智利艾森水電樞紐導流工程物理模擬試驗

[智利]R.西恩富戈斯 B.費爾南德斯 O.加爾塞斯等

劉洪亮 譯自英刊《水電與大壩》2010年第1期

艾森水電樞紐包括貝克河上的2座水電站和帕斯夸河上的 3座水電站,這兩條河位于智利最南端。

該水電樞紐總裝機容量2750MW,年平均發電量18430GW?h。水庫總面積59.1 km2,年發電量 -水庫面積系數為 312 GW?h/km2,艾森水電樞紐為此成為效益最高的水電工程。

在工程設計方案中,從設計初期階段起就融入了“為減輕環境影響設計”的理念。制定了與可持續開發方法一致的標準。這需要盡早查明環境影響,以便能對工程進行調整與優化,并減少大量環境問題的潛在不利影響。

該樞紐將開發這兩條河的部分水電資源,這兩條河都因河谷狹窄、陡峭和天然調節流量很大而受到關注。即使在枯水季節,平均流量仍為 600～800m3/s。這些特點導致壩址處流速快(達到5 m/s),水流深(＞5m),使導流工程具有挑戰性。

為了對推薦的貝克1和帕斯夸2.2水電工程壩址處的導流特點進行分析,智利天主教大學水工實驗室運用了兩個縮尺物理模型(貝克河為1∶70,帕斯夸河為1∶60)來評價導流工程的性能和檢驗圍堰施工的不同方法。

結合諸如立方體、四立方體(tetracubes)、四腳錐體,以及土石填方進行試驗,以獲得半透水的圍堰。

本文介紹了使用這兩個模型進行的試驗,以及選用方案的效果。該方案考慮了使用 30t重的四腳錐體并結合使用石料和顆粒料填筑,以確保上游圍堰不滲水。

1 工程概況

艾森水電樞紐位于智利首都圣地亞哥南部約2000km處的艾森地區。水電樞紐設計包括在貝克河上建2座電站和在帕斯夸河上建 3座水電站。

該樞紐由上游至下游分別命名為貝克1和貝克2電站,帕斯夸1、帕斯夸2.1和帕斯夸2.2電站。該工程還包括帕斯夸1電站與貝克1電站附近的交直流換流站之間的一條177 km長的50kV交流輸電線路。從該換流站開始,一條2000km長的高壓直流輸電線路將該電站與智利中央互聯電網連接。

除貝克2電站外,其余電站布置相似。這些電站由1座進水口建筑物、2條短引水隧洞和豎井,以及地下電站組成。每座電站裝2臺豎軸混流式水輪機、發電機和變壓器。尾水隧洞設有調壓井,將水排入每座壩下游河內。

貝克2電站進水口建筑物以前有一條輸水渠,該進水建筑物與兩條鋼板襯砌的混凝土斜壓力管道連接。電站廠房為地面廠房,裝2臺轉槳式水輪機、發電機和變壓器。水輪機將水流排入與貝克河相連的一座水庫內。

帕斯夸河上的 3座電站都設計了一座 RCC壩,而貝克1電站則設計了一座混凝土面板礫石壩(CFGD),貝克2為常規混凝土壩。這5座大壩的主要參數見表1。

表1 艾森水電樞紐的主要參數

貝克河發源于卡雷拉將軍(General Carrera)湖-伯特蘭(Bertrand)湖系(面積1890km2),而帕斯夸河則發源于奧希金斯(O′Higgins)湖 -奇科(Chico)湖系(面積1000km2)。與智利其他河流相比,貝克河和帕斯夸河年平均流量極大,加上其地形優勢,其水電蘊藏量自20世紀 40年代以來一直受到人們關注。20世紀 60～80年代中期,在兩條河的干流及某些支流上設置了十多個測流站。此外,在卡雷拉將軍湖和奧希金斯湖設置了幾個氣象站和湖泊水位站。因此,已有45 a的逐日實測流量水文資料,可進行詳細和可靠的流量分析。在上游的湖泊出口處,貝克河流量約570m3/s,在其下游35 km的貝克1壩址處,流量增至約 640m3/s。在距卡雷拉將軍湖 90km的貝克2壩址處,記錄的年平均流量為 950m3/s。下游支流不大,當貝克河水流匯入海里時,流量估計為1000m3/s。該河水情表明,由于冰雪融化,夏季流量為最大,年平均流量季節變化范圍為 ±35%。貝克河主要為西南流向,如圖1所示。帕斯夸河具有類似的水文特征,在奧希金斯湖出口下游幾公里的帕斯夸1壩址處年平均流量為 620m3/s,在其下游約60km處,該河匯入海里的流量估計為 800m3/s。在帕斯夸2.2壩址處,記錄的平均流量為 690m3/s。年平均流量季節變化限定在 ±45%的范圍內。

