清江水布垭水利枢纽.doc

清江水布垭水利枢纽第一节 工程概况清江水布垭水利枢纽位于巴东县境内，是清江梯级开发的龙头枢纽，工程以发电、防洪为主，兼顾其它，是国家“九五”科技攻关依托工程和“十五”重点建设项目。水库正常蓄水位400米，相应库容43.12亿立方米，是一座具有多年调节性能的水库，电站装机容量184万千瓦。属一等大（1）型水电水利工程。水布垭工程于2000年初开始施工准备，2001年3月导流洞主洞开挖，2002年10月工程截流，2003年3月开始大坝填筑，2006年10月坝体填筑基本结束，2006年10月导流洞下闸后水库蓄水，2007年7月首台机组发电，2008年8月所有机组投入运行。主要建筑物由混凝土面板堆石坝、河岸式溢洪道、右岸地下式电站厂房和放空洞等组成。面板堆石坝最大坝高233米，是国内外目前已建、在建最高的面板堆石坝；溢洪道上下游水头差171米，最大泄量18320立方米每秒，消能区防淘墙面积2.8万平方米，墙体最深40米；放空洞设计最大挡水水头152.2米，最大操作水头110米，泄洪水位变幅110米；地下电站洞室群围岩上硬下软，地质条件复杂，大电流全连式离相封闭母线垂直高差118米，以上多项指标均居国内外同类工程之首或前列，在水工、施工、机电和金属结构方面技术难度很大。大量新技术、新工艺、新材料和新机具的研发与应用，保证了水布垭水电站的工程质量，缩短了工期，节约了工程投资，取得了显著的经济效益和社会效益，填补了我国水电建设的多项空白，水布垭工程共获国家发明专利3项、实用新型专利13项、外观设计专利1项、制定行业标准2项、国家级施工工法2项。水布垭水利枢纽的成功兴建，得到了国际大坝界的高度评价，2008年，国际大坝委员会主席Luis Berge先生称“最高的水布垭面板堆石坝（233米）已经建成。这表明中国混凝土面板堆石坝建设已居于世界领先地位。很明显水布垭面板堆石坝是世界面板坝的里程碑式的工程”，2009年，国际大坝委员会授予水布垭大坝“面板堆石坝里程碑工程”。第二节 工程效益（一）社会效益水布垭电站的兴建，能有效拦截清江上游洪水，对长江防洪起到巨大作用；电站有效减少了火力发电所造成的环境污染问题；采用面板坝，避免了粘土心墙坝比较坝型所需大量粘土料对良田和植被的破坏。带动了地方经济的多元化发展，具有长远和显著的社会效益。（二）工程效益1、发电水布垭电站是华中电网不可多得的具有多年调节能力的骨干电源，承担全网峰荷的7%9%，对保障华中电网安全稳定运行具有重要作用。工程建成后，可极大地改善下游隔河岩、高坝洲两水电站的电能质量，相当于新增一座中小型调峰电站。以水布垭水库为龙头的清江干流梯级电站与华中网内其它水电站补偿调节，可以减少三峡等水电站汛期弃水调峰电量约20亿千瓦时，是三峡水利枢纽最近的调峰、调频、保障运行安全的备用电站。2、防洪清江洪水频繁，且暴涨暴落，往往给沿岸城市带来损失。水布垭水库预留防洪库容5亿立方米，与下游隔河岩水利枢纽联合调度，拦蓄洪水，使下游清江河道的洪水灾害得到根本治理；并可配合三峡水库减轻荆江河段的洪水威胁，防洪效益十分显著。3、航运水布垭大坝建成后，不仅创造了通航条件，而且可形成库区干、支流200公里的深水航道，促进库周地区航运事业发展。4、其它水布垭建库后，正常蓄水位时的库面面积达64平方公里，可以发展养殖业。清江流域竣岭重迭，山青水秀，两岸岩溶发育，绵延不断，景色十分迷人，加上无污染的环境，将吸引众多游客前往，从而为旅游业的开发创造了条件。第三节 技术创新（一）首次设置汛期防淹控制水位，年均发电量增加0.7 亿千瓦时为确保恩施市防洪标准，提高发电效益，经过多方案比较，利用春、秋季洪水流量小的特点和分期洪水设计成果，在正常蓄水位400米、防洪限制水位391.8米的基础上，首次提出了汛期防淹控制水位397米的概念，达到了水量的最优利用，年平均发电量增加约0.7亿千瓦时。水布垭工程采用先进的管理机制，实行了设计监理、移民监理及质量咨询，确保了工程质量，节约工程投资近亿元，实现提前一年发电，创造直接经济效益约14亿元。