宜興抽水蓄能電站上水庫主壩下游堆石區設計優化

肖貢元

(上?？睖y設計研究院,上海 200434)

1 工程概述

宜興抽水蓄能電站位于江蘇省宜興市西南郊的銅官山區,距宜興市區約7km,是一座日調節純抽水蓄能電站。電站總裝機容量為1000MW,安裝4臺單機容量250MW的可逆式抽水蓄能機組,額定發電水頭為363.0m。電站工程于2003年8月開工,4臺機組于2008年年底前全部投入商業運行。

電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房、開關站等組成。上水庫位于銅官山主峰東北側,總庫容530.7萬m3,正常蓄水位471.50m,死水位428.60m。上水庫采用全庫盆鋼筋混凝土面板防滲。

上水庫主壩位置是“W”形的兩溝一梁地形,溝和梁均以甚陡的縱坡傾向下游,主壩建基面是陡傾向下游的斜面。壩基巖石主要是砂巖夾粉砂質泥巖,層面產狀向下游緩傾。此外還有多條花崗斑巖脈侵入,風化很深。地形、地質條件對大壩和庫岸穩定極為不利。受地形、地質條件的制約,上水庫建設具有相當的難度。經多方案比較后,上水庫主壩采用鋼筋混凝土面板堆石混合壩方案。筑壩堆石料來自庫盆開挖的砂巖夾泥巖料。

鋼筋混凝土面板堆石混合壩壩頂高程474.20m,壩頂長 494.90 m,趾板以上最大壩高47.2m,壩軸線處最大壩高75.2m。上游由鋼筋混凝土面板擋水,上游面壩坡度為1∶1.3,下游面上壩道路之間壩坡度為1∶1.26(綜合壩坡為1∶1.42)。在壩軸線下游135.5m處設置混凝土重力擋墻,墻頂高程381.90m,墻頂長347.80m,擋墻上游面坡度為1∶0.1,下游面坡度為 1∶0.2,最大墻高 45.9 m(圖1)。

圖1 上水庫主壩典型剖面及筑壩材料分區(尺寸單位:mm,高程單位:m)

雖然鋼筋混凝土面板堆石混合壩經論證是可行的,但由于其特殊的壩型、復雜的地形以及較差的地質條件帶來了常規水電站大壩和其他抽水蓄能電站未曾遇到過的一系列技術問題。在工程建設過程中,對上水庫主壩與庫盆防滲的關鍵技術問題進行了全面系統的研究,研究成果已在該工程成功應用。本文論述的對下游堆石區的設計優化研究就是其中之一。

2 問題的由來

常規混凝土面板堆石壩壩體分區設計,一般將下游壩體大部分區域設置為次堆石區。一般認為,由于該區承受的水荷載很小,其壓縮性對面板變形的影響較小,因此對其筑壩材料的性能和碾壓標準的要求相對較低。根據DL/T 5016—1999《混凝土面板堆石壩設計規范》的規定,墊層料、過渡層料、主堆石區料和下游堆石區料的設計孔隙率分別為15%～20%,18%～22%,20%～25%和23%～28%。在施工程序上,一般情況要求上、下游平起;但考慮施工度汛和初期發電需要上游面擋水,不少工程下游堆石區的填筑都滯后于上游壩體。在一些工程中發現,由于下游堆石區的變形模量低于上游,以及其填筑滯后于上游,會造成上、下游的不均勻沉降。下游堆石體滯后發生的沉降將牽動先期填筑的上游堆石體向下游變形,造成上游墊層開裂和與先期澆筑的混凝土面板脫開。出現這種現象的典型例子是天生橋一級電站混凝土面板堆石壩。不少專家學者對天生橋一級電站混凝土面板堆石壩的問題進行了研究,認為:上、下游堆石體沉降差會造成上游面過大的水平位移,因此造成上游面拉伸、下游面壓縮的懸臂梁現象;其沉降差不僅由上、下游堆石的壓縮模量差造成,并且還可以由上、下游堆石的填筑高差造成;堆石體的徐變會引起面板水平拉伸裂縫,減小徐變影響只能由設置堆石預沉時間解決[1]。

宜興抽水蓄能電站上水庫主壩的下游堆石體建于傾斜建基面上,壩體堆石填筑斷面有些類似于天生橋一級電站混凝土面板堆石壩的后期填筑斷面,而壩基巖體相當于其前期填筑斷面。參考天生橋一級電站混凝土面板堆石壩的經驗教訓,如果主壩下游堆石區按照常規設計,則下游堆石體的后期沉降可能導致上游防滲面板開裂。因此有必要對下游堆石區的設計參數和施工程序進行優化。

