋深2 000 m时，距离洞壁5.5 m深度处围岩屈服程度相对较强，在距离洞壁6.0 m深度部位，围岩尚未达到峰值强度，由此判断损伤深度约为5.7 m。

2.2.2活动断裂

水电工程中经常遇到断裂构造问题，现行规范都基于避让原则加以规定，但西藏地区构造活跃，主要分布两大活动断裂带，即雅鲁藏布江断裂带和嘉黎断裂带，两大断裂带均为深大的区域性大断裂，由一系列的断层组成。根据区域资料，两大断裂带全新世以来仍在活动，地震活跃。另有北西向、近南北向、东西向、北东向的次级断层呈放射状的分布在雅鲁藏布江断裂带两侧、南迦巴瓦峰周围。区域上认为是有大拐弯内的南迦巴瓦峰隆升造成的断裂，这些断裂规模较小，延伸几公里或十几公里，断裂带宽度一般为十几米到几十米不等，但与雅鲁藏布江断裂带相交处均切断了雅鲁藏布江断裂，并有一定的走滑性质，初步判断，目前这些断裂仍具有活动性。

活动断层的错动是一个复杂的过程，因此对穿越断层的数值分析难度较大，通过对活动断层的运动过程以及断层处的岩体分布等条件进行简化处理，采用有限差分程序，分别对常规设计和铰接设计两种情况进行分析。在常规设计情况下，错动量达到5 mm时，在断层处的衬砌腰部出现明显的剪切破坏，随着错动量的增大，破坏程度越来越严重，断层腰部以剪切破坏为主，顶部拉坏和底部压坏次之；从塑性区分布分析，当错动量达到4 cm时，断层活动对上盘处的衬砌影响范围将达到7 m。在铰接设计情况下，错动量达到5 mm时，在断层处的衬砌，仅腰部出现明显的剪切破坏；随着错动量的增大，衬砌的塑性区范围并未越来越大，断层处衬砌结构仍然以腰部的剪切破坏为主，顶部略有拉坏，底部无破坏。两种情况相比，铰接设计情况较优，在4 cm 错动量内，都以断层处衬砌腰部的剪切破坏为主，且影响范围在2 m内。

2.2.3地下水

水文地质条件对工程建设的影响，尤其是对深埋长隧洞的勘测、设计与工程运行都会产生极其严重的影响。雅鲁藏布江地区地处青藏高原上侵蚀最强烈的地区，地下水分布形式多样、补给来源丰富、径流及排泄条件复杂，加之工程区域内落差大、地面条件复杂，进行详细的水文地质测绘是非常困难的。因此，需要综合研究各种有关资料，以多波段、多层次、多时相，多重信息的遥感水文地质解译为基础，解译与野外调查紧密结合；尽可能多地将溪、泉流量实测资料与水文站的水文气象观测资料相结合；水文地质岩组和构造分析与井孔水文地质试验分析相结合；大量的水化学分析与有重点的环境同位素试验相结合，充分发挥多重信息综合研究的优势，详细研究工程水文地质问题。

3 西藏高海拔深切高山峡谷地区高水头、超大容量机组研究

大江大河高海拔深切高山峡谷地区的水电开发，存在电站运行水头高，装机容量巨大。受区域地质构造活动性强的影响，大规模地下洞室群规模越大，施工难度越大，如何提高机组单机容量，缩小地下洞室群规模，成为需要考虑的关键问题，适时开展高水头、高转速、大容量水轮发电机组关键技术的研究工作，设法提高单机容量以减轻对枢纽布置的制约具有重大而迫切的实际意义。

3.1 超大容量水轮机、发电机需要考虑的问题探讨

结合对西藏大型河流深切高山峡谷地区的水电开发认识，将高水头、大容量机组研究目标集中在600 m和900 m两种水头段，重点研究确定该两种水头段机组的机型和最大单机容量。

水轮发电机组的设计制造，是一个综合水力设计、电磁参数、结构性能、材料性能、冷却方式等各方面技术的复杂工程。随着转速和容量的增大，对水轮机水力设计和动应力控制，水轮发电机的电磁设计、结构形式、通风冷却方式，以及机架、轴系的刚强度和稳定性，高强度材料的应用等方面都提出了更高要求。解决上述难题将极大地推进在诸如CFD技术、流固耦合、材料研发、转轮动应力分析和试验、真水头模型试验研究等方面的发展提高，推进高转速大容量发电机电磁设计、通风冷却方式、机组机械部件设计、高强度等级材料焊接和加工工艺等方面技术的提升，促进高水头水轮发电机组技术的研发和制造水平，推进水轮发电机组研发和新材料技术的巨大进步。

3.2 超大容量水轮机、发电机初步研究成果

600 m水头段，拟以混流式机型为代表方案；900 m水头段，拟以冲击式机型为代表方案(亦不排除未来选择混流式机型为代表性方案的可能性)。

600 m水头段混流式机组单机容量，考虑技术进步，选择800～1 000 MPa等级转轮材料、800 MPa等级蜗壳钢板(150 mm厚)、550 MPa等级座环(350 mm厚)钢板、800～900 MPa等级发电机磁钢材料以及合适的发电机冷却方式(42 MVA)等技术方案，600 m水头段的单机容量可选择1 000～1 200 MW。

900 m水头段冲击式机组单机容量，考虑技术进步，选择6.6 m转轮锻件，800 MPa等级配水环管(100 mm厚)、800～900 MPa等级发电机磁钢材料以及合适的发电机冷却方式(28 MVA)等技术方案，900 m水头段的单机容量可选择600～800 MW。

4 西藏高海拔碾压混凝土筑坝技术研究

西藏地区高海拔、大温差、低气压的气候条件下建成坝高超过100 m级的碾压混凝土工程目前还没有(果多水电站坝高为93 m)。考虑高海拔、大温差、强日照、气候干燥等影响碾压混凝土材料性能、层间结合、上游防渗效果的不利因素条件，有必要研究合适的碾压混凝土配合比，提高层面结合质量、上游防渗效果和温控防裂等方面的措施，为碾压混凝土坝在高海拔地区推广应用奠定基础。