由于流量季節變化小,預計工程導流時流量很大。此外,壩址處河谷狹窄,導致流速達到5 m3/s,水深在5 m以上。因此,在水力學模型上對待建的2座電站,即貝克1和帕斯夸2.2的導流條件進行了試驗研究。

2 工程設計采用的環境標準

采用了為減輕環境影響而設計的理念作為工程開發各方面應用的標準。在初期階段,現代環境保護和減緩環境影響的理念就融入工程設計方案中。

圖1 貝克河流域和擬建工程選定的壩址

通過各種方式使地方和地區的社會階層了解這項工程,收集利益相關者的看法、意見和所關注的問題,隨后將這些意見在工程計劃中加以考慮。這意味著工程設計考慮了早期發現的環境影響,并決定對設計加以調整,這樣就減少了許多潛在的不利環境影響。

這種方法不僅考慮了通過典型的減緩環境影響的措施和計劃減緩對環境的影響,而且還采用了工程設計的方法來減少和避免對環境的影響。為減輕環境影響,設計時應遵循如下準則:

(1)開發高效工程,注意減少水庫蓄水面積,同時達到盡可能高的發電水平。

(2)維持卡雷拉將軍湖 -伯特蘭湖水系和奧希金斯湖 -奇科湖水系上游的天然水位。

(3)基于庫水位變化小和運行流量大(≥該河流年平均流量的 40%)的自主調度準則,以確保對電站上下游的影響最小。

(4)維持旅游景點(如險灘)以及電站上游平地河段的天然水流條件。

(5)利用短尾水隧洞和(或)溢洪道泄水恢復每座大壩壩腳的水流。

(6)通過地下工程設計,盡量減少對景觀的視覺影響,包括輸電線路選擇的視覺影響標準。

(7)有關工程附近冰川的“零影響”方法。

(8)根據獨立單元的設計理念,應遠離居民區設置施工人員生活營地,減少對當地居民的可能影響。

3 水工物理模型

兩個模型都是按弗勞德相似性和無幾何變態的縮尺比例建立的。模型設計由1∶1000比尺的地形資料、水深測量剖面圖(包括由 Ingendesa公司為確定水工建筑物的位置和尺寸而編制的水位 -流量測量數據、平面圖和布置圖)提供支撐。通過對照現場觀測數據調整實驗室回水曲線,在兩個模型上率定河道內等效表面曼寧糙率和異常部位的能量損失。水工模型的尺寸和特征參數列于表2。

3.1 圍堰施工和導流的研究方案

由于諸如坡陡、流量大、流速快(達到了5m/s)及水深(即使在枯水季節某些河段水深也超過了5 m)等自然條件,貝克河和帕斯夸河施工導流都是一件非常復雜的事情。此外氣候條件也不利,且可獲得的尺寸和重量適宜的顆粒材料也不多。

為了盡量減少風險和危害,決定在物理模型上模擬導流。為利用預制混凝土件(例如四立方體、石籠、四腳錐體)和級配的土石料修建一道初始導流堤,研究了各種方案,以便在施工結束時形成一座半透水圍堰。必須指出的是,根據模型試驗結果,一旦導流洞連通,在圍堰施工之前,通過導流洞就可以引走貝克河枯水期 40% ～45%的流量,帕斯夸河25%～30%的流量。

石籠水力穩定性初步試驗表明,石籠不適于用來拋填,因為在典型流量條件下,石籠可能向下游滾動。用于試驗的四立方體、四腳錐體和土石填筑材料試驗的尺寸和特征見表 3。

河流導流和圍堰施工初期階段都在水工模型上進行了不同河流流量和預制件與填料組合的試驗。每組河流流量和施工方法至少重復了 3次,以反復試驗預制件的任意拋填。

每一組試驗都是先在河流斷面上形成一道穩定的預制件結構。填筑方法是在一給定點通過模擬的纜軌一件一件地拋投預制件,直到預制件露出河面為止。然后變換位置,反復進行填筑,直到到達河對岸。一旦形成了預制件結構,就用帕斯夸2.2電站的一輛模擬用的20t卡車和貝克1電站的一輛模擬用24 t卡車拋投填充料,繼續進行圍堰施工。在這兩種情況下,繼續進行拋投填充料施工,直到在整個河流斷面上形成一個近6 m寬的頂部平臺。初步試驗的順序是:1型試驗,四立方體試驗(僅有參考值);2型試驗,四腳錐體和填料試驗 ;3型試驗,四立方體、四腳錐體和填料試驗。

