可供比選的電站布置設(shè)計(jì)方案

開發(fā)水電工程時(shí)，整體經(jīng)濟(jì)性(包括工程造價(jià)、投資收益和回報(bào)周期)是比較方案的決定性因素。由于每項(xiàng)工程的壩址環(huán)境不同，以及其自身所具有的難點(diǎn)，應(yīng)用工程師始終致力于為工程提供一座更安全、更經(jīng)濟(jì)、更耐用和更持久的大壩。因此，根據(jù)大壩的目的和建筑材料，在大壩工程建設(shè)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(jù)了重要一席。

水電站;水電站布置;水電站設(shè)計(jì);方案選擇

在20世紀(jì)，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(shù)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(jì)80年代空腹混凝土重力壩的建設(shè)數(shù)量就變少了。規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工新大壩時(shí)，大多開始關(guān)注RCC壩，而空腹混凝土重力壩的方案經(jīng)常被擱置一旁。最近，RCC技術(shù)的重大進(jìn)步和對(duì)RCC特性的良好認(rèn)知，才使規(guī)劃、設(shè)計(jì)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(duì)于超高RCC壩，在大壩中修建空腹并將電站布置到該空間，會(huì)大大節(jié)約成本，與RCC施工的沖突有限。出于這個(gè)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(nèi)容，在一定程度上，由可行性研究發(fā)展而來。研究結(jié)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(shí)，顯然，電站布置位置的選擇十分重要。通常會(huì)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(nèi)的地下廠房，水道的長度最短。

(3)位于較遠(yuǎn)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(jīng)濟(jì)因素決定。與工程其他主要特性相關(guān)的電站布置，在工程的總成本中顯得相當(dāng)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(huì)需要的升船設(shè)施。因此，設(shè)計(jì)師經(jīng)常會(huì)采用地下電站設(shè)計(jì)的形式。雖然在這種情況下電站的位置會(huì)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(shè)施，包括電站洞室、開關(guān)站洞室以及相關(guān)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(duì)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(nèi)。中空的空間將建在壩體內(nèi)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(jī)組將水從尾水管直接排放到下游。采用這種設(shè)計(jì)方式，溢洪道的布置也不會(huì)受電站設(shè)計(jì)的影響。

顯然，RCC壩內(nèi)的電站布置會(huì)影響到RCC的施工。因此，這種電站只對(duì)超高RCC壩有意義，因?yàn)榕c巨大的壩基成比例的壩內(nèi)電站空腹就將變得相當(dāng)?shù)奈⒉蛔愕馈?/p>

事實(shí)上，超高壩的設(shè)計(jì)和修建不是一項(xiàng)尋常工作。每座超高壩工程都將是一個(gè)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(huì)吸引設(shè)計(jì)者。

2 空腹混凝土重力壩

空腹混凝土壩是一種用混凝土構(gòu)造的攔河壩結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為中空。空腹壩大多是重力結(jié)構(gòu)，但也有可能是重力拱壩甚至是拱壩。應(yīng)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(jì)早期開發(fā)的常規(guī)混凝土空腹重力壩，最初改善了應(yīng)力條件并節(jié)省了重力壩的大體積混凝土。與實(shí)體重力壩相比，空腹重力壩更多地是依賴于其結(jié)構(gòu)，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(nèi)，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(cè)大壩混凝土的應(yīng)力條件和壩基的應(yīng)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(hù)了環(huán)境。

直到20世紀(jì)80年代，只建成了屈指可數(shù)的幾座空腹混凝土壩，其中有的設(shè)計(jì)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(nèi)空腹高20 m，寬14 m。1979年，鳳灘重力拱壩竣工，壩內(nèi)布置有整體電站，這是在壩體內(nèi)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(jīng)濟(jì)上可行。RCC易于制造、輸送和布置，施工過程經(jīng)濟(jì)且快速，這也直接導(dǎo)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(shù)在大壩工程領(lǐng)域內(nèi)得到了普遍認(rèn)可和接受，現(xiàn)在RCC已在全世界成功地應(yīng)用于大壩建設(shè)。

RCC技術(shù)的最新進(jìn)展和對(duì)RCC特性的更佳認(rèn)知，為大壩工程師提供了經(jīng)濟(jì)地規(guī)劃、設(shè)計(jì)和修建超高RCC壩的機(jī)會(huì)。建造超高RCC壩的新技術(shù)、新材料和施工程序已經(jīng)被廣泛接受。高188 m的米爾(Miel)1級(jí)和高216.5 m的龍灘RCC壩，已經(jīng)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(shù)的適用性和超高RCC壩的可靠性?；谝芽⒐CC壩的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和有效性能數(shù)據(jù)，幾座高度超過200 m的RCC壩目前正在設(shè)計(jì)中，或建議在不久的將來修建。

