鄧 元 亮, 劉 興 春 , 楊 宏 昆, 周 濤, 梁 勇

(1.四川足木足河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司,四川 成都 610041;2.四川省清源工程咨詢(xún)有限公司,四川 成都 610072)

1 工程概述

巴拉水電站系大渡河干流水電規(guī)劃“3庫(kù)28級(jí)”自上而下的第2級(jí)水電站,位于東源主干流腳木足河上。電站于2007年啟動(dòng)了勘察設(shè)計(jì)工作,2016年12月完成可行性研究報(bào)告,2018年3月核準(zhǔn)批復(fù),2020年12月正式開(kāi)工建設(shè),預(yù)計(jì)2024年12月首臺(tái)機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電,2025年4月前三臺(tái)機(jī)組全部并網(wǎng)。

電站采用混合式開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)任務(wù)為水力發(fā)電并兼顧減水河段生態(tài)用水需要,壩址位于日部鄉(xiāng)色江吊橋下游約2.2 km處,經(jīng)右岸引水至日部吊橋上游約3.9 km處建地下廠(chǎng)房發(fā)電。電站為二等大(Ⅱ)型工程,由首部樞紐、引水建筑物和廠(chǎng)區(qū)等建筑物組成。首部樞紐攔河面板堆石壩大壩高138.0 m,引水有壓隧洞長(zhǎng)6.9 km,地下廠(chǎng)房裝機(jī)3×240 MW,尾水有壓隧洞長(zhǎng)1.7 km。

電站前期工作開(kāi)始至正式動(dòng)工歷經(jīng)14年,其過(guò)程充滿(mǎn)了各種技術(shù)性和非技術(shù)性問(wèn)題,技術(shù)性包括開(kāi)發(fā)方式規(guī)劃調(diào)整、工程規(guī)模擴(kuò)大、選壩河段范圍延展、引水發(fā)電系統(tǒng)及泄水系統(tǒng)地下洞室規(guī)模龐大等問(wèn)題。非技術(shù)性有“5·12”地震影響復(fù)核、川陜哲羅鮭增殖放流、減水河段生態(tài)放流、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等問(wèn)題。每個(gè)問(wèn)題都是過(guò)程中的一道高坎,決定著項(xiàng)目生死存亡,但在業(yè)主和各相關(guān)單位共同努力下,堅(jiān)持勘察設(shè)計(jì)優(yōu)先,應(yīng)用先進(jìn)技術(shù),學(xué)習(xí)和吸取國(guó)內(nèi)外水電工程的經(jīng)驗(yàn),攻堅(jiān)克難、勇于創(chuàng)新,達(dá)到電站開(kāi)發(fā)預(yù)期。

2 河段開(kāi)發(fā)方式規(guī)劃調(diào)整

為開(kāi)發(fā)利用大渡河豐富的水能資源,自20世紀(jì)50年代以來(lái),各有關(guān)單位持續(xù)進(jìn)行了大量的勘探、規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作,編制了一系列有關(guān)大渡河的水電開(kāi)發(fā)報(bào)告。2003年7月完成《四川省大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整報(bào)告》首次將大渡河干流向上游延伸至四川省境內(nèi)的腳木足河段,確定了3庫(kù)22級(jí)的開(kāi)發(fā)方案,其中雙江口以上的大渡河?xùn)|源腳木足河按四級(jí)開(kāi)發(fā),梯級(jí)自上而下分別為下?tīng)栠?、巴拉、達(dá)維和卜寺溝。

大渡河干流規(guī)劃報(bào)告對(duì)腳木足上游河段提出的是4級(jí)堤壩式開(kāi)發(fā),其中巴拉梯級(jí)壩高230多m,裝機(jī)560 MW。通過(guò)分析巴拉河段地形、地質(zhì)和河道比降等自然條件,設(shè)計(jì)單位提出將巴拉梯級(jí)從堤壩式調(diào)整為混合式開(kāi)發(fā),并適當(dāng)調(diào)低達(dá)維梯級(jí)正常蓄水位減少日部鄉(xiāng)淹沒(méi)、從而增加巴拉梯級(jí)水頭和裝機(jī)容量的建議,以充分利用河段中花崗巖地層和千分之十二的河道縱坡。該建議得到業(yè)主和原規(guī)劃編制單位成都院的積極響應(yīng),隨即委托編制,于2008年獲得水規(guī)總院的批復(fù)。由此,電站壩高從230.0 m左右壩高降低到140.0 m左右,增加9 km長(zhǎng)引水和尾水隧洞,裝機(jī)也從560 MW增加為720 MW,工程直接投資減少6～7億元。

