厄瓜多爾TP水電站TOACHI大壩工程導流設計優化成果淺析

張昆鵬

厄瓜多爾TP水電站TOACHI大壩工程導流設計優化成果淺析

張昆鵬

根據招標文件及技術規范要求，承包商完全負責TOACHI大壩導流圍堰的設計與施工，且為總價承包項目，我方在認真研究招標文件及現場實地考察，綜合整體招標設計、地質、水文等資料后，認為招標文件中圍堰設計過于保守，在實施過程中有優化及修改方案的基礎及條件，通過與專家討論、經分析計算論證最終對圍堰設計進行優化。

一、工程概述

厄瓜多爾TP水電站工程距離首都Quito約80公里。本工程由兩級電站組成，均為引水式電站，各裝機3臺，裝機分別為49MW、204MW。TOACHI大壩工程屬二級電站工程，為混凝土重力壩，全長157m，最大壩高69m，共布置9個壩段，其中在3#和4#壩段共布置2個導流底孔和2個表孔溢洪道，在5#壩段內布置一臺小型發電機組。大壩混凝土主要分為基礎混凝土、壩體混凝土、結構混凝土和高抗混凝土，設計混凝土澆筑量17.1萬m3。

二、水文氣象條件

本工程位于亞熱帶潮濕地區（海拔1000m~2000m），Toachi-Alluriquin二級電站處年均氣溫22.0℃，平均濕度90%，年均風速43Km/h。工區雨季在12月~5月，受地形影響，年降水量在800mm~2400mm。

三、優化設計對比（僅針對上游圍堰進行優化）

1.投標階段設計

上游圍堰共由上、下游戧堤及中心粘土心墻圍堰組成，上、下游戧堤成對稱方式，堰頂高程933.5m、堰底高程922.85m，堰高10.65m、堰頂寬9.8m，粘土心墻頂部高程945m、堰高24.3m、堰頂寬6m，整體圍堰底寬88.54m，設計開挖總量約7萬m3，填筑總量約11.2萬m3。

2.實施階段設計

上游圍堰結構形式由兩部分組成，第一部分為上游子圍堰，第二部分為上游粘土心墻圍堰。

（1）上游子圍堰由土、石混合料組成，主要承擔引水功能，子圍堰長約39m，圍堰高度約13m，堰頂高程935.85m，堰頂寬度5m，迎水面坡比設計為1∶1.5，背水面坡比設計1∶1.3，最大底寬41m。

（2）上游粘土心墻圍堰全長88m，為滿足汛期水位壅高，設計堰頂高程仍采用原設計的945.0m高程，堰頂寬度6m，最大堰高22.15m，與子圍堰合并后最大底寬79m；粘土心墻坡比為1∶0.2；粘土心墻兩側設堆石堤，迎水面坡比設計為1∶1.5，背水面坡比設計為1∶1.3；堆石堤迎水面外側鋪設塊石護坡，坡比為1∶1.5。

3.工程地質條件

上游圍堰處河床寬度約為15~20m，左岸邊坡陡峭，覆蓋層較薄，植被茂盛，河底可見大量孤石及河卵石；右岸邊坡較為緩和，腐殖土覆蓋層較薄，松散風化巖層較厚。

4.導流工程設計

本工程圍堰使用年限小于3年，堰高小于50米，因此圍堰設計等級為4級。導流洞斷面為城門洞形，尺寸8.1m×8.8m，過流能力為640m3/s，相對應導流標準選用25年洪水重現期。

5.圍堰優化穩定性計算

計算目標：安全系數計算

滑裂面形狀：圓弧滑動

計算方法：瑞典條分法

安全系數：根據圍堰設計等級，需滿足安全系數K≥1.05。

為方便計算，將圓弧在水平長度上均分為10條，每條寬度2.23m。

取γb=γs=21KN/m3，采用圓弧法計算，考慮0.15g地震作用力影響，計算公式如下：

式中：

γb—濕容重，KN/m3；

γs—浮容重，KN/m3；

Ni—各條塊間法向力，KN；

Ti —各條塊間切向力，KN；

Wi —各條塊重量，KN；

αi—通過各條塊底面中點的半徑與重力線之間的夾角，°；

b —條塊寬度，m；

hi—各條塊高度，m；

Qi—水平地震慣性力，KN；

Vi—垂直地震慣性力，Vi=Qi*2/3，向上為負，向下為正，按不利于穩定的方向取值，KN；

Mr—抗滑力矩，KN·m；

Mi—滑動力矩，KN·m；

φi—各塊內摩擦角；

R —滑動面半徑 m；

ci —各條塊滑裂面上的凝聚力，取6KPa；

li —各條塊滑裂面長度，li=b*secαi，m；

K —安全系數；

ah—水平向設計地震加速度代表值，取0.15g；

ζ—地震作用的效應折減系數，取0.25；

GEi—各條塊產生地震慣性力的建筑物總重力作用的標準值，GEi=γibhi，KN；

ai—動態分布系數；

g—重力加速度，取9.81m/s2。

各條塊參數見下圖所示：

經計算K= Mr/Mi =32186.4／29316.2=1.10>1.05，滿足穩定性要求。

四、優化成果

經濟效益：圍堰截流后，充分結合原河床及堰底的自然地質條件，取消了原設計中約5萬方的巖石開挖量，改為對原河床表面的松散材料清除后直接在巖石地基上填筑。通過方案優化，不僅減少了堰底本身的開挖量，在堰頂高度和堰體斷面基本相同情況下，由于底部建基面的抬高，大大減少了圍堰底部的填筑方量。方案優化后，縮短圍堰施工工期近40天，節約總成本160.5萬美元。

五、結語

在方案優化初期，項目業主及監理對我方優化設計及方案的通過評審存在一定的異議，在溝通及討論過程中，項目部通過同等案例對比，數據說明等針對圍堰的穩定性、可實施性、工期等多方面進行論證，最終得到業主及監理的認可并批準實施。整個工程項目嚴格按照質量標準環環控制，為厄瓜多爾政府上交了優質工程。2014年4月20日，TOACHI大壩上游圍堰外水位直逼圍堰頂高程，達到了TOACHI河十年洪水位，而圍堰固若金湯，工程質量堪稱上乘，得到了業主監理的認可和好評。

（作者單位：中國水利水電第六工程局有限公司）