表4列出了每種情況和各種流量條件的結果。

在所有組次的試驗中,最終結構都是參差不齊的,且相當透水。實際上,使用挑選的預制件和填料組合不可能使圍堰完全防滲。例如,只有試驗類型3達到了可接受的約 90%～95%的導流流量,但需要大量填充料。不過本節介紹的試驗對于確定下節所述的最佳圍堰施工方法具有參考價值。

初步試驗獲得的結果有助于完善導流工程:

(1)貝克1電站。導流隧洞進口、洞身、出口降低了2m,維持洞底坡度不變,根據地質和巖土力學資料,對導流隧洞進口和出口位置作了修改。

表2 貝克和帕斯夸電站水工模型的主要尺寸

表3 貝克和帕斯夸電站模型混凝土預制件和填筑材料的主要尺寸和重量

表4 貝克模型預制件和填料的試驗結果

(2)帕斯夸2.2電站。對將隧洞與河流連接的進口建筑物的定線作了修改,但維持進口建筑物底部高程不變。

由于進行了這些修改,在建圍堰之前,貝克河的導流流量百分比從 40%～45%增加到55%～59%。對于帕斯夸河,隧洞導流流量百分比從 30%增加到約50%。

通過改進和優化導流工程的液壓裝置,河道截流時流量明顯減少,有助于修建上游圍堰。

3.2 圍堰施工采用的方案

為了成功修建圍堰,試驗中應用了物理模型,并分析了各種方案。基于模型試驗結果和 Ingendesa公司與艾森水電公司的建議,以及外部咨詢,確定了一種新的施工方法。如上所述,新方法考慮了使用預制件初步形成的穩定結構。盡管如此,還將級配填充料堆填在新形成結構的上游側,以達到防滲目的(圖2示出了圍堰布置的草圖)。

圖2 推薦的圍堰示意圖(貝克和帕斯夸電站模型)

用每件 30t重的四腳錐體形成一道初始戧堤,這樣在水動力學和結構穩定性方面就產生了很好的效果。堆填在四腳錐體戧堤上游側的填料由以下兩個區組成,旨在形成級配的反濾層:

(1)粗料區(材料最小粒徑0.3 m,最大粒徑0.7m)。粗料直接填筑在四腳錐體上游(圖2)。

(2)細料區。細料填筑在粗料區上面,以達到防滲的目的(貝克河:D50=35 mm,Dmax=170mm;帕斯夸河:D50=30mm,Dmax=150mm)。

對于粗料層,按幾種水流條件,在水工模型上進行了兩種粒徑級配的試驗。試驗結果表明,粗料層應摻和可得到的尺寸最大的填料,以獲得最佳和極其穩定的圍堰結構。達到成功導流的四腳錐體和細料需要量列于表5。在所有情況下,最終圍堰都是穩定和防滲的,通過導流隧洞可導流約 95%的河流流量。

表5 在不同流量下圍堰施工使用的預制件和材料(貝克和帕斯夸電站模型) m3/s

4 結 語

由于貝克河和帕斯奈河流量大、水流深,使得導流工程面臨巨大的挑戰。為了完成隧洞導流,在貝克河1∶70水工模型上和帕斯夸河1∶60水工模型上進行了不同圍堰施工方法的試驗。為了進行圍堰施工,使用了諸如石籠、混凝土四立方體、四腳錐體預制件進行試驗,旨在跨河流形成初步穩定的戧堤。四腳錐體因在水動力穩定性和結構穩定性方面效果極佳而被采用。推薦的圍堰施工方法是在選定的位置上通過纜軌一個接一個地拋投 30t重的四腳錐體,直到預制件露出河面,然后改變拋投位置,重復前一步的拋投方法,直到到達對岸。

待這種初步填筑結構形成后,再將兩層級配的土填料堆填在四腳錐體戧堤上游側。第1層材料是小到中粒徑的礫石(粒徑為 300～700mm),而第2層則使用的是細料(粒徑 D50=30～40mm,Dmax=150～170mm),以達到防滲的目的。這種施工方法形成了穩定和不透水的圍堰,為兩條河的成功導流創造了條件。