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里底水电站工程施工技术创新纪实

中国水利水电第十四工程局有限公司


1概述

1.1工程概况

里底水电站工程位于云南省迪庆州维西县巴迪乡境内的澜沧江上游河段上,电站工程规模属二等大(2)型工程。电站以发电为主,正常蓄水位1818。0m,死水位1814。0m,校核洪水位1818。9m,总库容0。75亿m3,具有日调节能力。水电站装机容量为420MW(3台×140MW ),保证出力110MW,多年平均发电量19。52亿kW•h。最大坝高76。6m,坝顶高程1820。50m,坝顶长度351。9m

枢纽主要建筑物由左副坝、溢洪道(前期与导流明渠结合,后期改建为溢洪道)、河床式电站厂房、泄洪底孔、右副坝和开关站等建筑物组成。施工导流分三期进行:一期为束窄原河床过流,在左岸岸边进行导流明渠工程施工;二期主河床截流,施工厂房坝段和泄洪底孔坝段等,左岸导流明渠过流;三期泄洪底孔过水,左岸导流明渠改建为溢洪道。

图1    枢纽主要建筑物布置图

1.2 工程特点

(1)工程地处滇西北峡谷区,工程枢纽区域左岸陡峭,右岸较缓,河谷为不对称 “V”字型。溢洪道布在左岸,需利用导流明渠二次改建形成;泄洪底孔、厂房坝段布置在主河床,右岸为右副坝坝段。底孔流道上部布置安装间,进水口下部还设有排沙孔,坝体布置有24个流道、61道闸门井(库)和纵、横廊道,混凝土孔洞率近60%;右副坝、泄洪底孔段段基础为碾压混凝土,其它坝段及部位为常态。在“V”型狭窄河谷布置大型河床式电站,多个建筑物交错、叠加布置在主河床,是国内首次。

(2)工程区属三江地槽褶皱系,典型的纵向河谷,大坝基础及防渗涉及强倾变形结构、弱风化岩体、挤压揉皱强列和软硬差别大的绢云母石英纤枚岩和变质砂岩、古河床砂卵石地层,地质条件复杂,在国内罕见。

(3)典型的河床式电站,坝段结构复杂,一期、三期需在一个枯水期完成,施工工期与洪水赛跑。

(4)电站设计为轴流转桨式水轮机,转轮采用现场组装、蜗壳钢衬设计采用梯形断面全钢衬结构,设计为国内首次。

2 复杂地质条件的应对措施及技术成果

2.1围堰防渗工程

1)围堰防渗工程概况

根据施工导流规划里底电站围堰分三期布置,围堰总长约1。5km,防渗面积约3。8万m2。其中一期纵向枯水围堰和二期上、下围堰均布置在河床覆盖层上,河床覆盖层平均厚达15m~30m,其主要组成为含弧(漂)石的砂卵砾石及细砂层带;一期枯水围堰长973m,二期上游围堰长214。2m,下游围堰长166。4m。

2)围堰布置及防渗结构选择及施效果

针对河床覆盖层多元结构的地质条件,工程围堰堰基防渗先后进行了帷幕灌浆、高压旋喷等生产性试验,通过技术、经济对比,最终河床覆盖层及围堰水下填筑部分选用塑型混凝土防渗墙防渗结构,水上填筑部分采用粘土心墙、土工膜等防渗结构。

