黄河规划设计

西霞院反调节水库枢纽工程设计要点

刘宗仁(西霞院项目组)[摘要]：本文主要介绍西霞院建设的必要性和开发任务、枢纽概况、设计主要过程、设计主要要点和难点等。其要点和难点包括：复杂的地质条件，电站基础处理，复合土工膜在土石坝中应用，倒挂式液压启闭机布置方式，消力池排水系统设计，夹砂层采用振冲桩处理等。[关键词]：设计要点西霞院 1 概述西霞院反调节水库位于河南省境内黄河干流小浪底水利枢纽工程下游16km处，是历次黄河流域治理规划及1997年4月国家计委和水利部审定的《黄河治理开发规划纲要》中所确定的三门峡至花园口河段开发的梯级工程之一，也是小浪底水利枢纽的反调节配套工程。西霞院水利枢纽总库容1.62亿m3，土坝最大坝高20.2m，混凝土段最大坝高51.0m，电站装机140MW，是一座具有日调节性能调节库容为0.452亿m3的反调节水库，其开发任务是为小浪底水库进行反调节，并结合发电，进一步完善小浪底枢纽所承担的供水、灌溉和发电等综合利用任务。当小浪底水电站按设计要求每日进行调峰运行时，将引起下游河道30-50km范围内出现7-8小时以上的断流，对沿河两岸工农业引水和下游河道控制工程、河势稳定等均带来不利影响。西霞院反调节水库的建设，将显著地提高小浪底调峰发电效益，并可解决因调峰运行与下游河段的工农业用水和环境用水的矛盾，对于充分发挥小浪底水利枢纽的综合利用效益，具有不可替代的作用。西霞院水库装机140MW，年发电量5.9亿kw.h，并可为水库下游113万亩耕地的灌溉用水及洛阳市石化基地的工业供水创造有利的条件。西霞院工程可以作为黄河向北引水的一个引水口门，为黄河向北供水提供了有利条件。西霞院枢纽由复合土工膜砂砾石坝、电站、21孔泄洪闸、6孔排沙洞、王庄引水闸及坝后灌溉引水闸组成。总工期45个月，总投资近21.96亿元。 2 西霞院勘察设计过程1958年开始西霞院地质勘察和试验工作，根据水利部前期工作安排，1993年开始可行性研究工作，1996年6月完成可行性研究报告， 1997年3月水利水电规划总院组织对西霞院可研报告进行了审查， 1997年5月开始西霞院工程初步设计工作。1998年7月，水利部明确小浪底水利枢纽建设管理局为西霞院工程业主单位后，由业主重新安排我院编制了西霞院工程项目建议书，于1999年12月完成，并于2000年元月通过水利水电规划总院的审查。2001年10月完成可行性研究报告，2002通过水利水电规划总院的审查和中国国际咨询公司的评估。根据业主的要求，2002年12月编制完成了初步设计报告，并于2003年2月通过水利部水利水电规划设计总院的审查，2003年7月国家发展和改革委员会委托中国国际咨询公司对西霞院初步设计概算进行了核定。2003年12月西霞院主体工程开工。我院自1993年地质勘探、物探、试验研究做了大量工作，提供了大量的基本资料，为设计工作打下了坚实基础。 3 主要勘测设计要点3．1 复杂的地质条件：西霞院工程电站厂房地基主要为上第三系地层，该地层的性质十分特殊和复杂，其显著特点是：成岩时间短，强度低，相变大，岩、土性质并存，在卸荷条件下或开挖暴露后受环境条件(特别是水环境)的影响，其工程地质性质容易发生变化。该层埋藏于深厚覆盖层(20～30m)之下，在基坑开挖前无法进行现场试验，仅靠钻孔样品所取得的资料又难以反映实际情况。而国内外在上第三系地层上修建水利工程较少，资料分散，缺少可以借鉴和参考的经验，目前对这种“似岩非岩、似土非土”的过渡型地层还没有相对统一完善的试验方法与评价标准，因此，在工程实践中对该类地层的试验方法与评价标准需要探索和完善。在电站基坑开挖到上第三系地层发现，地层中出现了较多的断层带，上第三系地层不能作为相对隔水层，地层中存在层间水，地层很不均匀，受扰动地基承载力低。为较为客观认识该地层并提出合适的地质参数，为此，开展了现场试验研究，主要包括大型现场试验(静力载荷试验、现场直剪试验、现场回弹变形观测)、原位测试(标准贯入试验、静力触探测试和综合测井等)、钻孔取样、刻槽取样及室内试验等；对勘察试验成果及以往资料进行综合分析，对上第三系地层的工程地质特性进行全面的分析评价，系统地探讨岩土体力学特性及工程地质参数选取，并进行了两次国内专家咨询会，为最终的电站基础处理方案提供依据。