向家坝水电站工程技术特点和难点.pdf

22China Three Gorges中国三峡China Three Gorges中国三峡23China Three Gorges中国三峡特别策划FOCUS向家坝水电站工程技术特点和难点文/潘江洋 编辑/田宗伟向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最末 1 个梯级，坝址位于四川省宜宾县和云南省水富县交界处。电站上距溪渡工程 156.6km，下距宜宾市33km，离水富县城 1.5km。电站上距溪渡工程 156km，下距宜宾市 33km，离水富县城 1.5 km。工程的开发任务以发电为主，同时改善航运条件，兼顾防洪、灌溉，并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等作用。电站主要供电华中、华东地区，兼顾川滇两省用电需要。向 家 坝 水 电 站 控 制 流 域 面 积45.88 万 km2，占金沙江流域面积的97%。正常蓄水位 380m，死水位 370m，水库总库容 51.63 亿 m3，调节库容 9.03亿 m3，为不完全季调节水库。电站装机容量 6400MW，保证出力 2009MW，多年平均发电量 307.47 亿 kWh，灌溉面积 375.48 万亩。工程枢纽主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、冲排沙建筑物、左岸坝后引水发电系统、右岸地下引水发电系统、通航建筑物及灌溉取水口等组成。其中拦河大坝为混凝土重力坝，电站厂房分列两岸布置，泄洪建筑物位于河床中部略靠右侧，一级垂直升船机位于左岸坝后厂房左侧，左岸灌溉取水口位于左岸岸坡坝段，右岸灌溉取水口位于右岸地下厂房进水口右侧，冲沙孔和排沙洞分别设在升船机坝段的左侧及右岸地下厂房的进水口下部。拦河大坝最大坝高 162m，坝顶长度 896.26m；两岸厂房各安装 4 台 800MW 机组，右岸地下厂房尺寸为 255.0m31.0m85.5m(长 宽 高)，坝后厂房主厂房尺寸为226.94m39.5m79.15m(长 宽 高)；一级垂直升船机最大提升高度114.2m，设计年货运量 112 万 t。向家坝工程采用第一期先围左岸、第二期围右岸的分期导流方式，其导流程序为：第一期先围左岸，在左岸滩地上修筑一期土石围堰，在一期基坑中进行左岸非溢流坝段、冲沙孔坝段的施工，并在非溢流坝及冲沙孔坝段内共留设 6 个 10m14m(宽 高)的导流底孔及宽 115m 的缺口，同时在一期基坑中进行二期混凝土纵向围堰、上下游引泄水渠等项目的施工，由束窄后的右侧主河床泄流及通航。第二期围右岸，待导流底孔和缺口具备泄水条件后，拆除一期土石围堰的上、下游横向部分，进行右侧主河床截流，在二期基坑中进行右岸非溢流坝、泄水坝段、消力池、左岸坝后厂房及升船机等建筑物的施工，由左岸非溢流坝段和冲沙孔坝段内留设的 6 个导流底孔及高程 280m、宽 115m 的缺口泄流。泄水坝段、右岸非溢流坝段及左岸坝后厂房等自身具备挡水度汛条件后，于 2011 年 11 月开始加高左岸非溢流坝段缺口，由 6 个导流底孔和 10 个永久中孔泄流。2012 年 10月下闸封堵导流底孔，水库蓄水。向家坝工程于 2004 年 7 月开始筹 建，2006 年 11 月 26 日 正 式 开 工，2008 年 12 月 28 日顺利实现截流。工程计划 2012 年 10 月下闸蓄水，2012年 10 月右岸地下厂房第 1 批机组投产发电，首台机组发电工期为6年10个月。左岸坝后厂房第 1 批机组于 2014 年 3月底投产发电，发电工期为 8 年 3 个月，2015 年 6 月底工程竣工。总工期 9 年 6个月。向家坝工程的技术特点和难点主要有下列几个方面：向家坝水电站工程全景 摄影/高峰向家坝水电站工程截流现场 摄影/高峰22China Three Gorges中国三峡China Three Gorges中国三峡23China Three Gorges中国三峡特别策划FOCUS向家坝水电站工程技术特点和难点文/潘江洋 编辑/田宗伟向家坝水电站是金沙江下游河段规划的最末 1 个梯级，坝址位于四川省宜宾县和云南省水富县交界处。电站上距溪渡工程 156.6km，下距宜宾市33km，离水富县城 1.5km。