可供比選的電站布置設計方案

可供比選的電站布置設計方案

開發(fā)水電工程時，整體經濟性(包括工程造價、投資收益和回報周期)是比較方案的決定性因素。由于每項工程的壩址環(huán)境不同，以及其自身所具有的難點，應用工程師始終致力于為工程提供一座更安全、更經濟、更耐用和更持久的大壩。因此，根據大壩的目的和建筑材料，在大壩工程建設史上，開發(fā)和修建了各種類型的大壩，空腹混凝土重力壩在這些壩型中占據了重要一席。

水電站;水電站布置;水電站設計;方案選擇

在20世紀，世界上普遍開發(fā)和修建空腹混凝土重力壩。然而碾壓混凝土(RCC)作為修建大壩的新技術和新材料的出現(xiàn)，由于其成本低、施工快且性能可靠，于是在20世紀80年代空腹混凝土重力壩的建設數量就變少了。規(guī)劃、設計和施工新大壩時，大多開始關注RCC壩，而空腹混凝土重力壩的方案經常被擱置一旁。最近，RCC技術的重大進步和對RCC特性的良好認知，才使規(guī)劃、設計和修建超高RCC大壩(壩高超過150 m)獲得允許。與修建地下電站截然相反，對于超高RCC壩，在大壩中修建空腹并將電站布置到該空間，會大大節(jié)約成本，與RCC施工的沖突有限。出于這個原因，正在加緊研究將電站布置到一座高270 m、壩基寬260 m的超高空腹的RCC重力壩中的可行性，被并入的電站寬37 m。本文的論述內容，在一定程度上，由可行性研究發(fā)展而來。研究結果顯示，這是降低新RCC重力壩成本且無損安全性的可行辦法。

1 電站方案選擇

規(guī)劃RCC壩的水電工程時，顯然，電站布置位置的選擇十分重要。通常會考慮到以下3種方案:

(1)地上廠房。通常是將廠房布置在壩后，水通過壓力管道輸送，穿過大壩。

(2)位于壩肩內的地下廠房，水道的長度最短。

(3)位于較遠下游區(qū)域的地下或地面廠房，可利用大壩和尾水之間河流段陡降的優(yōu)勢。

電站位置的選擇主要取決于工程環(huán)境和壩址條件，不過最終由經濟因素決定。與工程其他主要特性相關的電站布置，在工程的總成本中顯得相當重要。壩后式布置的地上電站，需要足夠大且無太多開挖量的地方，以使電站可以沿河布置。如果是狹窄的河谷，河道區(qū)域常常沒有足夠的空間來布置電站、溢洪道以及可能會需要的升船設施。因此，設計師經常會采用地下電站設計的形式。雖然在這種情況下電站的位置會更靈活，工作區(qū)可以更輕易地與大壩建筑物隔離開，但需要修建地下設施，包括電站洞室、開關站洞室以及相關的隧道系統(tǒng)，而這些工程的成本通常是非常昂貴的。

因此，對于超高RCC壩而言，筆者提出另一布置方案:將電站布置在壩體內。中空的空間將建在壩體內的下部，以布置電站。用壓力管道將水從水庫引入到發(fā)電室，機組將水從尾水管直接排放到下游。采用這種設計方式，溢洪道的布置也不會受電站設計的影響。

顯然，RCC壩內的電站布置會影響到RCC的施工。因此，這種電站只對超高RCC壩有意義，因為與巨大的壩基成比例的壩內電站空腹就將變得相當的微不足道。

事實上，超高壩的設計和修建不是一項尋常工作。每座超高壩工程都將是一個特例，且特定的條件將影響最適合壩址的壩型的最終決定。世界上只有有限的部分壩址是適合修建超高RCC壩的。然而，這一替代方案所節(jié)約的大量工程成本可能會吸引設計者。

2 空腹混凝土重力壩

空腹混凝土壩是一種用混凝土構造的攔河壩結構，內部為中空。空腹壩大多是重力結構，但也有可能是重力拱壩甚至是拱壩。應說明的是，其他類型的空腹壩，比如支墩壩、多拱壩和寬縫重力壩，不在本文討論之列。

20世紀早期開發(fā)的常規(guī)混凝土空腹重力壩，最初改善了應力條件并節(jié)省了重力壩的大體積混凝土。與實體重力壩相比，空腹重力壩更多地是依賴于其結構，而不是依賴其重量來抵御水的壓力。

空腹壩的下一步發(fā)展，則是將電站并入到中空的空間中。這樣，可以獲得以下益處:

(1)為將電站布置在狹窄河谷提供了一種選擇方案;

(2)將附屬的地下洞室移至壩肩內，可以降低工程成本;

(3)可以節(jié)省混凝土的用量;

(4)可以改善中空空間上游側大壩混凝土的應力條件和壩基的應力分布狀況;