3 樞紐總布置定局

一個(gè)水電站的樞紐總布置的謀篇布局是電站能否建成的關(guān)鍵,巴拉也不例外。

首先,對(duì)過(guò)工程開(kāi)發(fā)河段進(jìn)行分析:上游阿壩縣茸安鄉(xiāng)阿柯河口至馬爾康縣日部鄉(xiāng)日部吊橋止,河段全長(zhǎng)36.82 km,天然落差242.52 m,河段平均縱坡6.59‰。區(qū)內(nèi)屬中高山峽谷河段,河道縱坡具有“兩頭緩、中間陡”的特點(diǎn):色江吊橋以上23 km長(zhǎng)河道整體較順直,縱坡在3～4‰間,水流平緩,河谷相對(duì)較狹窄;以下10.5 km河段至巴拉峽谷口縱坡在12‰～13‰間,谷底寬一般45.0～60.0 m,河谷狹窄,水流湍急;巴拉峽谷口以下2.1 km,縱坡陡降為3‰～4‰間,谷底寬一般50.0～90.0 m,河谷寬緩,水流平緩。

其次,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘河段地形地質(zhì)條件研判:河段為典型高山峽谷地貌,河谷基本呈“V”字型,兩岸山體雄厚,階地、漫灘不發(fā)育;與縱坡陡緩分界基本相同,中間河段有侵入燕山期黑云二長(zhǎng)斑狀花崗巖,而兩頭為侏倭組變質(zhì)砂巖,巖質(zhì)堅(jiān)硬致密、抗風(fēng)化能力強(qiáng);具備建壩的地形地質(zhì)條件。

再次,為根本上解決達(dá)維水庫(kù)淹沒(méi)征地所帶來(lái)關(guān)鍵問(wèn)題,原巴拉規(guī)劃壩址-達(dá)維水庫(kù)庫(kù)尾間長(zhǎng)約 5 km 的河段 50.0 m 水頭的水能資源,經(jīng)開(kāi)發(fā)方式調(diào)整后,降低原達(dá)維電站規(guī)劃正常水位2 730.00 m至2 680.00 m,相應(yīng) 50.0 m 水頭轉(zhuǎn)移到巴拉電站,巴拉尾水水位約2 680.00 m。

基于上述三方面分析認(rèn)識(shí),總樞紐布置格局原則在2007年12月首次現(xiàn)場(chǎng)綜合踏勘后就基本確定,即:充分利用陡縱坡河段引水,壩址盡量上移至上游河段陡緩分界范圍內(nèi),地下廠(chǎng)房洞室避開(kāi)不利地層而置于花崗巖體下游邊界內(nèi),同時(shí)設(shè)1.7 km尾水洞退水至廠(chǎng)房銜接下游梯級(jí)庫(kù)水位。該樞紐布置格局的重要意義是針對(duì)巴拉梯級(jí)流域內(nèi)不利自然地形地質(zhì)條件,充分利用河段特點(diǎn)和區(qū)內(nèi)地質(zhì)地層特性,大膽地謀定“廠(chǎng)房中部開(kāi)花、長(zhǎng)引水加長(zhǎng)尾水的雙調(diào)壓井”混合引水樞紐布置格局,不僅從本質(zhì)上為電站宏觀(guān)技術(shù)可行和投資可控定下調(diào)子,亦為整個(gè)電站后續(xù)勘察設(shè)計(jì)、申請(qǐng)立項(xiàng)和開(kāi)工建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

4 壩址壩型精細(xì)化選擇

為精細(xì)化決策,結(jié)合巴拉水電站與上、下游梯級(jí)銜接關(guān)系,在達(dá)爾倉(cāng)溝至下游峽谷出口長(zhǎng)約 12 km 河段,選擇了上、中、下三個(gè)壩址進(jìn)行壩址壩型及布置格局綜合比選,三個(gè)壩址均具備修建壩高120.0～230.0 m 級(jí)當(dāng)?shù)夭牧蠅魏突炷翂蔚牡匦蔚刭|(zhì)條件,通過(guò)比選先排除地質(zhì)條件較差的下壩址,重點(diǎn)對(duì)上、中壩址進(jìn)行綜合比選。設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)混凝土面板堆石壩、粘土心(斜)墻堆石壩、瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土重力壩及混凝土拱壩的初步分析比較,以混凝土面板堆石壩作為當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚拇韷涡秃湍雺夯炷凉皦巫鳛榛炷翂蔚拇韷涡蚚1]。