3 下游堆石區的優化思路與過程

根據上水庫主壩的特殊體型并參照有關工程的經驗,控制壩體變形的關鍵部位是下游堆石區。對下游堆石區進行優化的主要思路和技術路線是:①充分研究筑壩材料的特性,做到心中有數;②調整下游堆石區的設計和施工參數,選用較好的筑壩材料,盡量提高堆石體的變形模量;③調整施工程序,盡量減少上下游壩體沉降差。

上水庫主壩下游堆石區的優化突破了現行設計規范的規定,所做的優化是逐步加深的。2002年3月審查通過的可行性研究補充階段堆石混合壩設計專題報告中,壩體分區基本上按規范的規定分區,即從上游至下游為墊層、過渡層、主堆石區、次堆石區。要求主堆石區孔隙率 n≤22%、次堆石區 n≤24%,都在規范規定的范圍內。與規范不同的是在次堆石區與基礎面之間設置了1層厚4m的基礎過渡區,采用過渡層級配。這是考慮到主壩下游壩體坐落在傾斜建基面上,為保證壩料與基礎面接觸良好、增大接觸面的抗剪能力而采取的措施。

2002年下半年招標設計時,在招標文件中將原來的次堆石區調整為主堆石Ⅱ區,原主堆石區稱為主堆石Ⅰ區。此外,為加強下游壩體的排水,沿上下游方向順溝谷緊貼壩基布置3條縱向排水帶,排水層位置及厚度同過渡區,每條排水帶寬度為10m。

筑壩材料來自上水庫庫盆開挖料,其巖性主要是泥盆系五通組石英巖狀砂巖夾粉砂質泥巖和茅山組巖屑石英砂巖夾粉砂質泥巖,呈弱風化。弱風化五通組石英巖狀砂巖干抗壓強度為187MPa,飽和抗壓強度為83MPa,軟化系數為0.44。弱風化茅山組巖屑石英砂巖干抗壓強度為142MPa,飽和抗壓強度為54MPa,軟化系數為0.38。雖然軟化系數低,但飽和抗壓強度并不低,仍屬硬巖。弱風化粉砂質泥巖干抗壓強度為63MPa,飽和抗壓強度為22MPa,軟化系數為0.35,屬于軟巖,但經試驗不具浸水崩解性。由于薄層夾層無法完全剝離,主壩壩體堆石料即為上述2類砂巖夾泥巖料,其中泥巖在上壩料中質量比控制在10%～15%范圍。在施工圖設計階段,進一步深化對上水庫庫盆砂巖夾泥巖料的試驗研究。進行了模擬主壩堆石填筑施工過程的筑壩材料現場新型直剪試驗[2]以及堆石料的濕陷試驗[3]等特殊試驗,證明庫盆開挖料完全可以滿足主堆石料的要求?，F場碾壓試驗也證實在采取合適的施工工藝后孔隙率小于20%。這些成果為優化下游堆石區提供了科學依據。

在此基礎上,2004年根據世界銀行特別咨詢團專家的建議,對下游堆石區做了進一步優化。將主堆石Ⅱ區(包括一小部分主堆石Ⅰ區)以高程426.50m為分界線又分成2個不同的區域。分界線以下的主堆石區進一步提高設計指標和施工參數,稱為“增模區”(即增加變形模量區),要求主要采用物理力學性能相對更好的五通組石英巖狀砂巖夾泥巖料填筑,并通過減少鋪層厚度、增加碾壓遍數、充分灑水濕化來達到較高的密實度和較小的孔隙率,從而有更高的變形模量。這樣,主堆石Ⅰ區和Ⅱ區按設計指標要求實際上變成以高程426.50m為分界線的2個分區:該高程以上為“主堆石區”,以下為“主堆石增模區”。調整后的壩體各區設計施工指標見表1。

為了減少上、下游堆石的沉降差,在堆石填筑施工程序上,第1階段先填筑高程426.50m以下即“增模區”的堆石體。位于高程426.50m以上部位的堆石填筑分為2個階段,按照下游超前于上游的原則,第2階段先填筑下游部分(起坡點不超過壩軸線上游15.0m),在高程426.50m以下部位即第1階段填筑完成后即可施工。其余部分為第3階段,必須等待高程426.50m填筑面的沉降率達標后(沉降率小于1～3mm/月)方可填筑,即為“增模區”留有預沉降的時間。

主壩壩體堆石填筑從2004年12月15日開始,分3個階段逐次進行各部位壩體填筑:2005年10月25日完成第1階段的填筑,2006年4月9日完成第2階段的填筑;第2階段填筑完成后,高程426.50m界面的實測沉降率為2.2mm/月,開始進行第3階段即其余部分的填筑,于2006年9月8日完成。3個月后,壩體月沉降量已小于1mm。主壩混凝土面板于2006年12月20日開始澆筑,2007年5月初全部完成。