(5)可以改善大體積混凝土的散熱狀況;

(6)可以減少壩肩的沖擊，保護了環(huán)境。

直到20世紀80年代，只建成了屈指可數的幾座空腹混凝土壩，其中有的設計有電站，有的沒有。例如，1957年，日本修建了高為 103.6 m的伊川(Ikawa)空腹混凝土重力壩，接著又修建了13座空腹混凝土壩。1964年，葡萄牙建成了高87 m的賓波斯塔(Bemposta)拱壩，壩內空腹高20 m，寬14 m。1979年，鳳灘重力拱壩竣工，壩內布置有整體電站，這是在壩體內布置整體電站的最大一座混凝土壩。表1中列出了布置有整體電站的幾座空腹混凝土壩。

3 布置整體電站的大型空腹RCC壩

RCC的利用，使許多新建大壩在經濟上可行。RCC易于制造、輸送和布置，施工過程經濟且快速，這也直接導致了快速的混凝土澆注，施工期縮短反過來就意味著成本更低。在過去的30 a里，RCC技術在大壩工程領域內得到了普遍認可和接受，現(xiàn)在RCC已在全世界成功地應用于大壩建設。

RCC技術的最新進展和對RCC特性的更佳認知，為大壩工程師提供了經濟地規(guī)劃、設計和修建超高RCC壩的機會。建造超高RCC壩的新技術、新材料和施工程序已經被廣泛接受。高188 m的米爾(Miel)1級和高216.5 m的龍灘RCC壩，已經分別在2002年和2007年竣工。表2中列出了幾座超高RCC壩(超過150 m)的情況。超高RCC壩的成功修建，顯示了RCC技術的適用性和超高RCC壩的可靠性。基于已竣工RCC壩的建設經驗和有效性能數據，幾座高度超過200 m的RCC壩目前正在設計中，或建議在不久的將來修建。

表1 在壩體內布置電站的空腹混凝土壩

表2 已竣工的超高RCC重力壩(壩高超過150 m)

RCC壩施工的一個重要因素是它需要相當大的澆注區(qū)域，且沒有任何干擾，這樣可完全利用快速設備和高效勞動力的優(yōu)勢來實現(xiàn)。較大的澆注區(qū)域意味著模板量也要減少。另一方面，適當地限制澆注區(qū)域，可以保證RCC的質量，如果澆注區(qū)域太大，2個連續(xù)層之間的時間間隔可能會超過RCC混合的最初設定時間。RCC高壩的建設經驗表明，恰當的澆注區(qū)域應限制為:夏季4 000～7 000 m2左右，冬季10 000～15 000 m2左右。過大的澆注區(qū)域將導致設備投資巨大，且難以保證RCC的養(yǎng)護質量。因此，超高RCC壩的總施工區(qū)域應劃分為幾個澆注子區(qū)域(或稱之為錯層式法)，就象修建高為216.5 m的龍灘RCC壩一樣。

將電站集成到RCC壩中，首先要考慮到電站空腹將占用的空間，而RCC施工需要足夠的工作空間來實現(xiàn)經濟地澆注和壓實RCC材料。空腹RCC壩的壩基區(qū)分為上游側和下游側2個區(qū)域。然而，RCC壩中電站空腹的施工干擾是壩基寬度面臨的難點。壩不是很大時，2個部分的澆注區(qū)可能不足以充分利用設備，這將影響RCC的施工。RCC壩的壩基寬度增大時，電站空腹與壩基寬度的相對比例會減小。如果壩基足夠大，再施以仔細規(guī)劃并適當地加以管理，則電站空腹對RCC施工的干擾將維持在最小。混流式水輪機電站空腹的最大寬度通常小于40 m，而超高RCC壩的壩基寬度有可能超過140 m。因此，如果將電站的空腹布置到壩體內，每側還有超過50 m的澆注區(qū)，這樣的空間足以使RCC持續(xù)施工且干擾很小。此外，如上所述，超高RCC壩的RCC澆注應在幾個子澆注區(qū)進行，電站空腹將提供分區(qū)。

與地下式電站相比，將電站并入到壩體內的主要好處是工程的成本大幅度地降低。比較工程成本時，對下述項目的質量和成本應進行單獨計算及比較:

(1)土木工程。包括地下洞室、隧道、調壓室、水道、引水、泄洪設施、壩內的發(fā)電洞室、壓力管道、尾水管、壩基開挖、開關站、交通通道、RCC/大壩和電站及加強的常規(guī)混凝土。

