引子渡水电站优化设计过程和体会

1、引子渡水电站优化设计过程和体会1 工程概况引子渡水电站位于乌江南源，平坝与织金两县交界的三岔河上，为乌江干流规划中的11 个梯级电站之一。该工程以发电为主，兼顾其他，枢纽由混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道、右岸引水系统、 发电厂房和开关站等水工建筑物组成。最大坝高 129.5 m，水库总库容 5.31 亿 m3，库区淹没耕地 8 590.44 亩，移民 5093 人；电站安装 3 台 120 MW水轮机组，年均发电 9.78 亿 km·h，工程总投资 15.93 亿元人民币。引子渡水电站由贵州黔源电力股份有限公司筹资建设，国家电力公司贵阳勘测设计研究院设计，可行性研究报告于1999 年

2、10 月通过国家经贸委会同贵州省计委审查，XX 年 4月国家计委批准立项，作为国家实施西部大开发战略中“西电东送” 的首批开工项目， 于 XX 年 11 月 8 日正式宣布开工。并于 XX 年 10 月 16 日一次截流成功，XX年 5 月混凝土面板堆石坝填至1 033 m 高程，可挡50 年一遇全年洪水，目前正朝着 XX年 5 月首台机组发电而努力奋斗。2 优化设计过程2.1规划设计阶段为了合理利用和开发水利资源，引子渡至普定河段的开发方式从五十年代起就开始进行研究，1980年电力部水电总局正式给我院下达了乌江规划补充工作任务，1981年4 月和11 月先后提交了乌江渡以上梯级复勘报告和三岔

3、河引子渡水电站1/10000 地质测绘报告。于1982 年 12 月提出了贵州省乌江上游规划报告。初选引子渡坝址。1985 年5 月水电部水利水电建设总局再次组织复查，确认我院初选坝址，该阶段初定水库正常蓄水位1 088 m，混凝土重力坝，坝后厂房装机4× 40 MW。1987 年 3 月，我院会同长江流域规划办公室共同编制完成了乌江干流规划报告，正式将引子渡水电站纳入乌江干流规划11 个梯级中的第二级。1988 年 8 月由水利部、能源部、交通部等有关部门对该报告进了审查，1989 年 5 月国家计委以计国土502 号文对乌江干流规划报告的审查意见致函水利部，主要内容如下：乌江及沿

4、岸地区综合开条件较好。将逐步建设成为西南地区重要的能源和原材料主产基地。乌江干流水资源开发以发电为主，其次航运。兼顾防洪、灌溉等任务。梯级开发方案可按普定、引子渡、洪家渡、XX、索风营、乌江渡、构皮滩、思林、沙砣、彭水10 个梯级考虑，大溪口梯级待三峡水库正常蓄水确定后另行考虑。乌江渡坝址以下至河口航道远景暂按4 级考虑，近期按 5 级考虑。规划初步确定了开始方式、坝型及装机容量，为下步工作打下了基础。2.2预可行性研究阶段1995 年 10 月，受贵州省电力工业局委托，全面开展了引子渡水电站预可行性研究工作，对以下内容进行了重点研究：通过对引子渡渡口上、下游8 000 m 河段进行仔细调查，

5、综合工程地质、枢纽布置、施工导流、工程投资等方面因素对三个坝址、 六条坝线进行比较， 优选出了引子渡坝址，初步确定了引子渡峡谷河段上的上坝线。根据选定坝址的地形、地质条件，首先否定了规划阶段推荐的投资较高的混凝土重力坝方案，重点对技术先进、投资较省的碾压混凝土拱坝和混凝土面板堆石坝两种坝型进行比较。由于坝址处于不对称“V”型河谷，坝址无天然垭口可供利用，碾压混凝土拱坝可采用坝身孔口泄洪，大流量泄洪问题较易解决，工程投资比当时拟定的面板堆石坝方案少得多，将碾压混凝土拱坝作为该阶段的推荐坝型。结合坝型选择，对左岸岸边式、右岸岸边式、坝后式三种厂房布置型式组合成五个枢纽布置方案进行研究，由于左岸地质