表1   里底水电站围堰布置及防渗结构参数表

部位、名称

堰基条件

围堰结构

填筑/挡水高度

防渗结构

防渗效果

一期枯期纵向围堰

河床覆盖层

土石围堰

10/42m

堰基覆盖层及水下填筑部分采用混凝土防渗墙

满足设计要求,渗水量约300m3/h

水上填筑部分采用粘土心墙

二期上、下游围堰

河床覆盖层

土石围堰

47/60m

堰基覆盖层及水下填筑部分采用混凝土防渗墙+墙下5m岩石帷幕灌浆

经历4个汛期及20年一遇洪水考验,总渗水量约200 m3/h

水上填筑部分采用土工膜防渗

各阶段围堰实现超设计期限安全运行期,其中,二期围堰混凝土防渗墙及土工膜防渗结构安全经历近4个汛期和20年一遇的洪水考验,基坑总渗水量小于200m3/h。从围堰防渗效果看,澜沧江中、上游河段由于处于高山重岭地区,枯、汛期水流流量、流速变化大,河床覆盖层中多含有大孤(漂)石、砂卵砾及纯砂、细砂层,针对此类似地质条件,河床覆盖层防渗采用高压旋喷、帷幕灌浆等均效果不佳,采用混凝土防渗墙较能更好的适应。

2.4千枚岩软岩坝基开挖技术

1)坝基开挖概况

本工程基岩建基面开挖面积约5万m2,水平建基面占近80%,坝基岸坡(左右岸坝肩槽)开挖坡比为1:1、1:0.5。基岩为石绢云母石英千枚岩夹少量变质砂岩及微晶片岩,挤压揉皱现象强烈,左、右岸岩层走向与坡向小角度斜交或近平行,坡面倾向同岩层倾向相反,基本属于纵向谷的逆向坡,左、右岸阶地均有残存古河槽。右岸顺层结构面发育,岩体大面积倾倒变形。

绢云母石英千枚岩具片(层)状结构,力学性质各向异性较大,其垂直层理向强度最高达106MPa,而片理夹角较小(近平行)向其强度仅为20MPa左右;与变质砂岩及微晶片岩强度差值也达近100 MPa,加之倾倒变形及挤压揉皱。针对地质条件复杂的软岩坝基开挖,工程在传统工艺的基础上采取设备调、、钻爆控制、分区分层调整等工艺控制可得到良好效果。

2)坝基开挖应对措施及效果

(1)坝肩边坡采用大孔径、深孔预裂和弱爆破;水平建基面采用预留保护层水平光爆的开挖工艺。针对岩体变形、发育结构面及软、硬不同岩体对钻孔质量影响,边坡预裂孔采用CM351型潜孔机,孔径110mm;水平建基面光爆造孔选择钻杆(钻具)钢度较大的100B轻型潜孔钻,孔径90cm,采用搭设定位支架、测放尾线、“多次效杆”、预留钻杆垂度修正值及控制钻进速度等技术及管理措施,保证钻孔质量。控制单响药量、调整不偶合系数等弱爆破措施,控制了爆破振动,减少爆破对坝基的影响。

(2)工程效果

开挖爆破过程和爆后检测、监测数据统计,里底电站建基面开挖残孔率达90。1%、建基面开挖平整度合格率达81。5%,超欠挖、不平整度、残孔率满足设计技术要求;爆后岩体松弛深度在0。72m~1。04m之间,松弛深度范围内的平均波速在1。63km/s~3。35km/s之间,建基面以下1m处约86%的测点波速衰减率小于10%,其它测点波速衰减率在10%~15%之间;爆破区附近建筑物质点振动速度在0。056~3。862cm/s之间,均小于安全质点振动速度(<5cm/s),满足设计要求。

图2 二期基坑开挖完成效果图

3大坝施工设备布置及防碰撞系统应用成果

3.1概述

河床式电站施设备布置是施工总布置的核心,里底水电站施工总体布置根据施工分期,按照“总体规划、动态布置”的原则,大型门(塔)机和移动设备有效组合,采用北斗卫星定位防撞安全管理系统保证了高效、安全运行。

图3    施工设备布置图

3.2大型设备布置

针对里底电站大坝流道、孔洞多,钢筋密集,混凝土种类多的特点,大坝混凝土施工采用高架门(塔)机和布料机、汽车泵“固定+移动设备”组合布置的方案,垂直运输得到了互补,保证了混凝土的快速施工。

