第18卷第4期 2004年8月
GUIZHOUWATERPOWER
洪家渡水电站勘测设计过程回顾
杨泽艳,文亚豪,吴基昌,张晋秋
(中国水电贵阳勘测设计研究院,贵州 贵阳 550002)
摘 要:洪家渡水电站勘测设计工作始于20世纪50年代,历时近半个世纪,工程于2000年11月8日正式开工,计划2004年7月首台机组发电、2005年上半年完建。在洪家渡水电站的勘测设计过程中,始终贯穿了精益求精、设计优化、科学研究与科技攻关、大力推广和利用新技术新材料的思想,从而节约了大量投资,缩短了建设工期,提高了工程科技含量,发挥了设计的龙头作用,为建成精品工程提供了技术支撑与服务;同时也提高了贵阳勘测设计研究院的设计水平,培养和造就了一批高素质的工程设计人才。关键词:水工结构;设计过程回顾;洪家渡水电站
中图分类号:TV22 文献标识码:B 文章编号:100720133(2004)0420001205
Ξ
0 前言
洪家渡水电站为国家“西电东送”首批开工建
设项目,2001年又被国家列为重点工程建设项目,是贵州省“西电东送”的标志性工程。
本工程为乌江干流梯级开发中的龙头电站,装机600MW;其水库也是乌江干流梯级开发中惟一具有多年调节性能的水库,总库容49147亿m3;大坝为面板堆石坝,坝高17915m,是目前世界上高面板堆石坝之一,故具有“库大、坝高、装机小”的特点。工程位于高山峡谷岩溶地区,技术特点表现为“高边坡、窄高坝、强岩溶、多洞室”,因而设计难度较大。
工程总工期5年零6个月,主体工程施工期2年零9个月,第1台机组发电工期4年零6个月,工程完建期1年。工程1998年底开始施工筹建,2000年1月开始施工准备,2000年6月开始部分永久建筑物开挖,2001年10月15日顺利截流,2004年4月6日下闸蓄水。目前,工程进展顺利,于2004年7月18日第1台机组发电,计划同年3台机均投产,2005年上半年竣工。
洪家渡水电站的勘测设计始于20世纪50年代,1980～1991年开展了系统的勘测设计研究工作。1992～2000年在漫长的开工等待和立项配合期间,借鉴国内外水电工程发展的最新经验,设计进行了大量的优化工作和科研工作,使得本工程设计工作日臻完善,并为后来的施工实践所证实。为了适应国家经济建设快速发展的需要,也为了改变水电建设存在的“工期长、投资大”的状况,本工程经优化后工期缩短了2年多。同时,为了响应业主“创精品工程”的要求,本工程在招标设计阶段和施工图设计阶段,在设计工作“时间紧、任务重”
的情况下,通过技术创新和设计人员的努力奋斗,为工程提供了技术支撑与服务,较好地满足了工程建设的需要。
1 三个重要设计时期
洪家渡水电站的勘测设计过程从水力资源普查算起,经历了7个阶段,每个阶段的设计重点与解决的问题不同。每个阶段除了完成建设程序要求的设计内容外,还经历了利用外资可行性研究阶段。另外,还包括了大规模设计优化、科研攻关和新技术新材料的应用等内容。回顾洪家渡工程设计几十年来的历程,概括地说可划分为3个重要历史时期。111 工程前期(1956～1991年)
此时期主要包含水力资源普查(1956～1962年)、河流规划(1980～1987年)、可行性研究(1984～1988)和初步设计(1988～1992年)等4个阶段,经历了约36年,完成了国家基本建设程序所规定的前期设计工作。11111 水力资源普查阶段
乌江流域的水力资源普查工作始于20世纪50年代,1956～1958年成都勘测设计院和贵州省水电厅勘测设计院曾先后进行规划查勘,并选择洪家渡坝址为乌江北源六冲河第一期开发工程。1958年8月至12月、1960年4月至1961年贵州省水利设计院又相继进行了技经阶段的勘测设计工作,并于
Ξ收稿日期:2004206204
作者简介:杨泽艳(19622),男,湖北省老河口市人,高级工程师(教
授级),国家一级注册结构师,现任院副总工程师,洪家渡项目设计部经理兼设总,从事水电工程设计与技术管理工作;文亚豪(19402),男,河北省邢台市人,高级工程师(教授级),国家一级注册结构师,原院副总工程师,从事
水电工程设计与技术管理工作。
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第18卷第4期 贵州水力发电 2004年8月
1962年提交了《六冲河洪家渡水力枢纽技经阶段工程地质报告》,建议洪家渡坝段为梯级选址对象。
这一阶段是建国初期开展水力资源普查的时期,这时期的工作确立了洪家渡水电站作为独立电站开发的地位。11112 河流规划阶段