6、条件优于右岸，且受泄洪影响较小，将碾压混凝土拱坝 +左岸岸 边式厂房 +坝身孔口泄洪的枢纽布置方案作为该阶段推荐方案。通过水文、水能计算，结合库区淹没损失和动能经济分析，认为水库正常蓄水位 1 086 m较合适，电站装机 240 MW，年均发电 8.8 亿 kw·h 规模适中，上网电价较低，经济效益最优。通过对库区初步勘测，库区岸坡稳定，未发现临谷渗漏问题，工程地质对选定引子渡坝址作出如下初步评价：a、坝基地层为硬岩夹泥质软弱夹层，且小褶皱发育、风化后岩体比较破碎，岩体质量属于 A和 B类，允许承载力 3.05.0 Mpa变形模量 4 10 Gpa，属于经工程处理后可利用岩体。 b坝

7、址右岸为顺向坡，岩层中有炭质夹层，施工开挖过程中易产生滑坡，需进行处理。c 、坝基地层属弱岩溶透水层，渗透系数小，易形成灌浆帷幕，大坝绕渗易于处理。预可行性研究报告于1996 年 11 月通过了电力工业部水电水利规划设计管理局会同贵州省计委的审查。电力工业部1997 年以电水规140 号文进行了批复。 同意该电站正常蓄水位 1 086 m ，装机容量 240 MW，碾压混凝土双曲拱坝 +坝体表孔泄洪 +左岸岸边厂房的枢纽布置方案。 该方案淹没耕地 6360 亩，移民3 983 人，总工期4 年零 8 个月，动态总投资14.227 亿元人民币。2.3可行性研究阶段1998 年12 月贵州黔源电力

8、股份有限公司与我院签定关于三岔河引子渡水电站勘测设计意向协议书。为了提高工程质量，降低工工程造价，提高电站的整体经济效益及市场竞争能力，“协议书”中正式提出限额设计要求。根据预可审定方案和投资，测算可行性研究阶段的限额目标为：在装机容量为 240 MW情况下，工程动态总投资不得超过14 亿元，装机容量扩至 360 MW，其工程动态总投资不得超过16 亿人民币。引子渡坝区河段为不对称“ V”形河谷，岩层倾向下游偏左岸，周边无天然垭口可供布置泄洪建筑物，在预可研阶段将碾压混凝土双曲拱坝作为推荐方案。随着对选定坝址勘探工作的深入，特别是平硐揭露，右岸50 m 深处还发现有张裂隙存在，证实坝址右岸不仅

9、有软弱夹层，而且岩体风化深度超过 50 m，若采用碾压混凝土双曲拱坝，为满足应力要求，坝基需设11 m厚混凝土基础垫层， 坝肩嵌深达3055 m，坝基开挖量120 万 m3，为坝体混凝土总量的 1.74倍。特别是右岸半顺向坡切脚50 m 后，很难保持施工期稳定，右岸永久边坡处理难度远远超过原先预测，再加上水库移民从3983 人，增至 5 093 人，不只是工程投资大大突破限额目标，而且工程安全和工期难保证，不得不予放弃，重点转向面板堆石坝方案。在预可研阶段也曾对混凝土面板堆石坝进行过研究，由于坝址河段无天然垭口可供利用，为了解决大流量泄洪问题，在右岸开设两条 12×21.1 m 大断

10、面泄洪隧洞，大坝填筑料从坝址上游 1.4 km 的阉牛大坡开采，其投资超出原碾压混凝土双曲拱坝方案 1.0 亿元以上，无法满足“协议”中提出的限额目标。为了降低工程投资，又能确保工程安全，设计人员在现场反复踏勘，结合地形，地质条件充分论证：发现左岸虽然地形陡峻，但地质条件较好，所有岩层均以 30o左右倾角倾向山坡内侧，为中厚层灰岩或灰岩夹薄层页岩，岩石强度和质量可满足大坝填筑要求。无断层切割，开挖后形成 120 m 以上的高边坡也能保持稳定。因此提出了取消右岸阉牛大坡专用料场， 左岸进行大开挖的方案： 左岸大开挖形成溢洪道，解决大流量泄洪问题，大量开挖石碴直接上坝填筑，又解决了填筑料源问题。由