工程一期导流明渠、溢洪道消力池工程布置2台MQ1260高架门机;二期右岸坝段、厂房坝段、泄底孔坝段及厂房、泄洪底孔消力工程布置4台MQ1260高架门机和一台1台D1500-63塔机;三期溢洪道改建工程布置1台D1500-63塔机。大坝基础混凝土及门机覆盖区域以外范围配制汽车泵和履带式布料机配合,模板、钢筋等材料吊运配制小型塔机和动态布置汽车吊,保证了模板、钢筋等材料吊运和混凝土快速施工。

3.3门塔机群的防碰撞系统的应用及成果

里底水电站施工高峰期高架门(塔)机达到5台,在同一空间内存在交叉作业和相互碰撞的隐患。工程利用北斗卫星定位、检测门机的位置和运行状态,运用大数据计算和人机交换技术形成防撞安全管理系统。系统对门机的高度、行走位置、回转位置和变幅幅度通过差分定位,精度可达0.02m;再通过数据实时处理、声光报警发出指令,达到了人机互动,可在门机发生碰撞前发出警报并发出停止运行指令,防止门机之间发生碰撞,达到安全运行的条件。

4大坝混凝土外观质量提升创新及成果

里底水电站大坝、厂房等工程为提升混凝土观感效果,大坝下游面结合翻转钢模拼装,模板横、纵向缝均设置装饰分隔线条;安装间内侧墙体结合定型钢模规划,在模板水平缝处设置墙面水平装饰分隔线条;主副厂房、开关站梁、柱角阳角采用PVC塑料倒角线条。拆模后倒角装饰线条棱角方正、线条通顺,外观整洁、美观。

大坝下游面、厂房室内低高程部混凝土面涂刷清水混凝土专用平色、保护剂(有机硅透气型透明保护涂料)进行保护。该涂料具有有效延缓混凝土碳化、防止混凝土表面返碱和酸碱类腐蚀的作用,可有效提高混凝土表面结构的耐久性;同时,在混凝土表面涂刷清水混凝土专用保护剂后,可有效弱化色差,由于其透明性能仍保留混凝土自然的机理和质感,观感提升效果较好。

图4  右副坝混凝土表面分隔装饰线条效果

5 溢洪道改建快速创新成果

5.1 溢洪道改建工程特点及施工难点

溢洪道改建工程为坝下0+000.00m~坝下0+052.00m的溢流堰部分,改建期上游、下游分别采用钢叠梁闸和土石围堰挡水,施工内容包括叠梁闸下闸、下游围堰填筑、基坑排水,混凝土溢流堰体、闸墩,一扇叠梁检修闸、两扇弧形工作闸及液压启闭机等金属结构安装。根据导截流规划,溢洪道改建需在一个枯水期(12月至翌年5月)完成,工期紧,施工项目、工序多。

5.2 溢洪道改建快速施工创新成果

(1)架桥机+多节叠下闸,为提前安全下闸创造条件

澜沧江6~10月为汛期,11月为汛后过渡期,11月份上、中旬尚有小洪水发生,12月至3月中旬进入稳定的退水段,设计要求三期下闸标准采用12月份10年一遇的月平均流量354m3/s。

经分析、评估:11月份已进入枯水期,来洪水的概率较小,且来洪水后有暂停施工和撤离的时间,风险可控;流量偏大下闸难度增的问题可通过下闸方案的调整解决。为了减少三期工程工期压力,里底电站三期下闸截流采用“架桥机+多节叠闸下闸”的方式、流量最终选择11月中旬Q10%=500m3/s流量。实际于11月23日下闸完成,较原设计提前了约10天。同时,下游围堰施工道路和预进占填筑提前进行,与下闸平行作业,围堰填筑较原计划节约工期3天。

(2)混凝土分层分块优化调整

为加快施工进度,通过设计分析计算,对分层厚度及分块进行了优化:按3.0m基本层高进行分层,溢流堰堰面混凝土与堰体同步施工;闸墩预应力锚索布置区6m高一次浇筑。优化后混凝土施工节约工期约20%。

(3)插筋施工优化

堰体与边墙一期混凝土结合面插筋设计为在三期溢流堰混凝土施工前打孔布设,约1270根。考虑到插筋打孔需穿过边墙一期混凝土表面双层钢筋网,边墙一期混凝土施工时预先埋设了导向管,插筋锚固采用早强性成品锚固剂,施工工效提高了1~2倍。