從兩壩址面板堆石壩方案和混凝土拱壩方案樞紐布置及建筑物設(shè)計(jì)方面比較,上、中壩址各有優(yōu)缺點(diǎn),技術(shù)難度均在已有成熟經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi),社會(huì)和環(huán)境影響因素不制約。上壩址大壩規(guī)模略小但引水線(xiàn)路長(zhǎng)2.4 km,上、中壩址面板堆石壩方案和混凝土拱壩方案靜態(tài)投資分別約為 67.64、67.70、67.22和68.97 億元。

綜合分析各項(xiàng)因素,考慮中壩址的長(zhǎng)期電量效益優(yōu)勢(shì),最終選定中壩址、混凝土面板堆石壩為推薦壩型,期間對(duì)近壩庫(kù)岸穩(wěn)定性開(kāi)展了專(zhuān)題研究,確保了方案落實(shí)。

5 泄洪系統(tǒng)布置優(yōu)化

巴拉電站設(shè)計(jì)洪水2 900 m3/s、校核洪水3 900 m3/s,總泄洪功率超過(guò)4 000 MW。為使樞紐布置方案合理可靠且經(jīng)濟(jì),在壩址壩型選擇成果基礎(chǔ)上,可研階段根據(jù)泄水建筑物設(shè)置原則,考慮溢洪道、溢洪洞、放空洞及導(dǎo)流洞等建筑物在左岸和右岸的布置相互協(xié)調(diào),分配不同的泄流能力進(jìn)行組合,放空洞與導(dǎo)流洞的結(jié)合形式,擬定了3類(lèi)共7個(gè)布置格局方案進(jìn)行綜合比較,重點(diǎn)研究左右岸泄洪通道布置重心、單側(cè)開(kāi)敞溢洪道方案、高低泄水通道泄量分配及功能、導(dǎo)流洞利用等[2]。各方案技術(shù)上均在工程經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi),均為技術(shù)可行方案。

通過(guò)分析河道左岸具有裁彎取直天然地形,確定泄洪通道重心布置于左岸。

開(kāi)敞式溢洪道與洞式溢洪道相比,由于兩岸河谷狹窄、陡峻,溢洪道進(jìn)口轉(zhuǎn)彎及出河條件較差,靠山側(cè)邊坡開(kāi)挖工程量巨大,最大坡高近210 m,致使邊坡支護(hù)工程量巨大和“高邊坡”問(wèn)題突出;相反,高陡峽谷多采用的洞室式溢洪道方案具有較好的地形適應(yīng)性,進(jìn)出口邊坡高約80 m,施工及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小,投資比溢洪道高低約3 600萬(wàn)元左右,因此,推薦采用洞式溢洪道方案。

在確定左岸高高程洞室溢洪道為主泄水通道和低高程放空洞的前提下,進(jìn)行了泄量分配和導(dǎo)流洞利用的比較,綜合考慮推薦采用技術(shù)難度最低,可靠性最高的“三通道”泄水的組合方案,作為推薦壩址面板壩泄水建筑物方案,即左岸布置溢洪洞和泄洪放空洞,溢洪洞可單獨(dú)宣泄100 a一遇洪水,泄洪放空洞可參與宣泄設(shè)計(jì)和校核洪水,也可單獨(dú)宣泄常年洪水,右岸導(dǎo)流洞只承擔(dān)施工期導(dǎo)流任務(wù),蓄水發(fā)電前進(jìn)行封堵。

為確保方案的合理可靠,在上述基礎(chǔ)上開(kāi)展了樞紐整體水工模型試驗(yàn)和洞式溢洪道單體水工模型試驗(yàn),細(xì)化確認(rèn)了可研方案。施工階段再次對(duì)泄洪放空洞及其出口挑流消能開(kāi)展了單體水工模型試驗(yàn),優(yōu)化了細(xì)部結(jié)構(gòu)型式。