表1 上水庫主壩壩體分區及設計施工指標

4 下游堆石區優化效果

下游堆石區優化為主堆石Ⅱ區和“增模區”后,施工單位中國葛洲壩集團宜興施工局嚴格按設計要求施工,從表2可見堆石的碾壓效果很好,其中主堆石Ⅱ“增模區”的平均孔隙率僅為16.2%,非常密實。

表2 上水庫主壩主堆石區填筑料施工檢測結果(均值)

宜興抽水蓄能電站上水庫于2007年7月正式蓄水。2008年8月以后,上水庫水位已多次達到正常蓄水位471.50m,這是抽水蓄能電站的運行方式所決定的。在上水庫蓄水安鑒階段,業主單位華東宜興抽水蓄能有限公司委托南京水利科學研究院(以下簡稱南科院)和中國水利水電科學研究院-河海大學水工結構工程研究所聯合體(以下稱聯合體)分別進行了上水庫主壩反演分析和正分析研究。根據壩體監測、檢測的實測數據,反演了壩體計算參數,并利用這些參數進行了正分析。表3為下游堆石區優化前后鄧肯E-B模型參數對照。優化前的參數是可行性研究階段室內試驗結果,優化后(1)和優化后(2)分別是南科院和聯合體的反演分析結果?？梢钥闯?盡管兩者的成果有差別,但均反映出優化后下游堆石區尤其是“增模區”的變形模量有明顯的提高。此外,“增模區”堆石體內摩擦角增大,還減少了作用在下游擋墻上的土壓力,有利于擋墻的穩定。

優化效果最終要反映在壩體變形上。表4分別列出了優化前后壩體內部變形、面板撓度以及周邊縫變形的計算值和實測值。表中優化前計算值是可行性研究復核階段上?？睖y設計研究院的計算結果,優化后計算值(1)和優化后計算值(2)分別是南科院和聯合體依據反演分析所得參數進行正分析的成果。實測變形資料來自國家電力監管委員會大壩安全監察中心《江蘇宜興抽水蓄能電站上水庫水工建筑物安全監測資料分析報告》。

從表4數據可知,與常規混凝土面板堆石壩相比,宜興抽水蓄能電站上水庫主壩的變形較小。經檢查主壩上游鋼筋混凝土面板僅發現數條裂縫,縫寬小于0.1mm。當然,面板裂縫少是多項措施的綜合結果[4],但下游堆石區優化功不可沒。下游堆石區的優化對于減少壩體不均勻沉降、防止或減少上游面板開裂,以及減少堆石體對下游重力擋墻的土壓力起到了重要作用。

5 結 語

下游堆石區的優化是宜興抽水蓄能電站上水庫主壩設計的一項重要創新。主壩全部采用工程開挖料作為大壩填筑料。在充分研究筑壩材料特性的基礎上,改變以往混凝土面板堆石壩主堆石區與次堆石區的分區原則,針對堆石混合壩的體型特點,下游堆石區按主堆石區的要求設計,并在426.50m高程以下設置“增模區”,進一步提高其設計壓實度要求。在施工程序上,下游堆石區填筑超前于上游,并設定預沉降期,待“增模區”沉降基本穩定后再填筑高程426.50m以上的堆石區。宜興抽水蓄能電站上水庫主壩運行2年多來的安全監測結果表明壩體變形微小,應力變形性狀良好,大壩穩定安全,取得了顯著的經濟效益,也促進了工程技術進步。2009年5月專家組對“宜興抽水蓄能電站上水庫建設關鍵技術研究”項目研究成果的鑒定意見認為下游堆石區的優化是該項目研究成果的主要創新點之一,對此給予了充分肯定。本工程下游堆石區優化的經驗在類似工程中具有推廣應用價值。

表3 壩體堆石區鄧肯E-B模型參數對照

表4 壩體內部變形、面板撓度及周邊縫變形的計算與實測最大值

[1]曹克明,汪易森,徐建軍,等.混凝土面板堆石壩[M].北京:中國水利水電出版社,2008:129-134.

[2]劉斯宏,肖貢元,楊建州,等.宜興抽水蓄能電站上庫堆石料的新型現場直剪試驗[J].巖土工程學報,2004,26(6):772-776.

[3]肖貢元.宜興抽水蓄能電站上庫主壩堆石料的特殊研究[J].水利水電科技進展,2005,25(6):49-51.

[4]國家電力監管委員會大壩安全監察中心.江蘇宜興抽水蓄能電站上水庫水工建筑物安全監測資料分析報告[R].杭州:國家電力監管委員會大壩安全監察中心,2009.

[5]肖貢元,傅方明.江蘇宜興抽水蓄能電站上庫主壩設計特點[J].水力發電,2009,35(2):49-53.