CCS水电站若干设计难点研究与突破

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　　摘要：厄瓜多尔CCS水电站项目存在泥沙含量高、地震烈度大、覆盖层埋深大、输水距离长、地质条件复杂、水头高等不利自然条件，基于BIM和信息化设计，采用设计和施工深度融合的动态设计方法，成功解决了在不均匀地基上修建特大规模沉沙池，超深覆盖层上修建大泄量混凝土过水建筑物，国际标准体系下深埋长隧洞设计优化，复杂地质条件下高水头压力管道设计，薄岩壁大跨度地下洞室群支护措施，大容量水轮机和高压发电机配电装置型式选择等一系列关键技术问题，为工程的高质量建设和运行奠定了坚实的基础。
　　关键词：设计;深覆盖层;泥沙;地震烈度;CCS水电站
　　中图分类号：TV6I;TV741
　　文献标志码：A
　　doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05 .021
　　厄瓜多尔CCS（ Coca Codo Sinclair）水电站为径流引水式电站，总装机容量1 500 MW.是该国最大的水電站，也是目前世界上已建成的总装机容量最大的冲击式机组水电站。项目采取EPC合同模式，总工期66个月，项目EPC合同金额超过23亿美元[1]。
　　该项目为厄瓜多尔最重要的建设项目，是采用中国融资并由中国公司承建的“一带一路”重要工程，建成后可满足该国三分之一以上的电力供应。该项目受到中国及厄瓜多尔两国政府的高度重视，建成意义重大[2]。
　　1 工程概况
　　项目所在的Coca河流域位于厄瓜多尔安第斯山脉向西部亚马逊平原的过渡地带，流域内分布有高山气候区、热带草原气候区及热带雨林气候区，降雨量由上游地区1331 mm（Papallacta站）向下游逐渐递增到4 834 mm（San Rafael站）、6122 mm（Reventador站）.Coca河在拟建坝址处多年平均流量为296 m3/s.从首部枢纽到厂房直线距离约30 km，落差650 m，具有很高的开发利用价值。但受自然条件的影响，工程的开发利用存在以下难点：
　　（1）工程区位于环太平洋地震带，CCS水电站DBE（设计地震加速度）为0.3g，MCE（最大可信地震加速度）为0.4g[3]。
　　（2）工程区位于活火山附近，Coca河两岸和古河道分布有较厚的松散火山灰沉积物，在强降雨条件下易受侵蚀，造成河流输沙量变化较大。
　　（3）首部枢纽工程区广泛分布第四系松散堆积物，砂砾石覆盖层最大厚度超过200 m。
　　（4）引水隧洞沿线地形起伏较大，隧洞埋深一般为300- 600 m，最大埋深达722 m，沿线共发育33条不同规模的断层，穿过侏罗纪一白垩纪Misahualli地层（JK）的凝灰岩、安山岩，白垩纪下统Hollin地层（Kh）的砂岩、页岩互层，局部洞段可见花岗岩侵人体（Gd）[4]。
　　要满足工程的功能要求和合同规定的条件，需要在设计中通过研究解决这些难点。
　　2 不均匀地基上修建特大规模沉沙池研究
　　2.1 主要研究内容
　　首部枢纽所在河道多年平均流量296 m3/s，泥沙以火山灰质悬移质为主，多年平均输沙量1 211.6万t，其中悬移质输沙量为932万t，多年平均悬移质含沙量为1.01 kg/m3，最大含沙量5.00 kg/m3。沉沙池基础部分为基岩，部分为深度超过80 m的覆盖层，工程场地MCE为0.4g。由于工程规模大，引水冲沙要求高，以及高地震烈度下可液化深厚覆盖层和基岩地质条件复杂，因此需要对沉沙池的工程布置、冲排沙方式及基础处理措施进行研究：