经过2年多的工作,1982年水利部贵阳勘测设计院(即现中国水电贵阳勘测设计研究院,以下简称贵阳院)正式提出了《贵州省乌江上游(乌江渡以上)规划报告》,报告建议洪家渡坝段为选址对象。1986年5月贵阳院提交了该电站补充规划阶段的《坝段工程地质报告》,1986年12月提出了《洪家渡河段开发规划报告》,并会同长江水利委员会完成了《乌江干流规划报告》。2个报告中均选定在洪家渡河段修建龙头梯级,推荐正常蓄水位1140m,并建议洪家渡为首批开发的梯级之一。1987年《乌江干流规划报告》经水利部水利水电规划设计总院(简称规划总院)和贵州省计划委员会预审通过,并经水利部、国务院审查批准。由于这是第一部完整进行流域规划和提出组建流域开发公司的规划报告,故获得了水利部科技进步一等奖和国家科技成果进步二等奖。
《乌江干流规划报告》明确了乌江梯级总装机容量和开发方式,并提出了参照美国田纳西流域开发模式,组建流域开发公司对乌江进行“流域、梯级、滚动、综合”开发的设想和建议。
洪家渡水电站是乌江梯级电站的龙头水库,但对有大水库调节性能好的龙头电站在梯级中的地位和作用的认识却经历了较为曲折的过程,直到20世纪末其对下游的巨大补偿效益才得到普遍的认同。11113 可行性研究阶段
在《贵州省乌江上游(乌江渡以上)规划报告》的基础上,1984年12月贵阳院对洪家渡水电站工程开展了可行性研究(等同于现在的预可行性研究),开始进点勘测和开展设计工作。其间,规划总院专家组和中国水利水电科学研究院(简称水科院)工程技术委员会对本工程可行性研究进行了技术咨询。本阶段对上、下2个坝址按同等精度进行比较(上坝址比较坝型为堆石坝,下坝址比较坝型为混凝土坝),基于上坝址防渗条件优越、地质问题明朗,而下坝址右坝肩稳定问题复杂,故经充分比较后推荐上坝址为选定坝址,于1987年12月提出了《乌江洪家渡水电站可行性研究报告》及19个专题附件。
1988年7月,规划总院和贵州省计划委员会共同主持审查,通过了《乌江洪家渡水电站可行性研究报告》。审查指出:洪家渡水电站坝高库大,・2・
技术上具有一定的难度,要求下阶段勘测设计工作
中精心设计、抓紧安排,提出高质量的初步设计,为加快该工程兴建创造条件;审定的枢纽布置格局为除坝体以外的其余水工建筑物均布置于左岸地下。1988年11月中国国际工程咨询公司受国家计划委员会委托,对《乌江洪家渡水电站可行性研究报告》进行了评估,认为该报告提出的勘测数据可靠、技术上可行、经济上合理。1989年5月,原能源部审查批准了该工程的项目建议书,并将审查意见上报国家计划委员会。
经可行性研究阶段工作,明确了洪家渡水电站的工程规模和任务及设计标准,选定了坝址和初选了坝型,并确定了各水库的控制水位、库容及装机容量。11114 初步设计阶段1988～1991年6月,贵阳院对洪家渡水电站开展了初步设计工作(等同于现在的可行性研究),为
查明各坝线、厂址及洞线所存在的主要工程地质问题,进行了全面、系统、大量的勘测和试验工作。本阶段拟定了3条坝线和5个厂址方案进行比较,按照初步设计规范要求对各方案进行了同等精度的对比、选择。
1990～1991年4月,贵阳院先后邀请了规划总院、水科院及原国家电力公司昆明勘测设计研究院和成都勘测设计研究院、黄河水利委员会、中国水利水电第十四工程局等单位的专家,对坝线、坝型的比较选择、心墙堆石坝的防渗、风化料的利用等有关技术问题进行了多次咨询和技术讨论;同时,委托水科院、云南省地震局、成都科学技术大学、贵州省地矿局、昆明勘测设计研究院等单位参与了洪家渡水电站部分工程地质问题的研究和试验工作,还有不少的国内专家、教授也曾多次考察洪家渡水电站,为本电站的勘测设计提出了许多宝贵意见。
初步设计对水库正常蓄水位、电站装机容量等进行了复核,确定了坝线、坝型及枢纽布置格局。枢纽布置格局为:大坝为高面板堆石坝,左岸布置洞式溢洪道、泄洪洞、导流洞兼放空洞及一洞三机引水系统(含上、下游调压井)、地下厂房,右岸布置地面开关站。
1991年6月,《乌江洪家渡水电站初步设计》及11个专题附件完成。1992年12月,规划总院会同贵州省计划委员会主持了本工程初步设计审查,原能源部于1993年4月1日行文批复。112 开工等待期(1992～2000年)
此时期主要包含利用外资可行性研究(1992～1996年)、招标设计(1993～2000年)等2个阶段,经历了9年,其间多次提出要开工建设,终因种种
杨泽艳,等:洪家渡水电站勘测设计过程回顾 2004年第4期
原因未能如愿,因此在这一时期工程处于开工等待状态。期间,设计经过了世界一流技术专家的咨询,进行了大量的优化和必要的科研,为开工建设作了充分的技术储备。11211 利用外资可行性研究阶段
洪家渡利用外资可行性研究,是基于当时基本
建设资金紧张、同时高面板堆石坝的筑坝技术在当
时国内还不成熟、又有水位变幅大对机组的要求较