3．2 电站基础处理3．2．1桩基处理方案由于电站地基的地质条件非常复杂，岩层分布极不均匀，各地层的物理力学性质差别很大，存在电站基础的抗滑稳定问题、地基不均匀沉降问题、承载力低及渗漏稳定问题。为解决此类问题，采取了综合处理方案，对局部承载力低的地层和电站基础上下游应力的较大部位采取局部打素混凝土桩的方案。桩的设计按疏桩理论设计，桩间距大于6倍桩径，桩顶部设1000px砂砾石垫层。另在电站机组段之间的大体积部位设键槽并进行接触灌浆。关于电站地基的允许承载力能否修正，用何种方法进行修正，能够修正多少，水利工程无可借鉴的实例，规范中也没有规定，设计对建筑地基规范和泵站设计规范推荐的按塑性区发展到一定深度的公式计算、和汉森公式进行对比并参考一些工程实例，最后选用建筑地基规范推荐的方法进行计算。3．2．2地基防渗处理电站坝基主要为上第三系粘土类与砂类互层，并被多条断层切割，无论层次或产状等均较杂乱，砂层为透水层，而粘土岩为相对隔水层，形成了比较复杂的水文地质条件；如不处理，蓄水后可能形成局部承压水，导致渗透变形和集中渗漏等问题，为此在电站基础的上游侧和左右侧增加了防渗墙，深度30m，厚0.6m，形成“U”布置格局，保证电站基础的渗透稳定性。3．3夹砂层采用振冲处理泄洪闸地基为沉积砂卵石层，在泄洪闸右侧几个闸段砂卵石地基中存在软弱夹砂层“透镜体”，呈带状分布，夹砂层的承载力低，且有夹砂层的闸段沉降量大，不能满足地基承载力和闸室稳定要求，必须处理。经对振冲碎石桩方案、换填法、高压旋喷桩方案比较，振冲碎石桩处理夹砂层以方法简单，效果稳定，投资较省，并有可借鉴的工程实例，选为西霞院工程泄洪闸地基夹砂层处理方案。3．4复合土工膜在土石坝中应用西霞院工程周围有合适的土料可以作为砂砾石坝坝体防渗料，按正常情况，坝体采用壤土防渗是最经济也是最合理的，是有成熟经验的。但我国人均耕地面积很小，应提倡不占、少占耕地，筑坝取粘性土作防渗料通常要以损坏耕地为代价，常会引起纠纷，因取土受到农民阻挠而延误工期时有发生，建设单位为此也付出了大量人力财力。业主根据其在小浪底工程实践中的经验教训，提出用复合土工膜作为坝体防渗材料的建议。尽管土工合成材料在我国公路、环保、建筑等工程中已普遍采用，在坝工建设中主要是在堤防上和坝体除险加固工程上应用较多，但在黄河这样重要的河流上采用还缺乏经验，土石坝规范仅明确三级以下的坝，经论证后可以采用。而西霞院工程大坝为二级建筑物，如果采用复核土工膜防渗必须要经过论证。为此，重点对国内已有类似工程的运用情况进行调研，发现已建工程已有二级建筑物应用，且运行情况良好，同时与科研院校进行联合攻关，并聘请国内土石坝方面的专家进行咨询。考虑到西霞院工程大坝水头只有14m，最大坝高20.2 m，为低坝，同时考虑西霞院库容不大，泄水建筑物有足够的泄流能力，且国内外已有成功的经验，为确保可靠，选用了便于检查和维护的复合土工膜防渗体放在坝体上游的防渗方案，即斜墙坝方案。3．5电站事故门采用倒挂式液压启闭机布置根据布置电站进口12套事故门采用了倒挂式液压启闭机布置方式，启闭机容量2000kN，国内没有先例。国内类似布置的工程规模小，工程级别低，闸门数量少，尺寸小，启闭机容量不到500 kN。且闸门孔口尺寸5.33x12.2m，远大于已建工程。而闸门与启闭机采用四连杆机构连接，国内外没有设计先例。3．6消力池排水系统设计为解决泄洪闸和排沙洞在运行和检修中，消力池底板的抗浮稳定问题，需在消力池底板以下的砂砾石层中设暗排水系统。而排水系统的设置必须满足保土性、防堵性，透水性要求。为此，采用了内侧用软式排水管，软式排水管的外侧为无砂混凝土，无砂混凝土的外侧包土工布的新排水方式。软式排水管形成排水主管且起到无砂混凝土的模板作用，而无砂混凝土可以起到排水的骨架作用，即使软式排水管局部出现破坏，无砂混凝土管仍能形成排水通道，外侧包土工布起反滤作用，此排水方式确保了消力池底板暗排水系统的可靠性。 4 结语西霞院工程虽然主体已经开工近一年，但由于地质条件的复杂和具有挑战性，对一些问题的认识还存在差别，设计方案还必须经实践考验，不断完善，还必须经业主、设计、监理、施工单位的共同努力，才能将西霞院建成一流工程，并总结一流经验。