　　（1）分析和研究多单元小底孔有压廊道冲排沙方式结构布置、排沙流量、排沙运用方式及排沙效果等，为底孔排沙沉沙池设计提供技术支持。
　　（2）分析和研究火山灰质悬移质管流冲排沙结构布置、排沙流量及排沙效果等为，管流冲排沙沉沙池设计提供技术支持。
　　（3）根据引水、除沙要求，分析和研究管流冲排沙沉沙池的布置，实现管流冲沙沉沙池设计。
　　（4）研究深厚砂砾石覆盖层不均匀基础处理方案，进行沉沙池基础处理设计。
　　2.2 解决思路和方法
　　对该工程复杂水沙条件、引水运用条件、强地震下可液化基础处理及冲排沙方式、沉沙池布置等进行了一系列研究，提出了以下解决思路和方法：
　　（1）采用物理模型试验和数值分析方法，选用合适模型，研究沉沙池在不同水沙条件下的流速、流态、水面线特征，对沉沙池的结构、布置进行全面分析。
　　（2）通过物理模型试验和数值分析，研究不同运行方式下沉沙池泥沙淤积形态。
　　（3）采用不同分析方法研究不同地基处理措施的处理效果，并对混凝土灌注桩桩土之间、桩和基岩之间、桩和砂砾石垫层之间的接触特性及不同桩端形式对处理基础液化和不均匀沉降的效果进行分析。
　　2.3 关键技术和创新点
　　（1）目前在国内外已建沉沙池工程中CCS水电站沉沙池规模及引流量最大。通过对比分析，该工程采用8条单池槽净宽13.00 m、深18. 50 m、工作长度150.00 m的连续水力冲洗式沉沙池解决了过机泥沙问题，该沉沙池为目前世界最大规模的连续水力冲洗式沉沙池。
　　（2）管流冲排沙沉沙池设计处于世界领先水平。通过分析国内外沉沙池应用实例，首次将管道冲排沙应用在大型水电沉沙池设计中，设计冲沙流量仅为引水流量的7.5%，达到国内外先进水平。
　　（3）首次将顶扩头灌注桩应用于基础处理。根据桩顶端对水平荷载影响较大的特点，首次提出并采用了顶端扩大混凝土灌注桩复合基础，解决了沉沙池深厚覆盖层沉降量及沉降差大、基础液化等问题。
　　（4）首次将以火山灰质为主的悬移质泥沙处理技术应用于工程实践。基于数值分析技术对流场和沉沙、冲沙之间关系‘5-7]的研究表明，沉沙池结构尺寸与沉沙粒径、沉沙效率关系较大。在数值分析和物理模型研究[8]的基础上，成功将以火山灰质为主的悬移质泥沙处理技术运用于工程实践并取得了良好的效果。 　　3 超深覆蓋层上修建大泄量混凝土过水建筑物研究
　　3.1 主要研究内容
　　首部枢纽由混凝土面板堆石坝、溢流坝、引水闸及沉沙池组成。首部枢纽区域最大洪峰流量为15 000m3/s，溢流坝和冲沙闸最大泄流量为16 444 m3/s。由于工程泄水规模大、地震烈度高，且建在厚2 - 217 m不等的砂卵砾石覆盖层上，存在抗滑稳定、渗透稳定、不均匀变形等关键问题，另外泄洪建筑物运用频繁，需保证不同流量的下泄水流与河道天然流态平顺衔接，以避免下游河床及两岸发生冲刷，因此需要研究并解决如下问题：
　　（1）根据地质条件、工程布置和初拟结构型式，研究不同建基面高程和结构型式，以满足抗滑稳定和承载力控制要求。
　　（2）覆盖层的渗透系数为10-2～ 10-3 cm/s，属于中等透水，其厚度较大，坝基渗漏问题突出;覆盖层颗粒级配不良，在高水头作用下，存在渗透变形问题，需要根据覆盖层组成确定不同的地基处理措施。
　　（3）混凝土建筑物建基于厚2- 217 m的覆盖层上，覆盖层存在部分中等压缩性粉质黏土和粉土层，需根据变形控制要求确定不同的地基处理措施。