表1 在壩體內(nèi)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(gè)重要因素是它需要相當(dāng)大的澆注區(qū)域，且沒有任何干擾，這樣可完全利用快速設(shè)備和高效勞動(dòng)力的優(yōu)勢來實(shí)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(dāng)?shù)叵拗茲沧^(qū)域，可以保證RCC的質(zhì)量，如果澆注區(qū)域太大，2個(gè)連續(xù)層之間的時(shí)間間隔可能會(huì)超過RCC混合的最初設(shè)定時(shí)間。RCC高壩的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，恰當(dāng)?shù)臐沧^(qū)域應(yīng)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?qū)?dǎo)致設(shè)備投資巨大，且難以保證RCC的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。因此，超高RCC壩的總施工區(qū)域應(yīng)劃分為幾個(gè)澆注子區(qū)域(或稱之為錯(cuò)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)地澆注和壓實(shí)RCC材料?？崭筊CC壩的壩基區(qū)分為上游側(cè)和下游側(cè)2個(gè)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(diǎn)。壩不是很大時(shí)，2個(gè)部分的澆注區(qū)可能不足以充分利用設(shè)備，這將影響RCC的施工。RCC壩的壩基寬度增大時(shí)，電站空腹與壩基寬度的相對(duì)比例會(huì)減小。如果壩基足夠大，再施以仔細(xì)規(guī)劃并適當(dāng)?shù)丶右怨芾?，則電站空腹對(duì)RCC施工的干擾將維持在最小?；炝魇剿啓C(jī)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(nèi)，每側(cè)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(yīng)在幾個(gè)子澆注區(qū)進(jìn)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(nèi)的主要好處是工程的成本大幅度地降低。比較工程成本時(shí)，對(duì)下述項(xiàng)目的質(zhì)量和成本應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算及比較:

(1)土木工程。包括地下洞室、隧道、調(diào)壓室、水道、引水、泄洪設(shè)施、壩內(nèi)的發(fā)電洞室、壓力管道、尾水管、壩基開挖、開關(guān)站、交通通道、RCC/大壩和電站及加強(qiáng)的常規(guī)混凝土。

(2)水力金屬結(jié)構(gòu)。包括上游引水、水道、調(diào)壓室和尾水管等。

(3)水輪機(jī)和機(jī)械設(shè)備。

(4)發(fā)電機(jī)和電氣設(shè)備。

(5)變電站和相應(yīng)的電氣設(shè)備。

超高RCC壩可行性研究的經(jīng)驗(yàn)表明，并入電站的設(shè)計(jì)方案可使費(fèi)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(huì)使混凝土溫度升高，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此有可能會(huì)引起有害的裂縫。大型RCC壩的溫度控制總是施工時(shí)應(yīng)引起特別關(guān)注的重要事項(xiàng)。原則上，RCC壩應(yīng)是全程長度處理澆注(在一個(gè)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?yàn)閴位軐?，很難控制超高RCC壩的溫度。例如，龍灘大壩澆注RCC時(shí)，一般采用RCC預(yù)冷，炎熱季節(jié)里還需嵌入冷卻管進(jìn)行后冷卻。米爾1級(jí)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(shí)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(gè)部分，這有助于RCC施工的溫度控制。此外，電站空腹在每側(cè)均提供有RCC大體積塊散熱的表面。因此，大型RCC壩內(nèi)布置有電站空腹會(huì)有利于實(shí)行溫度控制。

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

總的來說，在實(shí)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(jīng)濟(jì);

(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(duì)地面景觀和環(huán)境的影響極小。

值得注意的是，就所關(guān)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(duì)RCC澆注施工的干擾以外，壩內(nèi)的壓力管道和尾水管的安裝也會(huì)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(dāng)小。通過進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖┕す芾?，這些干擾可以最小化。與地下式電站的建設(shè)成本相比，安裝壓力管道的成本和較高的RCC單元價(jià)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(qiáng)的震實(shí)RCC或常規(guī)混凝土;上拱可以用預(yù)制的混凝土構(gòu)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(shí)，將不凝結(jié)的/非粘性材料(如砂和碎石)填置于電站的空腹地帶。只有當(dāng)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(duì)RCC澆注的影響最小。

4 應(yīng)力條件

作為超高RCC壩內(nèi)電站空腹應(yīng)力條件的實(shí)例，可行性研究中，調(diào)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(jī)組一起布置在壩體內(nèi)。變壓器/開關(guān)站布置在壩坡的下游，應(yīng)力分析中可不予考慮。

壩體內(nèi)布置了這樣的空腹，意味著壩內(nèi)的應(yīng)力分布將會(huì)受到影響?？崭怪車幕炷羶?nèi)，有可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中和拉伸應(yīng)力，局部需要加強(qiáng)或采用更高等級(jí)的混凝土。為了識(shí)別這些應(yīng)力區(qū)，對(duì)壩塊進(jìn)行了二維有限元分析。所使用的有限元的計(jì)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(wǎng)格則要求更細(xì)。

圖1 計(jì)算模型使用的有限元網(wǎng)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(jì)算的應(yīng)力如圖2所示。從圖2可以看出，拉伸壓應(yīng)力發(fā)生在限制區(qū)內(nèi)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(jìn)行加強(qiáng)處理的范圍內(nèi)。主壓應(yīng)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(yīng)力介于4.0～5.0 MPa，仍在允許的混凝土應(yīng)力范圍內(nèi)。壓應(yīng)力集中出現(xiàn)在電站空腹周圍混凝土的邊緣，其強(qiáng)度為9.4 MPa，很好地維持在允許的混凝土抗壓強(qiáng)度之內(nèi)。在常見荷載條件下，壩踵處沒有產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，且壩踵和壩趾的應(yīng)力集中是適度的。

圖2常見荷載下的主應(yīng)力矢量示意

從上述計(jì)算結(jié)果來看，大壩混凝土的應(yīng)力條件沒有因?yàn)閴误w內(nèi)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(yīng)力也不會(huì)因?yàn)榈卣疠d荷而明顯增加。

劉 明 譯自英刊《水力發(fā)電與壩工建設(shè)》

2011年第12期

趙秋云校

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2012-06-16