电站上距溪渡工程 156km，下距宜宾市 33km，离水富县城 1.5 km。工程的开发任务以发电为主，同时改善航运条件，兼顾防洪、灌溉，并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等作用。电站主要供电华中、华东地区，兼顾川、滇两省用电需要。向 家 坝 水 电 站 控 制 流 域 面 积45.88 万 km2，占金沙江流域面积的97%。正常蓄水位 380m，死水位 370m，水库总库容 51.63 亿 m3，调节库容 9.03亿 m3，为不完全季调节水库。电站装机容量 6400MW，保证出力 2009MW，多年平均发电量 307.47 亿 kWh，灌溉面积 375.48 万亩。工程枢纽主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、冲排沙建筑物、左岸坝后引水发电系统、右岸地下引水发电系统、通航建筑物及灌溉取水口等组成。其中拦河大坝为混凝土重力坝，电站厂房分列两岸布置，泄洪建筑物位于河床中部略靠右侧，一级垂直升船机位于左岸坝后厂房左侧，左岸灌溉取水口位于左岸岸坡坝段，右岸灌溉取水口位于右岸地下厂房进水口右侧，冲沙孔和排沙洞分别设在升船机坝段的左侧及右岸地下厂房的进水口下部。拦河大坝最大坝高 162m，坝顶长度 896.26m；两岸厂房各安装 4 台 800MW 机组，右岸地下厂房尺寸为 255.0m31.0m85.5m(长 宽 高)，坝后厂房主厂房尺寸为226.94m39.5m79.15m(长 宽 高)；一级垂直升船机最大提升高度114.2m，设计年货运量 112 万 t。向家坝工程采用第一期先围左岸、第二期围右岸的分期导流方式，其导流程序为：第一期先围左岸，在左岸滩地上修筑一期土石围堰，在一期基坑中进行左岸非溢流坝段、冲沙孔坝段的施工，并在非溢流坝及冲沙孔坝段内共留设 6 个 10m14m(宽 高)的导流底孔及宽 115m 的缺口，同时在一期基坑中进行二期混凝土纵向围堰、上下游引泄水渠等项目的施工，由束窄后的右侧主河床泄流及通航。第二期围右岸，待导流底孔和缺口具备泄水条件后，拆除一期土石围堰的上、下游横向部分，进行右侧主河床截流，在二期基坑中进行右岸非溢流坝、泄水坝段、消力池、左岸坝后厂房及升船机等建筑物的施工，由左岸非溢流坝段和冲沙孔坝段内留设的 6 个导流底孔及高程 280m、宽 115m 的缺口泄流。泄水坝段、右岸非溢流坝段及左岸坝后厂房等自身具备挡水度汛条件后，于 2011 年 11 月开始加高左岸非溢流坝段缺口，由 6 个导流底孔和 10 个永久中孔泄流。2012 年 10月下闸封堵导流底孔，水库蓄水。向家坝工程于 2004 年 7 月开始筹 建，2006 年 11 月 26 日 正 式 开 工，2008 年 12 月 28 日顺利实现截流。工程计划 2012 年 10 月下闸蓄水，2012年 10 月右岸地下厂房第 1 批机组投产发电，首台机组发电工期为6年10个月。左岸坝后厂房第 1 批机组于 2014 年 3月底投产发电，发电工期为 8 年 3 个月，2015 年 6 月底工程竣工。总工期 9 年 6个月。向家坝工程的技术特点和难点主要有下列几个方面：向家坝水电站工程全景 摄影/高峰向家坝水电站工程截流现场 摄影/高峰24China Three Gorges中国三峡China Three Gorges中国三峡25China Three Gorges中国三峡特别策划FOCUS大坝深浅层抗滑稳定向家坝水电站坝址区基岩主要为三迭系上统须家河组河湖沼泽相砂岩，坝基存在构造成因和原生沉积形成的软弱夹层，局部岩体完整性相对较差，岩层倾向下游，大坝深浅层抗滑稳定为工程关键技术问题之一。中国水电顾问集团中南勘测设计研究院自1999 年开始，历时 10 年，在调查分析类似已建工程的基础上，采用多种方法，联合国内多家知名科研院所对该课题进行了深入全面的分析和研究，并针对不同部位的特点提出了综合处理方案。该专题通过历次咨询、审查，已确定设计方案，通过采取工程处理措施，确保大坝稳定安全。高水头、大单宽流量泄洪消能向家坝水电站最大泄洪流量为 48660m3/s，最大下泄总功率约 40000MW，消力池内最大单宽流量为 225m3/m，消力池入池流速达 42m/s。