　　（4）消能防冲标准内下泄流量为0-6 020 m3/s，上下游水位差为6.52 - 20.28 m，下游河道水位最大变幅为7m，需要研究不同消能防冲方案和消能效果以解决出闸水流的平顺连接问题，减轻对下游河道的冲刷，保证水工建筑物安全。
　　3.2 解决思路和方法
　　在分析地基覆盖层物理力学性质的基础上，根据运用方式提出了以下解决思路和方法：
　　（1）采用理论研究和经验分析相结合的办法，确定所在河段的抗冲流速。
　　（2）采用数值分析和物理模型试验相结合的方式，研究库区不同淤积情况下首部枢纽泄流能力和冲沙闸冲沙效果。
　　（3）采用有限元静动力分析方法，研究高地震烈度下建基于深覆盖层上的混凝土建筑物结构布置和细部设计。
　　（4）通过覆盖层组成和施工能力分析，研究满足防渗和渗透稳定要求的混凝土建筑物基础处理方案。
　　3.3 关键技术和创新点
　　（1）其为目前国内外建在深覆盖层上的泄流量最大的混凝土过水建筑物之一。首部枢纽工程区覆盖层最大深度超过200 m.修建的开敞式溢流坝和冲沙闸最大泄流能力为16 444 m3/s，最大坝高39 m，最大单宽流量94 m2/s。
　　（2）采用塑性混凝土防渗墙进行防渗。根据地质情况和运行特点，覆盖层采用最大深度为30 m的塑性混凝土防渗墙进行永久建筑物防渗处理。
　　（3）数值分析和物理模型试验相互验证。为论证溢流坝的过流能力和消能效果，采用数值模拟分析、整体和局部物理模型试验进行相互验证和比较，为工程的合理布置和结构优化提供了重要参考。
　　（4）采用分缝和键槽相结合的措施解决不均匀沉降问题。溢流堰顺水流向底板长度为52.61 m，垂直水流向长度为22 m.溢流堰面分缝为2 cm宽，缝内设一道铜片止水，一道PVC止水，伸缩缝迎水表面填充0.05 m厚聚硫密封胶封闭。为减小分块之间地基不均匀变形的影响，提高堰体整体性，缝面布设多层键槽，块体间相互咬合。
　　（5）采用多种地基处理措施。根据地质条件和上部结构要求，在冲砂闸下部采用素混凝土端承桩解决不均匀变形较大问题，在左岸挡水坝段下部采用振冲碎石桩解决可液化砂层问题，对溢流坝段采用放缓上部坝坡的措施解决抗滑稳定和基础承载力问题。
　　4 复杂地质条件下深埋长隧洞研究
　　4.1 主要研究内容
　　输水隧洞设计引水流量为222 m3/s.设计内径8.2m，隧洞总长24.83 km，最大埋深722 m，是目前南美洲已建的最长的大埋深输水隧洞。隧洞采用全断面衬砌结构型式，纵坡坡降为0. 173%，隧洞出口设事故闸门，闸室段后设消力池。正常运行工况为明流，非常工况即机组甩负荷、隧洞出口闸门关闭时，洞内存在明满流过渡状态。采用两台双护盾TBM同时掘进，并辅以钻爆法施工。
　　CCS水电站设计是在意大利ELC公司完成的概念设计的基础上进行的优化设计。鉴于国际工程的特殊性和隧洞沿线地质条件的复杂性，为确保隧洞工程实现相关各方质量先进、技术可靠、工期合理和投资节省的目标，需针对长距离大深埋隧洞设计中的问题进行研究。
　　（1）方案布置优化。概念设计阶段输水隧洞后半段存在明满流过渡且流态转换频繁，转换点位置不固定，通气竖井施工难度大，需放空调蓄水库才能对隧洞出口段检修等缺点，在详细设计阶段对此进行优化。
　　（2）管片构造选型。由于占全部隧洞长度近95%的隧洞采用TBM施工，因此管片的厚度、环间宽度等的选择不仅直接影响工程的质量和安全，而且因涉及不同地质条件和施工条件的适应性而直接影响隧洞的施工工期。