(2)水力金屬結構。包括上游引水、水道、調壓室和尾水管等。

(3)水輪機和機械設備。

(4)發(fā)電機和電氣設備。

(5)變電站和相應的電氣設備。

超高RCC壩可行性研究的經驗表明，并入電站的設計方案可使費用節(jié)省20%～25%。

由于重力壩是使用大體積混凝土，而混凝土材料水合作用的熱量會使混凝土溫度升高，從而產生熱應力，因此有可能會引起有害的裂縫。大型RCC壩的溫度控制總是施工時應引起特別關注的重要事項。原則上，RCC壩應是全程長度處理澆注(在一個斷面上，按從下游到上游澆注壩塊的順序)，在壩塊的中部沒有縱向接頭。因為壩基很寬，很難控制超高RCC壩的溫度。例如，龍灘大壩澆注RCC時，一般采用RCC預冷，炎熱季節(jié)里還需嵌入冷卻管進行后冷卻。米爾1級RCC壩，其斜縱向接頭布置在大壩的中部，最后的接頭灌漿施工時嵌入灌漿系統(tǒng)。在大壩中部澆注電站空腹，壩基澆注的寬度明顯減少并分為2個部分，這有助于RCC施工的溫度控制。此外，電站空腹在每側均提供有RCC大體積塊散熱的表面。因此，大型RCC壩內布置有電站空腹會有利于實行溫度控制。

如上所述，重力壩中部的混凝土應力小，澆注這種有電站空腹的混凝土，不會明顯影響大壩的應力條件。相反，混凝土的體積將減小。

總的來說，在實際條件許可的情況下，建議將電站布置到超高空腹的RCC重力壩中，與地下式電站相比，前者通常具有以下優(yōu)勢:

(1)更加經濟;

(2)為狹窄的河谷提供了另一種電站布置的可能性;

(3)改善了大體積混凝土的散熱條件，且有利于溫度控制;

(4)對地面景觀和環(huán)境的影響極小。

值得注意的是，就所關心的節(jié)約成本而言，在空腹RCC壩中布置電站并不是就不存在不利的因素。除了先前所說的對RCC澆注施工的干擾以外，壩內的壓力管道和尾水管的安裝也會影響RCC的施工。然而，與較小的RCC壩相比，超高RCC壩所受的影響相當小。通過進行適當的施工管理，這些干擾可以最小化。與地下式電站的建設成本相比，安裝壓力管道的成本和較高的RCC單元價格也就顯得微不足道。

電站空腹邊墻的施工使用模板和灌漿加強的震實RCC或常規(guī)混凝土;上拱可以用預制的混凝土構件建造。另一替代方案是，可以考慮開采和開挖方法來修建電站的空腹空間。也就是說，澆注RCC時，將不凝結的/非粘性材料(如砂和碎石)填置于電站的空腹地帶。只有當電站空腹上方的RCC澆注充分完成后，才可以開挖填料。這種建造電站空腹的方法對RCC澆注的影響最小。

4 應力條件

作為超高RCC壩內電站空腹應力條件的實例，可行性研究中，調查了一座高270 m的RCC重力壩。大壩壩基的最大寬度約為2 260 m。大壩的壩塊在河道中，電站空腹長×寬×高為305 m×37 m×70 m，與發(fā)電機組一起布置在壩體內。變壓器/開關站布置在壩坡的下游，應力分析中可不予考慮。

壩體內布置了這樣的空腹，意味著壩內的應力分布將會受到影響。空腹周圍的混凝土內，有可能會出現(xiàn)應力集中和拉伸應力，局部需要加強或采用更高等級的混凝土。為了識別這些應力區(qū)，對壩塊進行了二維有限元分析。所使用的有限元的計算模型的二維視圖如圖1所示。大壩混凝土塊的最大邊長限制為10 m。空腹頂部區(qū)域的網格則要求更細。

圖1 計算模型使用的有限元網格

在常見的荷載條件下，包括靜荷載、常見的上游和下游靜水壓力、隆起和泥沙荷載，計算的應力如圖2所示。從圖2可以看出，拉伸壓應力發(fā)生在限制區(qū)內電站空腹的上游上角和下游下角，它們一般小于1.0 MPa，在采用普通鋼進行加強處理的范圍內。主壓應力一般為豎直方向，與常規(guī)慣例一致。電站空腹最大的主應力介于4.0～5.0 MPa，仍在允許的混凝土應力范圍內。壓應力集中出現(xiàn)在電站空腹周圍混凝土的邊緣，其強度為9.4 MPa，很好地維持在允許的混凝土抗壓強度之內。在常見荷載條件下，壩踵處沒有產生拉伸應力，且壩踵和壩趾的應力集中是適度的。

圖2常見荷載下的主應力矢量示意

從上述計算結果來看，大壩混凝土的應力條件沒有因為壩體內布置有電站而明顯惡化。而且，由于電站空腹位于壩體的中部，應力也不會因為地震載荷而明顯增加。

劉 明 譯自英刊《水力發(fā)電與壩工建設》

2011年第12期

趙秋云校

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1006-0081(2012)09-0027-04

2012-06-16