泄洪建筑物布置在河床中部，其前沿宽度仅 248m，设计为 12 个表孔、10 个中孔、表中孔相间布置型式。泄洪建筑物具有高水头、大流量、大单宽、高含沙的特点。另外，由于下游紧邻城市，需解决下游雾化问题。多年来中南设计院与国内知名科研院所合作，开展了大量科研试验工作，并借鉴已建工程的成功经验，通过深入研究，采用带跌坎的底流消能方式，消能效果和各项指标满足工程安全和环境保护要求。世界跨度最大的地下厂房右岸地下厂房安装 4 台单机容量 800MW 的水轮发电机组，厂房开挖宽度 33.4m，高度85.5m，机组单机容量和厂房跨度均为世界之最。经过多年地质勘探查明，地下洞室群所处围岩属类，地应力处于中低量级，地质环境良好。目前主厂房已开挖至第层，地下洞室群各主要洞室围岩变形量值均在设计控制范围之内。采用变顶高尾水隧洞替代尾水调压室根据右岸地下引水发电系统布置，按传统设计尾水系统应设置调压室，但由于含煤地层T33 的影响，设置尾水调压室工程投资和风险较大，根据右岸地下厂房运行特点，经研究决定采用变顶高尾水洞代替尾水调压室。中南设计院与科研院所、高校合作，对机组在各种过渡过程中的水力参数和机组运行特性进行物理模型试验和数值分析，其成果经多次专家咨询和评审，研究证明变顶高尾水隧洞布置方式在各种过渡过程工况下，控制参数均满足设计规范或规程要求，可以替代尾水调压井(室)。变顶高尾水隧洞方案在水力过渡过程中相对收敛较快，调节品质比调压井(室)好，且可避免调压室开挖对厂房区围岩的损伤，减少地下开挖工程量，减少水头损失。一级垂直升船机向家坝水电站地处金沙江常年通航河段，通航建筑物设计为一级垂直升船机，其提升高度达 114.2m，设计标准船队为 2500t 一顶二驳船队，年货运量 112 万 t。经多年的调研、科学论证，并借鉴国内外成功经验，决定采用全平衡齿轮爬升螺母柱保安式升船机，其规模和技术条件复杂程度均属世界最高水平。世界规模最大的沉井群向家坝水电站采用第一期先围左岸、第二期围右岸的分期导流方式。由于河床覆盖层深厚，设计在一期大坝右侧上游布置 10 个尺寸为 23m17m 的沉井，沉井群在二期纵向围堰大坝上游段堰基开挖期间作为挡墙保证一期围堰的稳定，后期作为二期纵向围堰堰体的一部分，承担二期导流期间的挡水任务。沉井最大下沉深度达57m，所处部位覆盖层组成复杂，分为砂卵砾石层、粉细砂层、含崩（块）石的砂卵砾石层，沉井群距一期围堰堰脚最小距离仅 12.1m，下沉过程需严格控制对周围土体的拉裂影响。沉井间间距仅 2.0m，沉井下沉过程中需严格控制其偏斜度。沉井下沉次序、分节高度、出渣设备选型与布置、排水方案、各地层下沉控制措施及各种异常情况的处理方案等均为本工程沉井施工技术的难点。在参建各方的共同努力下，沉井施工已取得圆满成功。国内规模最大的人工砂石系统和长距离带式输送机向家坝水电站主体工程混凝土总量 1221 万 m3，共需混凝土骨料 3200万 t，骨料料源由太平灰岩料场提供。砂石加工系统生产规模为：处理能力3000t/h，生产能力 2400t/h，规模为国内之最。砂石系统采用分散布置方式，半成品加工区布置在太平料场附近，成品加工区布置在坝区马延坡，半成品与成品加工区之间直线距离约 30km，经多种运输方案综合比较后，决定采用长距离带式输送机输送线输送半成品骨料方案。输送线可长期连续输送骨料，具有输送能力大、运行可靠性高、环境影响小、投资省等特点。向家坝带式输送机具有长距离（5条输送机总长 31.3km，最大单机长8.3km）、变倾角（其中 1 条输送机两端高中间低）、高带速（带速 4m/s）、大运量（3000t/h）、主要布置在隧洞内（皮带洞总长 29.3km）等技术特点，该输送线总输送量达到 3200 万 t，为国内最长的带式输送机。2008年12月28日上午，金沙江向家坝水电站工程通过截流验收 摄影王连生向家坝上游防渗墙工程施工场景 摄影/陈业青24China Three Gorges中国三峡China Three Gorges中国三峡25China Three Gorges中国三峡特别策划FOCUS大坝深浅层抗滑稳定向家坝水电站坝址区基岩主要为三迭系上统须家河组河湖沼泽相砂岩，坝基存在构造成因和原生沉积形成的软弱夹层，局部岩体完整性相对较差，岩层倾向下游，大坝深浅层抗滑稳定为工程关键技术问题之一。