　　（3）管片结构分析。经过对中国、美国、欧洲关于隧洞设计规范体系的研究，发现不同规范体系对隧洞在相同条件下的配筋计算所得结果差别较大，而配筋直接影响到工程的安全，且对投资影响较大。
　　（4）施工支洞处理和后期高效利用。为了缩短建设工期，在隧洞施工中一般采用设置施工支洞增加工作面的方法进行处理，但是工程竣工后施工支洞处理方式将直接影响工程的工期、运行维护和投资。
　　4.2 解决思路和方法
　　（1）分析枢纽工程布置和运行条件，优化隧洞布置。根据枢纽工程布置和运用条件.研究明流洞方案和取消涡流竖井、坝内虹吸管及两个通气竖井的可行性。
　　（2）充分利用BIM设计技术，根据布置和施工组织选择管片类型[9-11]。在满足安全的前提下，采用BIM信息化设计技术，结合自主研发的集成平台、流程化软件及VR技术，对可能的管片类型结合施工组织进行仿真分析，优选管片类型。 　　（3）充分分析不同规范体系的区别，选取安全经济计算结果。对审批方认可的中国、美国和欧洲规范体系进行充分研究，找出相关规定的异同点和设置原则，对每种管片类型分别采用不同的规范体系进行详细计算分析，并从安全度、投资和对工期的影响等方面进行对比。
　　（4）根据地质条件和运行方式，研究简化临建设施、改造永久运维通道的方案。目前常用的改建方案是在施工支洞与输水隧洞主洞交叉连接段内设置检修闸门，通过控制检修闸门启闭实现输水隧洞的运行和检修目的，但存在增大工程投资和运行维护成本大的缺点，根据支洞附近围岩条件和运行方式，根据数值分析结果，研究不同的改建方案。
　　4.3 关键技术和创新点
　　（1）优化隧洞布置。采用明流洞方案，取消概念设计阶段意大利ELC公司提出的涡流竖井、坝内虹吸管以及两个通气竖井等方案，不仅简化了工程布置、优化了结构设计，而且降低了施工难度，节约了投资。
　　（2）选用通用型薄管片。设计采用通用四边形TBM薄管片，转弯或纠偏时不需频繁更换管片类型，简化了施工程序;管片混凝土强度、定位孔、螺栓连接孔、燕尾槽等设置合理，保证了管片制作、脫模、安装的施工质量。
　　（3）多方案对比计算分析。在管片结构设计中分别采用美国、欧洲和中国规范体系的设计理念进行对比分析，保证了工程安全，节省了投资，为今后国内外相关工程设计提供了参考实例。
　　（4）将施工支洞改为永久运维通道12-13]。首次采用在施工支洞内设置“凸”形道路改建检修支洞的方法，避免了增设检修闸门，不仅降低了施工难度和工程投资，经济易行，缩短了工期，而且该检修支洞还可兼作明流输水隧洞的通气洞。
　　5 高水头压力管道研究
　　5.1 主要研究内容
　　该工程共布置两条内径5.8 m的压力引水管道，均由进水塔、上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段和岔支管段组成。其中：1#压力管道主管轴线长度为1 782.935 m.竖井段长478.55 m;2#压力管道主管轴线长度为1856.339 m，竖井段长476.195 m。两条压力管道平面距离为16.2- 80.0 m，最大内水压力水头约630 m，埋深较深、地应力较低，同时工程运行中存在单洞运行的工况，两洞间距应综合考虑渗透破坏、水力劈裂、围岩特性、工程造价等因素来确定。
　　为解决上述问题，需要研究以下内容：
　　（1）1#、2#压力管道的布置问题。根据进水口和厂房位置，通过布置研究，使任一压力管道洞身各方向和两条压力管道之间的围岩在不同运行工况下不产生渗透破坏和水力劈裂，同时在高地应力区，管道轴线方向应与最大水平地应力方向有较小的夹角。