11、于取消右岸专用料场，省去料场占地征用费和料场专用公路修建费，从左岸开挖直接上坝，运距由原方案 46 km 缩短到 1.02.0 km ，工程投资大大降低。该方案于 1999 年 7 月提交专家咨询会上讨论，得到到会专家充分肯定，并提出了许多完善和改进意见。本阶段在预可推荐左岸岸边厂房基础上，同时对右岸河岸式厂房、坝后式厂房、胡家大地地面厂房等布置方案进行了研究和比较。胡家大地地面厂房虽然工程量和投资均大于其他布置方案，但可多利用 2.0 m 左右水头，能充分利用水能资源，引水发电系统自成体系，厂房运行不受泄洪影响，运行稳定可靠。施工干扰少，有利于缩短工期。由于泄洪系统改用左岸大开挖方案节省工程

12、投资较多，改用胡家大地地面厂房后，引子渡水电站工程总投资仍控制在“98 协议”限额控制费用以内。工期缩短8 个月。该方案于 1999 年 10 月通过审查，审定方案为：混凝土面板堆石坝 +左岸岸边溢洪道+右岸引水系统+胡家大地地面厂房，正常蓄水位1 086 m ，坝顶高程1 092.5 m ，最大坝高 134.5 m ，总库容 5.31 亿 m3，装机 240 MW，年均发电量9.06 亿 kw· h，淹没耕地8 590.44 ，迁移人口5 039 人，工期 4 年，工程总投资13.95 亿元。在本阶段推荐面板堆石坝本身与预可研面板堆石坝方案相比实际节省工程投资1.8 亿元。2.4招

13、标和施工图阶段进入招标设计阶段后，根据贵州电力发展及市场需要，为提高电站调峰容量，贵州黔源电力股份有限公司以黔源建字199933号关于引子渡水电站增容至360 MW的通知的函要求，在不改变枢纽总布置、不改变坝型及库容的情况下，将装机容量从240 MW扩至 360 MW，一步到位建设。经过对方案实施的可行性、经济性、时间性等方面进行论证，认为：在原有基础上增扩一台 120MW机组不影响大坝投资、不增加水库淹没指标、 不影响施工总进度。 总投资增加不多，容量效应十分显著。同步建设周期短、见效快、投资省，技术上可行、 具有较好的经济效益和社会效益。XX年 7 月顺利通过原审批部门的复审。以水电顾水工

14、 XX0025 号文进行了批复。在原有枢纽布置基础上。采用一洞三机的供水方式，将原引水隧洞洞径从9.5 m扩至 10.5 m，电站厂房安装机组由 2×120 MW增至 3× 120 MW，开关站由开敞式变为GIS，总工期 4 年不动，工程总投资15.934 亿元。控制在“98 协议”限额目标以内。本阶段除完成正常设计工作以外，重点作了下列设计优化工作。导流方案的选择和优化在可研阶段重点对全年和枯期两个导流方案进行比较。全年导流方案左右两岸各设置过水断为125.83 m2 的平底马蹄形导流洞一条，设计流量为4 300 m3/s，土石不过水围堰，上游最大堰高50 m，下游最大堰

15、高23.5 m 。枯期导流方案为右岸设一条过水断面125.83 m2马蹄形导流洞，左岸设一条过水断面为83.72 m2的城门形隧洞，导流时段为先年11月 6 日至次年的5 月5 日，相应流量为702 m3/s，土石过水围堰，上游堰高22 m，下游堰高14.5 m。通过比较，前者投资比后者多1 300 万元，为了节省投资，推荐枯期导流方案。招标阶段进行充分认证，认为全年导流方案和枯期导流方案都存在各自的优缺点。为了将两者的优点结合；而将缺点去掉，用相当于枯期导流的钱来争取达到全年导流或更优的效果，提出了采用枯期围堰档水、汛期抢筑坝体临时断面挡水渡汛的综合导流方案。为了充分利用枯水时段，保证汛前有

16、足够的时间开挖、抢筑坝体临时挡水断面，利用上游有普定水电站进行临时调蓄洪水的有利条件，将截流时间提前到 XX年 10 月 16 日，流量由 702 m3/s 提高到 1 170 m/s ，尽量延长基坑施工时段，根据现场实际情况，右岸设一条9×11 m 较小断面的导流洞保截流，左岸设一条12×14.5 m较大断面的导流洞保渡汛。优化后上游堰顶高程987 m，下游堰顶高程 982 m。考虑到坝体临时断面拦蓄库容小于1.0亿 m3，坝体度汛标准取 50 年一遇，相应流量为5 780 m3/s，两条导流洞下泄时，上游水位1 032.6 m ，确定坝体临时挡水渡汛断面顶部高程不低于1