6 引水發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)難題的解決和優(yōu)化

引水發(fā)電系統(tǒng)采用地下廠(chǎng)房居中、高低隧洞輸水、雙調(diào)壓室的特有布置模式,即:“上平引水隧洞+上調(diào)壓井+地下廠(chǎng)房+下調(diào)壓室+下平尾水隧洞”。雖電站整體規(guī)模中等,但其引水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)模和技術(shù)難度高于絕大多數(shù)大中型電站。其主要技術(shù)難點(diǎn)集中在隧洞、調(diào)壓室、高壓管道混凝土襯砌及系統(tǒng)水力過(guò)渡四個(gè)方面。

引水和尾水隧洞設(shè)計(jì)引用流量383.1 m3/s,輸水經(jīng)濟(jì)洞徑11.0 m,最大開(kāi)挖洞徑14.2 m,規(guī)模在川內(nèi)排前3名,國(guó)內(nèi)外也名居前列。上平引水隧洞圍巖比較好,Ⅱ、Ⅲ類(lèi)居多,難點(diǎn)主要是斷層和密集帶。尾水隧洞基本上都是Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖,炭質(zhì)板巖巖性較差。電站項(xiàng)目在核準(zhǔn)前開(kāi)展大量研究工作,過(guò)程充分融合和借鑒了各種先進(jìn)理念和成果?？碧椒矫娓麟A段按規(guī)范并針對(duì)隧洞的特點(diǎn)完成了引水線(xiàn)路跨溝段的4個(gè)鉆孔和沿線(xiàn)13個(gè)平洞勘探的地質(zhì)勘查實(shí)物工作,基本查明引水隧洞所穿越區(qū)的地層條件和圍巖情況,沿線(xiàn)未有大斷裂和斷層,僅一條次級(jí)1.0～2.0 m斷層破碎帶,隧洞常遇的巖爆、斷層、地下水等地質(zhì)難題對(duì)巴拉電站在常規(guī)經(jīng)驗(yàn)預(yù)期范圍。依托勘探成果,大膽運(yùn)用現(xiàn)代隧洞設(shè)計(jì)理念,即“以圍巖自身為主要承載結(jié)構(gòu),輔之以噴錨支護(hù)、二次支護(hù)以及固結(jié)灌漿等加固圍巖措施,最終目的使噴錨支護(hù)、圍巖灌漿加固、圍巖結(jié)構(gòu)組成復(fù)合體聯(lián)合承載”,采用Ⅱ、Ⅲ圍巖噴錨不襯砌,Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖全斷面鋼筋混凝土薄襯砌(厚0.8～1.0 m)為隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),大大節(jié)省了工期和造價(jià),為項(xiàng)目最終可研審查和項(xiàng)目投資評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)奠定了良好的基礎(chǔ)[3]。

上、下調(diào)壓室均為地下埋藏圓筒式,單室阻抗式,上調(diào)壓室開(kāi)挖直徑34.9 m、穹頂36.5 m、井深90.5 m,下調(diào)壓室開(kāi)挖直徑40.8 m、穹頂44.0 m、井深45.97 m。相比目前已完建的一些大型水電工程(糯扎渡、小灣、錦屏一級(jí)水電站調(diào)壓室,以及近期建成白鶴灘水電站尾水調(diào)壓室)[4],其結(jié)構(gòu)規(guī)模較為近似,設(shè)計(jì)和施工技術(shù)難度均具挑戰(zhàn)性。尤其是上調(diào)壓室,預(yù)可研階段上調(diào)壓室采用長(zhǎng)廊阻抗式,跨度僅15.0 m,但可研階段審查后推薦地下埋藏圓筒阻抗式,跨度規(guī)模突增。由于前期選址勘探通道極端困難,沒(méi)有平洞勘探條件,僅在可研審查前完成了一個(gè)穹頂鉆孔,因此,這個(gè)方案選擇客觀(guān)上存在一定風(fēng)險(xiǎn),或要求繼續(xù)等待具備勘探條件后補(bǔ)勘,或隨工程施工過(guò)程進(jìn)行位置的動(dòng)態(tài)和精準(zhǔn)選址。為繼續(xù)等待時(shí)機(jī)而拖延整體項(xiàng)目進(jìn)程,最終選擇了后一種跟進(jìn)措施,目前已經(jīng)有效精準(zhǔn)實(shí)施。