建设中重视对环境的保护，建立了完善的环保体系，取得了良好的社会效益。（二）工程技术创新1、国内外最高面板堆石坝技术创新面板堆石坝最大坝高233米，为国内外已建、在建最高的面板堆石坝，1993年2月水布垭工程开始预可行性研究时，国内尚无面板坝设计、施工规范，面临着超高面板坝设计理念、高应力条件下大坝填料力学特性、超高面板坝变形控制技术、高性能面板混凝土、适应大变形的止水结构及超高面板坝新型监测手段等一系列超高面板坝筑坝重大技术难题。国家“九五”科技攻关项目200m级高混凝土面板堆石坝研究以水布垭为依托，对以上问题进行了深入研究，工程建设过程中，对大坝的具体问题又开展了大量的研究工作，成功地解决了200米级高面板堆石坝设计的一系列技术难题：233米面板堆石坝变形控制技术集成，233米面板堆石坝防渗体系技术，坝料（粗粒料）性能试验方法，233米面板堆石坝施工技术，233米面板堆石坝性状监控与质量控制技术。2、溢洪道设计技术创新水布垭水电站具有典型的“窄河谷、大泄量、地质条件差、建筑物密集”的特点，水布垭水电站消能区河谷狭窄，枯水期水面宽仅6080米，溢洪道上下游水头差达180米，最大泄量18320立方米每秒，泄洪功率达3100万千瓦，消能区地层为写经寺组页岩，抗冲能力差，左岸有大岩淌滑坡、右岸有马崖高边坡和马岩湾滑坡，环境地质条件复杂，消能区紧邻大坝坝脚、电站尾水出口和导流洞出口，与建筑物关系密切，泄洪消能建筑物设计难度极大。经深入研究和一系列模型试验论证，取得以下创新：在最大泄洪功率为3100万千瓦、消能区岩性软弱且环境条件复杂的水电站泄洪消能设计中采用岸边溢洪道挑流消能和护岸不护底的防淘墙防冲方案，并在国内外最高面板堆石坝泄洪建筑物中成功应用。经系列模型多种消能型式试验研究，独创性地提出了分区陡槽窄缝挑坎阶梯式出口、在左岸1号泄槽鼻坎左侧加设小贴角的新型消能工布置型式，保证了各级流量下均能形成典型的窄缝水舌形态且泄槽水力特性良好，有效减轻了马崖与大坝下游坡脚的回流强度及岸坡淘刷，确保了电站尾水出口在各种运行工况下皆无砂石淤积且下游右半侧河床基本无淤积。首次提出“防淘墙+预应力锚索+抽排”的防冲结构综合措施，并将 “平洞分层+宽竖井分序”组合施工方法应用于水布垭防淘墙，不仅满足了墙体自身的稳定安全，而且为滑坡和边坡的安全和稳定提供了有利条件，加快了施工进度，保证了施工安全。3、放空洞设计技术创新放空洞弧形工作闸门孔口尺寸67米，事故检修闸门孔口尺寸511米，设计挡水水头152.2米，操作水头110米，事故检修闸门最大总水压力84600千牛顿，弧形工作闸门总水压力89634千牛顿，放空洞泄洪水头变幅110米，以上指标均居国内外同类工程之首。水工设计和金属结构设计难度很大。提出了适宜于0110米大水头变幅运行安全要求的突扩突跌体型参数的优化组合方案，突扩突跌后通气充分，在500米明流段不设掺气设施的情况下实现了110米水头下较长时间的安全运行，在解决高水头放空洞突扩突跌体型易产生空蚀破坏的水力学问题方面取得了成功；首次提出了适宜于0110米大变幅运行水头的新型双曲差动异型鼻坎挑流消能工型式，通过双向扩散、双边槽、大挑角、大差动，控制了水舌的落点与范围，在充分扩散减轻冲刷的同时，避免了由于侧扩散易导致的空蚀破坏，值得同类型泄洪建筑物借鉴；提出了轮压值为5400千牛顿的平面定轮闸门支承结构，并首次采用了铸、锻组合结构的支承结构轨道，满足了高水头平面定轮闸门超大轮压的技术要求；通过对水封材料、断面结构、水封压缩量和背压值等系统研究，提出了满足152.2米超高水头的水封结构；首次在偏心铰弧闸门门叶底部设置滚轮支承式闸门锁定装置，提出了一种解决高水头弧门在大压缩变形量下易产生向下滑移从而影响封水效果的更简单安全的技术方案。4、地下电站设计技术创新水布垭地下厂房尺寸为168.52365.47米，厂房围岩总体上为软硬相间、上硬下软，软岩占边墙总面积的比例高达38.4%，且剪切带发育、规模大、性状差，边墙软岩的分布范围、软岩所占的比例及剪切带的规模为国内外同类工程所罕见。