17、 033.0 m 。此时坝体最大填筑高度约 70 m，比全年导流的上游围堰高出 20 m。坝体可进行全年施工，优化后的导流方案与原枯期导流方案相比，提前一年发电，为确保 XX年 5 月首台机组发电打下了基础。拦河大坝面板堆石坝对坝基承载力的要求比混凝土拱坝低得多，充分利用这一特点，结合河床地质条件及河床址板受力情况，将趾板建基面由微风化附近抬高到弱风化中部，坝基高程由 958 m抬至 963 m，使大坝高度由134.5 m降低至 129.5m。优化后不仅减少了河床址板开挖量，且大大降低了施工难度，为坝体抢筑临时挡水断面渡汛创造了条件。两岸址板采用目前最先进的设计思想，结合引子渡的实际情况，左岸

18、采用4.5+X ，右岸采用6+X 方案，进一步降低边坡高度和开挖进深，减少了边坡处理难度和保障了施工期的安全，坝项长度也由原来的298 m 缩短至 275 m。左岸溢洪道根据水力学模型试验成果，下泄水流有冲刷右岸之嫌，由于右岸为半顺向坡，岩石破碎，保护难度较大，适当调整了溢洪道泄槽轴线，为了减少对坝脚回流淘刷，适当调整了泄槽底坡，延伸了泄槽长度。为了便于水库调度，提高泄洪消能效果，用中间隔墙将泄槽分成左中右三孔，闸室堰顶高程 1 068 m ，设 3 孔 11.5 × 18 m 的弧形闸门控制，最大泄流能力 8 386 m3/s ，泄槽最大流速 34 m/s ，由于下泄水流沿河床轴线

19、拉开，消能效果明显提高。为了减少进口明渠、泄槽等开挖爆破对河床大坝填筑的干扰，溢洪道与大之间保留20m50m左右岩墙。溢洪道向山多移了 2030 m，开挖量由可研的 270 万 m3增至 290 万 m3，由于开挖石碴可全部用来筑坝，投资增加不多，对加快施工进度有利。混凝土骨料及砂石系统工程工程附近无天然沙石骨科可供开采，采用灰岩人工破碎加工，可行性研究阶段混凝土砂石骨料场选在左岸坝址上游0.7 km 处的茅草坝附近，高程在1 230 1 350 m 之间，为中厚层灰岩，料场靠近茅草坝寨，寨内有初级小学一座，砂石系统就近布置，爆破开挖及砂石料加工将严重影响居民正常生活，全部搬迁费用较大。进入招

20、标设计以后，通过地质调查和取样进行化学分析，发现左岸响洞附近及溢道岸坡上部岩层和化学成份与原可研选择的茅草坝料场相近，完全满足生产混凝土砂石骨料的要求。本阶段决定取消可研选定的茅草坝料场，直接选用溢洪道上部开挖石碴加工人工砂石骨料，为了确保砂石骨料质量和数量，在左岸溢洪道靠近响洞的泄槽顶部 1 130 m 高程，预先开挖出一个宽 35 m，长 200 300 m 的平台，如果溢洪道下部开挖石碴质量或数量满足不了混凝土骨料要求，可随时从此坪台向山侧开采。同时也作为大坝填筑的备用料场。通过土石方平衡计算，如果把坝肩、厂房、导流洞、引水隧洞等其他水工建筑物的有用开挖石碴充分利用好，溢洪道顶上的备用料

21、场可以备而不用。砂石加工系统、混凝土拌合系统也集中调整到响洞料场附近，减少移民征地，料场专用公路、毛料开采运输费用等1 500 万元以上。特别是改善了茅草坝寨居民及小学的生产、生活环境，社会效益更为显著。场内外交通及其他工程在招标阶段通过调查研究，将上游混凝土板梁桥改为XX梁桥，调整场内公路布置，优化防渗帷幕线路等合计节省工程投资也十分显著。同时在左岸增设了1054 和 1024 两条上坝交通洞，也增加了部份投资，但对加快大坝填筑和左岸溢洪道泄槽段开挖起到了明显作用。3 几点体会3.1优化贯穿于设计全过程从引子渡水电站优化设计过程可以看出，从规划到施工图阶段，坝型从混凝土重力坝双曲碾压混凝土拱