　　（2）钢衬起点的选择。由于压力管道水头高、洞线长，因此钢衬位置的确定不仅直接关系着工程的运行安全，而且直接影响着工程的安全和投资。
　　（3）衬砌结构计算方法。该工程压力管道内水头最大达630 m，属于高压隧洞范畴，而国内外对此尚无成熟的设计理论支持，可供借鉴的工程经验较少。压力管道安全可靠运行对CCS水电站至关重要，可靠的结构计算方法不仅能保证工程的安全运行，而且能有效降低投资、缩短工期。
　　（4）废井处理检修。针对施工中出现的废井，其与新井距离较近，且该区域地应力相对较高，同时其埋深大，地下水位高，采用常规处理方法不能保证回填密实，因此研究废井的有效处理方法，避免其对相邻压力管道产生不利影响，也是该工程的重点研究内容。
　　5.2 解决思路和方法
　　（1）根据工程地质和水文地质分析成果，进行三维渗流场分析，研究不同布置方案在各种运行工况下的渗流场，为压力管道的布置提供数据支撑，并为衬砌结构的计算提供外水压力数据。
　　（2）参考目前国际较为通用的挪威准则和雪山公式，根据原位地应力测试结果，在满足不同运行工况容许渗透坡降的情况下，确定钢衬的起点位置。
　　（3）结合国内外有关经验，对透水衬砌和不透水衬砌进行分析，研究不同衬砌方式的衬砌厚度、配筋形式、工期和投资，综合比较后选定最终的衬砌方式。
　　（4）结合充水试验及运行期间的监测资料，对采用的设计方法和最终设计结果进行评价分析，并对采用的计算参数进行反分析，为工程的安全评估提供依据，为后续项目的设计提供参考和借鉴资料。
　　5.3 关键技术和创新点
　　（1）首次在高压管道混凝土衬砌设计中采用了混凝土衬砌和土工膜联合的复合式衬砌结构，该项目的实践证明，这种衬砌结构对降低渗漏量效果良好。
　　（2）对于埋深超过700 m的压力管道下平段而言，首次在最小地应力/内水压力小于1.1的情形下，确定了钢衬起点，极大地降低了工程造价，为其他工程设计提供了借鉴。
　　（3）相对于传统的经验设计方法，首次基于钢筋混凝土施工完建裂缝统计数据，对施工期衬砌外水压力进行折减，为外水压力计算从定性分析转向定量分析进行了探索。
　　（4）在总结国内外关于透水衬砌的研究基础上，将透水衬砌的设计理念应用到具体工程实践中。
　　6 大跨度地下洞室群研究
　　6.1 主要研究内容
　　厄瓜多尔CCS水电站采用地下厂房，埋深为200m左右，主厂房尺寸为212.0 mx26.0 mx46.8 m（长×宽×高），主变洞尺寸为192.0 mx19.0 mx33.8 m（长×宽×高），主厂房与主变洞之间岩壁厚度为24 m。地下厂房处地表地形起伏大，且呈现洞室多、洞室群纵横交错布置、主洞室跨度大、距离近、薄岩壁等现象，应力、应变规律复杂，围岩稳定问题突出。
　　为解决上述问题，在设计阶段进行了如下研究：①主变洞和主厂房之间、母线洞之间、尾水洞之间的超薄岩壁在施工期和运行期的应力应变状态及其处理方式;②超薄岩壁处理方式施工可行性;③超薄岩壁问题地质敏感性分析和处理方法的动态响应。 　　6.2 解决思路和方法
　　（1）采用不同软件对施工过程进行动态仿真分析，并对围岩性质进行敏感性分析，得到不同施工阶段和地质条件下围岩变形、应力及塑形区分布情况，研究不同支护方案的支护效果。
　　（2）根据现场开挖情况、应力应变监测、声波测试数据等反馈资料动态优化支护设计。
　　（3）运用模糊模式识别、模糊积分和突变理论，对整个支护结构进行全面分析，并对支护效果进行量化评价。
　　6.3 关键技术和创新点