其创新点如下述：对控制大型地下厂房围岩稳定的位于边墙中上部的软岩，首次采用“混凝土置换圈梁式超前软岩封闭支撑体”进行处理，充分利用了软岩的围压效应，防止了软岩的挤压变形，达到了控制边墙变形的目标。对控制大型地下厂房围岩稳定的边墙下部软岩，采取保留软岩支撑隔墩并进行综合加固处理，有效降低了厂房全断面开挖高度，达到了隔墩支撑地下厂房上下游边墙以限制变形和控制底板软岩回弹的目的，对软岩处理和利用提供了全新的思路。首次采用扶壁岩锚复合式吊车梁，为大型地下厂房大轮压吊车梁提供了一种新的结构型式。在国标（GB50218-94）、Q系统及RMR三种岩体质量分级的基础上，首次提出了基于计算机模拟试验定量指标的工程组合岩体质量分级方法。对非连续变形分析方法（DDA）进行二次开发，增加了岩体锚固模拟模块，定量数值模拟了洞室围岩多结构面切割条件下局部块体崩落引起破坏、围岩由稳定发展至不稳定的变化过程，为地下厂房围岩变形与稳定数值模拟提供了新的手段。5、渗控工程设计技术创新水布垭面板堆石坝基础承受的水力梯度大，坝前最大作用水头207米，为国内外同类工程之首。趾板未设灌浆廊道，不具备检修补灌条件。坝址区岩溶、剪切带发育，性状差，地质条件恶劣。趾板厚度仅0.61米，盖重小，属于无盖重灌浆范畴。趾板基础开挖边坡临空，岸边卸荷裂隙发育、岩体完整性差，封浆条件差。为此进行了“高面板堆石坝趾板基础灌浆试验研究”，其具有以下的创新点：高面板堆石坝趾板基础灌浆是水布垭水利枢纽的关键技术难题之一。本项目重点研究了提高趾板基础浅部灌浆压力的布孔型式、施工工艺、结构措施、抬动监控方法，对于在缓倾角层状岩体、岩溶及泥化夹层发育的地质条件下，为确定趾板基础浅部灌浆压力、优化防渗帷幕设计具有重要的理论意义和实用价值。研究提出的“均布+帷幕”的布孔型式，对传统意义上的固结灌浆概念有所延伸。利用固结灌浆增加的防渗体厚度和致密性，减小渗透比降，并提高了浅层帷幕的灌浆压力，使固结灌浆第段（接触段）最大压力达到了0.5兆帕，防渗帷幕灌浆第段最大压力达到了1.5兆帕，在当前高面板堆石坝趾板基础浅部接触灌浆压力中为最高值，试验段帷幕体透水率可达1吕荣值。为提高趾板浅层基础的灌浆压力，在应用趾板系统锚杆的基础上，研究采用了一整套升压灌浆的工艺措施，如分级稳压、限制注入率、提高浆液稠度，采用自动记录与报警系统对抬动变形进行全过程监测和控制。通过大量抬动变形观测数据的整理和分析，从统计意义上得到符合水布垭工程实际的抬动变形有效观测半径和抬动变形观测值在抬动观测距离上的衰减规律。根据渗透破坏试验成果，提出了定量评价灌浆防渗体的抗渗透能力的方法，在评价防渗灌浆体的安全度方面有所突破。报告论证得出水布垭高面板堆石坝浅层防渗体的抗渗安全系数可达到1.66以上，能稳定承受的渗压水头在300米以上。6、导截流设计技术创新水布垭水利枢纽采用一次断流、隧洞泄流的导流方式。导流洞与溢洪道呈立面重叠布置，导流洞围岩软硬相间，断面尺寸14.8915.72米，为国内外断面最大的斜墙弧底马蹄型导流隧洞，单洞最长1355.22米。通过合理布置施工支洞和工序，创造了大洞径洞室综合进尺最快的记录，创造了巨大的经济效益。大坝上游的土石过水围堰采用“高堰挡水，低堰过水”的高子堰围堰型式。第四节 曾经获得的奖励1、“清江水布垭水电站”获第九届中国土木工程詹天佑奖；2、“水布垭面板堆石坝筑坝技术”获湖北省科技进步特等奖，并通过国家科技进步二等奖评审；3、“水布垭面板坝应力变形分析”获湖北省科技进步一等奖；4、“软硬相间地层大型地下厂房工程关键技术研究及实践”获湖北省科技进步一等奖；5、“水布垭水电站泄洪消能关键技术研究与实践”获湖北省科技进步二等奖；6、“水布垭放空洞关键技术研究与实践”获大禹水利科技二等奖；7、“湖北清江水布垭水利枢纽高面板堆石坝趾板基础灌浆试验研究”获湖北省科技进步二等奖；8、“水布垭高面板堆石坝初期导流与度汛研究及应