中国水电顾问集团中南勘测设计研究院自1999 年开始，历时 10 年，在调查分析类似已建工程的基础上，采用多种方法，联合国内多家知名科研院所对该课题进行了深入全面的分析和研究，并针对不同部位的特点提出了综合处理方案。该专题通过历次咨询、审查，已确定设计方案，通过采取工程处理措施，确保大坝稳定安全。高水头、大单宽流量泄洪消能向家坝水电站最大泄洪流量为 48660m3/s，最大下泄总功率约 40000MW，消力池内最大单宽流量为 225m3/m，消力池入池流速达 42m/s。泄洪建筑物布置在河床中部，其前沿宽度仅 248m，设计为 12 个表孔、10 个中孔、表中孔相间布置型式。泄洪建筑物具有高水头、大流量、大单宽、高含沙的特点。另外，由于下游紧邻城市，需解决下游雾化问题。多年来中南设计院与国内知名科研院所合作，开展了大量科研试验工作，并借鉴已建工程的成功经验，通过深入研究，采用带跌坎的底流消能方式，消能效果和各项指标满足工程安全和环境保护要求。世界跨度最大的地下厂房右岸地下厂房安装 4 台单机容量 800MW 的水轮发电机组，厂房开挖宽度 33.4m，高度85.5m，机组单机容量和厂房跨度均为世界之最。经过多年地质勘探查明，地下洞室群所处围岩属类，地应力处于中低量级，地质环境良好。目前主厂房已开挖至第层，地下洞室群各主要洞室围岩变形量值均在设计控制范围之内。采用变顶高尾水隧洞替代尾水调压室根据右岸地下引水发电系统布置，按传统设计尾水系统应设置调压室，但由于含煤地层T33 的影响，设置尾水调压室工程投资和风险较大，根据右岸地下厂房运行特点，经研究决定采用变顶高尾水洞代替尾水调压室。中南设计院与科研院所、高校合作，对机组在各种过渡过程中的水力参数和机组运行特性进行物理模型试验和数值分析，其成果经多次专家咨询和评审，研究证明变顶高尾水隧洞布置方式在各种过渡过程工况下，控制参数均满足设计规范或规程要求，可以替代尾水调压井(室)。变顶高尾水隧洞方案在水力过渡过程中相对收敛较快，调节品质比调压井(室)好，且可避免调压室开挖对厂房区围岩的损伤，减少地下开挖工程量，减少水头损失。一级垂直升船机向家坝水电站地处金沙江常年通航河段，通航建筑物设计为一级垂直升船机，其提升高度达 114.2m，设计标准船队为 2500t 一顶二驳船队，年货运量 112 万 t。经多年的调研、科学论证，并借鉴国内外成功经验，决定采用全平衡齿轮爬升螺母柱保安式升船机，其规模和技术条件复杂程度均属世界最高水平。世界规模最大的沉井群向家坝水电站采用第一期先围左岸、第二期围右岸的分期导流方式。由于河床覆盖层深厚，设计在一期大坝右侧上游布置 10 个尺寸为 23m17m 的沉井，沉井群在二期纵向围堰大坝上游段堰基开挖期间作为挡墙保证一期围堰的稳定，后期作为二期纵向围堰堰体的一部分，承担二期导流期间的挡水任务。沉井最大下沉深度达57m，所处部位覆盖层组成复杂，分为砂卵砾石层、粉细砂层、含崩（块）石的砂卵砾石层，沉井群距一期围堰堰脚最小距离仅 12.1m，下沉过程需严格控制对周围土体的拉裂影响。沉井间间距仅 2.0m，沉井下沉过程中需严格控制其偏斜度。沉井下沉次序、分节高度、出渣设备选型与布置、排水方案、各地层下沉控制措施及各种异常情况的处理方案等均为本工程沉井施工技术的难点。在参建各方的共同努力下，沉井施工已取得圆满成功。国内规模最大的人工砂石系统和长距离带式输送机向家坝水电站主体工程混凝土总量 1221 万 m3，共需混凝土骨料 3200万 t，骨料料源由太平灰岩料场提供。砂石加工系统生产规模为：处理能力3000t/h，生产能力 2400t/h，规模为国内之最。砂石系统采用分散布置方式，半成品加工区布置在太平料场附近，成品加工区布置在坝区马延坡，半成品与成品加工区之间直线距离约 30km，经多种运输方案综合比较后，决定采用长距离带式输送机输送线输送半成品骨料方案。输送线可长期连续输送骨料，具有输送能力大、运行可靠性高、环境影响小、投资省等特点。向家坝带式输送机具有长距离（5条输送机总长 31.3km，最大单机长8.3km）、变倾角（其中 1 条输送机两端高中间低）、高带速（带速 4m/s）、大运量（3000t/h）、主要布置在隧洞内（皮带洞总长 29.3km）等技术特点，该输送线总输送量达到 3200 万 t，为国内最长的带式输送机。2008年12月28日上午，金沙江向家坝水电站工程通过截流验收 摄影王连生向家坝上游防渗墙工程施工场景 摄影/陈业青