(4)锚索施工优化调整

为满足闸门巨大推力,闸墩弧形门门槽至铰座受力集中区纵向发散布置26根3500kN主锚索,铰座锚墩横向布置16根2400 kN次锚索。溢洪道中墩混凝土、弧门安装属主关键线路,锚墩部位锚索预埋管安装→锚墩一期混凝土→锚索安装、张拉、混凝土等强→铰座垫板安装→锚墩二期浇筑、等强更是关键线路上的“瓶径”。由于设计规划阶段,未充分考虑锚索张拉及铰座二期混凝土等强时间,按正常混凝土分层浇筑、预埋管安装、混凝土等强施工,在一个枯水期要完成三期工程目标根本无法保证。

墩锚索部位的施工中,一是锚索预埋管在仓位外制作成整体,一次吊装;二是调整混凝土强度及缩短其等强时间。锚索预埋管组焊场地选择在施工塔机可覆盖的范围,按照主、次锚索相对位置进行预埋管定位、组焊,通过型钢加固成整体后整体吊入仓内,仓内通过预埋基础板加固,节约工期约10天。

(5)金结安装措施

溢洪道改建金结安装主要包括1扇叠梁检修闸门,2扇14m×23。2m弧形工作闸门及2台2×360t液压启闭机,其中14m×23。2m弧形闸门单重348。8t,单道闸门焊缝长约318m。为节约直线工期,一是检修门及弧门底坎、侧槽门轨调整为先施工,与土建进行适当搭接;二是,弧门支臂等提前在安装区域外布置工位进行组焊,两孔弧门同时安装;三是,液压启闭机与弧门安装平行作业,液压油管分段安装。如此,保证了2个月时间完成两扇超大型弧形闸门的安装,按目标达到了度汛要求。

6 机电安装创新成果

电站设计为轴流转桨式水轮机,蜗壳钢衬设计采用梯形断面全钢衬蜗壳结构,设计为国内首次。金结、机电安装通过工艺创新、二次工艺设计及标准化施工规划保证了机组安装质量及进度。

(1)水轮机蜗壳钢衬针对现场瓦片拼装焊接控制变形和混凝土浇筑过程中变形控制要求高、难度大的特点,施工中通过“瓦块本体补强, ‘米’字、‘井’字型结合的内支撑体系和支撑、锚拉结合的外支撑,下、上侧护板预留焊缝至蜗壳混凝土浇筑后焊接”等措施,有效控制了瓦片焊接和混凝土浇筑过程的变形。

(2)为避免了因长途运输而导致的变形及其他零部件的损坏,水轮机转轮采用现场组装的方式,保证了转轮质量。转轮安装采用转轮、主轴、支持盖(带导流锥)三体连接及联吊一次到位的方式进行,有效避免了设备组装后整体超高、超重带来的安全隐患,同时减少了部件吊装、调整时间,并大大减少了在机坑内的工作量,大大节约了施工成本和安装工期。

(3)机组定子安装采取在基坑内一次组装、叠片成型,有效地解决定子吊装过程定子铁心及机座的局部变形的影响,更好保证了定子在铁心叠装后与水轮机的同心度,达到了预期的效果。

图5 里底水电站首台机组转子吊装

7 结语

里底水电站工程为典型的河床式电站,混凝土重力坝型,低水头、大流量轴流转浆式机组,其坝高、单机容量均居同类型电站前列。坝型、结构布置及导流规划较为典型的代表了河床式电站的特点,工程受地理和地质条件、结构布置、施工导流规划等因素限制,施工工期不均衡,体型小、结构多、坝体孔洞率高,施工干扰大等特点突出,围堰工程、坝基开挖、混凝土、机组安装等施工难度大,工程施工过程通过技术创新,优化施工布置、制定应对措施和细化施工组织管理,应对了工程特点和施工难点,取得了良好效果,工程施工过程控制和工程质量得业内肯定。

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