22、坝面板堆石坝；泄洪方式从坝身孔口泄洪隧洞泄洪左岸溢洪道泄洪；厂房及枢纽布置也进行较大调整。最终产生出一个投资省、工期短、效益高的最优设计方案供工程实施和建设。在设计各阶段和全过程都作了不少优化工作。3.2在节省工程投资上，枢纽布置优化的潜力最大引子渡坝址具有修建拱坝的地形，却只具备修建当地材料坝的地质条件，为坝型选增加了不少困难，通过泄洪建筑物的调整，克服了地形条件的劣势，确定了符合坝址地质条件的面板堆石坝。同样是混凝土面板堆石坝，在预可研阶段采用常规的大断面隧洞泄洪和专用填料场方案，与可研阶段采用大开挖形成溢洪道泄洪，取消专用料场，将解决泄洪问题与寻找填筑料源结合起来，使工程投资相差1.8

23、亿元，可以看出在节省工程投资上，枢纽布置优化的潜力最大。3.3在缩短工期上，导流方案优化的潜力最显著一提到缩短工期，通常都会采用全年导流方案。国内不少工程为了实现全年导流，不惜修建3 4 道围堰，有些工程上游围堰高达 50 70 m，超过坝高的 1/3 1/2 ，这样不只是增加了投资， 而且也浪费了工期， 截流后的第一枯水期，不少工程不是用来抢修主体建筑物大坝，而是用来抢临时工程修筑围堰。引子渡水电站的成功之处在于选择了修建简易枯期围堰挡水，抢填大坝临时断面渡汛的综合导流方案。花相当于枯期导流的费用，达到和超过了全年导流方案的效果。因为它把抢修全年导流高围堰的时间用来抢坝体填筑，为主体工程施工

24、争取了更多的工期。应当承认：这种导流方式要承担一定风险。但笔者认为：随着施工技术和机械化水平的提高， 只要选择好施工队伍， 这一风险会越来越小。 3.4 正确对待限额设计业主与我院签订“98”协议时，提出了限额设计要求，确实给设计人员增加了不少压力，因为有一部分勘测设计费用是由设计院自己垫付的，如达不到限额指标，上网电价缺乏市场竞争力，业主完全可能拒绝投资，甚至拒付我院垫资的部份费用。但是压力也可能转化为动力, 例如：当随着地勘工作深入，发现地质条件不宜修建碾压混凝土拱坝时，如果不是承受着限额设计的压力，直接采用预可研阶段备用的面板堆石坝方案。工程投资增加两亿元，与国内同期建设工程相比， 各项

25、指标也不算差，而且风险小， 审查也较易通过，绝不可能“逼出”后来的优化方案。因此限额设计只要限额指标定得合适。压力也可变动力。同时也要正确对待限额设计，该花的钱不能省。例如：为了充分利用水能资源，有利于施工和永久运行，选择了具有较长引水隧洞的右岸胡家大地地面厂房方案，为了加快填筑速度，在左岸临时增加了两条上坝交通洞等，都是直接增加工程投资的项目，但对加快施工进度和提高电站永久运行有利，长期效益显著，增加部份投资也是值得的。3.5正确对待专家意见为了加快引子渡水电站建设，邀请了国内部份知名专家到现场进行咨询和指导工作，为工程提出了许多宝贵意见，特别是在厂房布置和坝型选择过程中，专家建议通过设计人员认真论证，消化后结合到了优化设计中。为加快引子渡建设作出了贡献。但对待专家意见一定要消化后再吸收，理解后再实施。因为专家也有“失误”的时候。例如：有专家建议将引子渡水电站左、右两条导流洞合并成一条，修建在地质条件相对较好的左岸，这样可以为工程节省更多的投资。我们经过分析： 结合当时的建设条件如果采纳， XX 年根本不可能截流，更无法保证 XX 年发电。我们坚持采用左、右各设一条导洞，右岸保截流，左岸保渡汛的方案。在左岸导流洞正在进行招标过程中，又有专家提议取消施工支洞，为工