壓力管道最初設(shè)計(jì)為全部鋼板襯護(hù),最大內(nèi)水壓力0.8～3.1 MPa,在可研審查過(guò)程中,考慮地下廠(chǎng)房平洞圍巖較好、壓力中等,審查專(zhuān)家提出僅廠(chǎng)前100.0 m段鋼板襯護(hù)、其余均采用混凝土襯砌的方案,后經(jīng)專(zhuān)題論證研究最終可研方案予以采用,直接節(jié)省投資約2 000萬(wàn)元。

前期和施工階段均委托四川大學(xué)水電學(xué)院進(jìn)行引水發(fā)電系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算,成果表明電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算值滿(mǎn)足規(guī)范要求,壓力鋼管全線(xiàn)正壓,電站機(jī)組間水力干擾不大,調(diào)壓室面積滿(mǎn)足引水系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定性要求。

7 建設(shè)過(guò)程中的樞紐布置持續(xù)優(yōu)化和深化

巴拉電站前期至主體工程開(kāi)工建設(shè)歷時(shí)較長(zhǎng),期間經(jīng)歷了規(guī)程規(guī)范的更新迭代、建設(shè)理念和工程技術(shù)的更新。在建設(shè)過(guò)程中,按審定的樞紐布置格局和主建筑物型式不變的基本原則,持續(xù)開(kāi)展優(yōu)化調(diào)整工作,使各建筑物使用功能和施工方案符合現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求,在保證安全和質(zhì)量的前提下,力求技術(shù)先進(jìn),盡可能節(jié)約工程投資、便于施工并縮短工期[5]。不完全統(tǒng)計(jì)采取的優(yōu)化調(diào)整和深化工作有:

(1)邊坡開(kāi)挖支護(hù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),支護(hù)措施精準(zhǔn)施用,有效的使水電站永久邊坡降低至80.0 m以?xún)?nèi),并經(jīng)歷了馬爾康“6·10”地震考驗(yàn);

(2)進(jìn)水口位置優(yōu)化調(diào)整,在降低邊坡的同時(shí)縮短引水線(xiàn)路,節(jié)省工程投資;

(3)出線(xiàn)場(chǎng)布置格局調(diào)整,減小永久邊坡高度,提高出線(xiàn)場(chǎng)施工和運(yùn)行安全;

(4)大型溢洪洞室淺埋段專(zhuān)項(xiàng)研究和泄洪放空洞水力條件優(yōu)化,為工程實(shí)施和未來(lái)安全運(yùn)行打下基礎(chǔ);

(5)上游調(diào)壓室型式及位置的專(zhuān)題研究,通過(guò)施工期補(bǔ)充勘探、專(zhuān)題研究和專(zhuān)家咨詢(xún),復(fù)核了結(jié)構(gòu)型式和選定了最終的調(diào)整位置。

8 結(jié) 語(yǔ)

巴拉水電站大渡河干流源頭雙江口以上最后一批規(guī)劃開(kāi)發(fā)的梯級(jí)電站之一,與下游已建和在建梯級(jí)相比,地理環(huán)境條件較差,自然區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件不好,加之前期規(guī)劃勘察工作深度不足,因而梯級(jí)投資指標(biāo)不好且存在項(xiàng)目可行與否的風(fēng)險(xiǎn)。巴拉梯級(jí)作為最后一批四個(gè)梯級(jí)電站中指標(biāo)最好的一級(jí)電站(單位千瓦靜態(tài)投資9 500元、單位電度投資2.6元)能核準(zhǔn)開(kāi)工建設(shè),主因是對(duì)電站總樞紐布置格局重要性的高度認(rèn)知和創(chuàng)新實(shí)踐,既充分結(jié)合梯級(jí)區(qū)內(nèi)的自然邊界條件(河道特性、地質(zhì)情況等),又不斷借鑒先進(jìn)工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù),并針對(duì)涉及樞紐布置的關(guān)鍵技術(shù)有的放矢地開(kāi)展了多項(xiàng)專(zhuān)題研究,達(dá)到預(yù)期效果。文中所列若干巴拉電站技術(shù)核心的思路和方法對(duì)于后水電時(shí)期的梯級(jí)開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒意義。