　　（1）通过研究不同支护方式，得知钢拱架加喷混凝土情况下三向薄岩壁安全系数满足要求，避免了设置大范围预应力锚杆对施工工期的影响。
　　（2）根据应力、位移、声波测试等多项监测数据进行母线洞及其他部位围岩稳定动态反馈分析，总结并形成系统的围岩“动态优化设计”方法，成功运用于该工程中，保证了工程的安全施工和运行。
　　（3）首次基于MATLAB软件平台采用模糊数学、模糊积分、突变理论识别模型对洞室支护结构进行合理性评判，拓展了洞室支护结构合理性评判新思路。
　　7 大容量冲击式水轮机组及高压配电装置型式研究
　　7.1 主要研究内容
　　（1）水輪机型式比选研究。根据该电站的运行水头范围，各种类型水轮机适应的水头范围，水轮机运行效率和最高效率、比转速和额定转速，机组尺寸，厂房开挖深度，工程量及综合造价，以及相应的工期影响和运行维护成本等，进行水轮机型式比选。
　　（2）冲击式水轮机抗磨防护研究。参考工程实例并根据数值模拟结果，研究冲击式水轮机不同部位磨蚀程度和原因，据此研究重点防护部位和不同抗磨蚀涂层材料。
　　（3）发电机配电装置型式研究。该电站发电机与变压器采用单元接线方式。发电机与500 kV升压变压器之间设备较多，如断路器、电流电压互感器、接地开关等。发电机出口配电装置尤其是发电机断路器（ GCB）和电制动开关型式的选择涉及机组安全运行和土建尺寸的确定。为此，需对上述设备的选择及布置型式进行研究。
　　7.2 解决思路和方法
　　（1）水轮机型式的确定。该水电站运行水头为594.27 - 616.74 m.根据运行水头的范围可供选择的水轮机机型有混流式和冲击式两种。根据电站的运行条件，通过对两种机型水轮机效率、对负荷变化的适应性以及设备投资和土建投资的综合比较，并根据过机泥沙特点考虑运行维护频率和成本，选择水轮机类型。
　　（2）抗磨蚀材料和涂层部位分析。根据水轮机不同部位的磨蚀程度和原因分析，在采用布置和结构设计减免的基础上选择合适的抗磨蚀材料和涂层部位。
　　（3）发电机断路器型式选择。根据机组安全运行要求，综合考虑土建和机电设备投资，对发电机出口负荷开关、发电机断路器、隔离开关等型式进行研究，综合分析电气性能、分断能力、设备布置型式、运行维护便利性等，最终确定发电机断路器成套装置。
　　7.3 关键技术和创新点
　　（1）水轮机型式和参数选择是一项复杂的技术探索过程，该工程在对各种类型水轮机适应的水头范围、运行效率、比转速、综合投资及运行维护成本等全面分析的基础上，提出了水轮机类型和参数的定量选型方案。
　　（2）通过工程实例和数值分析，确定了冲击式水轮机的通常磨蚀部位和磨蚀原因，并选用碳化钨作为抗磨蚀防护材料。
　　（3）发电机出口采用发电机GCB和专用的电气制动装置，能够最大程度地契合该工程实际情况，技术性能最优，同时对土建布置等有较大便利，是一种完美的地下厂房大容量冲击式机组机电设备选型及布置解决方案。
　　8 结语
　　CCS水电站已于2016年11月18日建成发电，截至目前CCS水电站累计发电160.56亿kW.h。CCS水电站作为中国企业“走出去”战略的标志性工程，一系列设计难点的成功解决塑造了中国水电设计的品牌形象，为中国水电在国际市场的开拓做出了贡献。
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　　【责任编辑张华岩】
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