玻利維亞伊卡拉水電站工程主要建筑物優化設計

包第嘯，曹 陽

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

伊卡拉（ICLA）水電站工程位于玻利維亞首都蘇克雷（Sucre）東南方向50 km，皮科馬約河（Pilco?mayo）右岸索托馬約爾村（Sotomayor）下游4 km 處。皮科馬約河在流經壩址處的右岸山脊時，流向由東轉南，形成了一個天然90°彎段。彎段上游為廣闊的沖擊平原，彎段處為狹窄的峽谷，河道高程2 060 m，河道兩岸海拔均超過2 300 m，非常有利于大壩布置。河流流向的突變為溢洪道、導流洞和引水隧洞布置提供了理想的地形條件。

1 原方案總體布置

伊卡拉水電站以發電為主，同時兼顧下游農田灌溉。工程主要由擋水壩、溢洪道、泄洪洞、引水隧洞、地面廠房及附屬建筑物、尾水渠等組成。

大壩位于皮科馬約河河彎段上游700 m，為心墻堆石壩。心墻下方采用混凝土防滲墻，最深處穿越大約80 m的河床沖積物。壩頂高程2 167 m，最大壩高110 m，黏土心墻頂高程為2 164 m。水庫的最高運行水位2 161 m，超高為6 m；在風速200 km/h時，波浪爬高為2.9 m。溢洪道位于大壩上游右岸埡口位置，采用閘門控制。在最高運行水位時下泄流量為3 780 m3/s；在10 000 a一遇洪水時，水庫水位為2 164.2 m，可下泄4 550 m3/s。引水隧洞和泄洪洞相結合，泄洪放空洞滿足15 d內，水庫水位降至2 123 m 要求。隧洞斷面為圓形，內徑10.6 m，鋼筋混凝土襯砌。引水隧洞為泄洪洞的支洞，進口位于泄洪洞下游側，和廠房壓力鋼管相接。廠房為地面廠房，裝機容量102 MW，為3 臺混流式機組，單機容量34 MW。下游設有尾水渠，位于右岸覆蓋層中，尾水水位2 044 m。開關站位于廠房頂部，采用單回路220 kV輸電線。

2 優化設計

2.1 擋水建筑物

2.1.1 壩型選擇

前期地質勘探成果表明，本工程采用的當地材料壩是比較經濟的壩型。由于壩基為深厚的覆蓋層，基礎變形較大，推薦壩型為黏土心墻土石壩。該壩型受力簡單，適應基礎變形能力強。壩基防滲采用混凝土防滲墻。建筑材料的調查延伸到壩址上游約10 km 的索托馬約爾村，此處分布有大量的砂和礫石。工程區內壩殼的建筑材料儲量豐富，質量較好，基本滿足壩體心墻材料的要求。開采的巖石可以作為填筑料，經過軋制處理后，還可以作為壩體排水材料和混凝土骨料。

2.1.2 壩頂高程

原方案中攔河壩的壩頂高程為2 167 m，水庫10 000 a 一遇洪水位為2 164.2 m，最高運行水位為2 161 m，黏土心墻頂高程為2 164 m。壩頂未設防浪墻。由于波浪爬高為2.9 m，按照規范復核，設計工況壩頂安全超高為1.5 m，校核洪水時安全超高為0.7 m，將壩頂高程提高至2 167.8 m，并設置高1.2 m的防浪墻。防滲體（黏土心墻）的頂高程應高于校核洪水位，但原方案心墻頂高程偏低，抬高至2 165 m。

2.2.3 基礎防滲設計

攔河壩基礎坐落在深厚覆蓋層上，壩基防滲標準采用3 Lu。壩基砂卵礫石的滲透系數變化很大，包括深度方向和壩體延展方向，須對基礎采取切實有效的防滲措施。1982 年版招標文件推薦垂直防滲方案，選用混凝土防滲墻。大壩的防滲心墻與其下部的垂直混凝土防滲墻聯接，形成整個防滲屏障。兩岸壩肩巖石出露，采用帷幕灌漿進行防滲處理。根據兩岸壩肩基礎滲透性和地下水情況確定帷幕的排數、深度和范圍。

2.2 泄水建筑物

本工程采用溢洪道和泄洪洞聯合泄流。根據壩址地形地質條件，溢洪道布置在右岸埡口。溢洪道分3孔，每孔寬14 m，設弧形閘門，閘門尺寸為14 m×11.5 m（寬×高）。中間閘墩厚3 m，邊墩厚2.3 m，墩頂高程2 169 m。溢洪道堰頂高程2 151 m，為WES堰面，下游接反弧段，反弧段接坡比為6%的泄槽段，泄槽寬48 m。10 000 a一遇入庫洪峰流量10 600 m3/s，經水庫調蓄后，出庫流量6 570 m3/s，其中低水位泄洪洞下泄2 250 m3/s，溢洪道需承擔4 320 m3/s，上游水庫最高水位為2 164.2 m。經驗算，在流量系數為0.52、收縮系數為0.95 時，溢洪道泄流能力為4 407 m3/s，滿足泄流要求。

2.3 發電引水建筑物

原方案采用引水隧洞與泄洪洞結合，在泄洪洞下游控制閘前設一條短支洞，隧洞出口接壓力鋼管。壓力鋼管直徑5.0 m，由上水平段、斜坡段和下水平段組成。優化方案中，引水隧洞與泄洪洞平行，由水平段、斜井段和高壓水平段組成。電站進水口布置在大壩右岸上游約250 m 處，為豎井式，采用一管三機的引水方式。引水壓力管道長290.54 m（含5 m長漸變段），內徑5.5 m。漸變段后接下彎段，長13.51 m，鋼襯內徑4.5 m。下彎段末端接近廠房處為岔管段，長44 m，分成3個支管，支管內徑2.6 m。

優化方案中，電站進水口的位置盡量靠近泄洪洞。高壓管道加長了鋼襯段長度；在混凝土襯砌段和鋼襯段相接處增設深層帷幕灌漿，鋼襯段增設止水環。

2.4 廠房

主廠房位于河流90°彎道以下，在主壩軸線下游約1 000 m 處，為地面廠房，裝機容量為102 MW，安裝3臺立軸混流式水輪機，單機容量34 MW，年均發電量404.5 GW·h，最大凈水頭為117 m，最小凈水頭86 m，平均凈水頭111 m，設計流量120 m3/s。

2.5 尾水系統

尾水系統包括尾水支洞、尾水閘門室、尾水洞、尾水埋涵及尾水渠等建筑物。為增加有效發電水頭，在河流左岸沖積層開挖尾水渠，尾水渠從主廠房延伸到下游約3 km 處。尾水洞與尾水渠間，穿越河床部位采用埋涵型式連接，埋涵采用雙孔結構。

3 優化方案評估

（1）在進行了地質、水文補勘的基礎上，進一步優化了工程總體布置，確定工程總布置方案和主要特征指標。

（2）在補充地質勘查的基礎上，進一步分析了大壩的滲透穩定以及壩體的應力應變，優化了大壩的斷面。

（3）大壩坐落在深厚覆蓋層上，覆蓋層厚度大于80 m，優化方案中改進了防滲墻的結構型式，使施工更便捷，投資更經濟。

（4）復核了原方案溢洪道孔口尺寸，優化溢流堰堰面曲線，并通過水工模型試驗進一步驗證了溢洪道泄流能力和消能措施。

（5）優化了泄洪洞和引水隧洞布置，節省了金屬結構工程量，方便運行管理。