高等因素,为加快洪家渡水电站建设步伐而进行的
工作。
1988年5月,贵州省电力工业局向原能源部
上报了本工程项目申请利用亚洲开发银行贷款的请
求报告,并于1992年5月12日上报了利用外资项
目建议书,之后于1993年3月2日上报了利用外
资项目建议书补充报告。
1993年3月5日,原能源部下达了“关于利用
亚洲开发银行(简称亚行)贷款1993～1995年备选
项目规划的通知”:经国务院批准,国家计划委员
会已将洪家渡水电站列为亚行1995年贷款备选项
目,贷款额度为2亿美元。1993年12月15日,国
家计划委员会批复了本工程项目建议书。1994年
12月23～27日,中国国际工程咨询公司专家组对
进行
了评估,1995年2月8日向国家计划委员会上报了
评估报告。
1995年4月10～15日及5月8～13日,亚行
聘请专家组对本工程进行了小型技术援助(SSTA)。1996年设计配合亚行专家团完成了项目准备技术
援助(PPTA),从工程规划、设计、环评、移民等方面全面地开展了设计配合工作。经亚行专家咨询团的评估,洪家渡工程环境评价和移民安置报告均满足亚行的评价标准,但最终因国家经济环境的改善和相关技术的提高而未利用国外贷款。但通过这一阶段的工作,洪家渡工程的设计得到世界一流技术专家的咨询和认可,使工程设计质量得到了较大提高。11212 招标设计阶段1993年起,贵阳院即开展了洪家渡工程招标
设计阶段的工作,由于本工程技术的复杂性,为了
更好地解决初设报告中的一些技术难点,本阶段进
行了必要的补充地质工作和设计专题研究,于1998年12月完成《施工规划报告》,1999年1月完成《乌江洪家渡水电站可行性研究厂房方案调整专题报告》,由业主贵州乌江水电开发有限责任公司(以下简称乌江公司)组织国内知名专家在1999年3月进行了审查。1999年国家西部大开发战略确立,洪家渡水电站开工建设提上议事日程,受业主委托,贵阳院和有关部门完成了《乌江洪家渡水电站水库移民安
置规划修编报告》和《乌江洪家渡水电站修编概算》以及相应的《经济评价报告》,该2个报告于1999年底通过了规划总院和贵州省计划委员会的审查。1999年底至2000年10月间,受业主委托,贵阳院提出了《乌江洪家渡水电站泄洪洞调整专题报告》和《乌江洪家渡水电站装机容量及引水发电系统调整专题报告》,该2个报告于2002年月12月通过了规划总院的审查。至此,洪家渡水电站大的设计优化和重要调整完成,工程建筑物规模和形式完全确定。枢纽建筑物主要由高面板堆石坝、左岸洞式溢洪道和泄洪洞、左岸三洞三机引水系统、左岸坝后地面厂房及GIS开关站等组成。根据《乌江洪家渡水电站施工规划报告》及工程实际情况,洪家渡水电站工程标段主要分为导流洞工程标(C121)、坝肩和进水口及厂房后坡开挖标(C221)、面板堆石坝工程标(C321)、泄洪建筑物标(C421)、引水发电系统标(C422)、防渗灌浆工程标(C423)、机电设备采购及金属结构制造标(C7)标、机电安装标(C8)及其他辅助工程标等。招标工作于2000年3月份开始进行,至2003年基本完成。招标设计是洪家渡水电站所经历最长的设计阶段,主要的设计优化和重要调整也是在这一时期完成的,并投入了较大精力完成了施工规划报告,为形成优良的分标方案和编制高质量的招标书提供了条件。
113 快速建设期(2001～2005年)此时期主要是施工图设计阶段,但除完成常规施工图设计外,还完成了大量设计优化、重点科研和新技术、新材料的应用及研究。施工图设计实际上从1999年开始,设代筹备组于1999年3月开始工作,设计代表处于2000年6月正式挂牌,前期的工作为满足工程筹建和准备期的需要,与招标阶段有一定的重叠。这一阶段的主要任务是确保设计文件和图纸满足工程建设的需要。在时间紧、任务重、质量要求
高的情况下,设计单位通过实行项目管理提高了工作效率和设计产品的质量,设计图纸满足了洪家渡水电站工程建设要求,为提前发电创造了有利条件。通过本期设计优化、科研和新技术、新材料的应用,节约了大量工程量,且使建设工期又缩短了3个月。另一方面,洪家渡项目部始终把现场服务作为施工图阶段的另一项重要任务,设计主要负责人在工程建设过程中坚守工地,及时处理现场疑难问
题;对重大的技术课题则提前聘请院内外专家到现场进行讨论决策;另外,根据工程建设的需要及时
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《乌江洪家渡水电站利用外资可行性研究报告》第18卷第4期 贵州水力发电 2004年8月
调配各专业设计人员到现场。通过以上措施,现场的技术问题得到有效、快捷的解决,设计人员的业务素质也得到有效培养与提高。
2 大规模设计优化
设计优化是降低工程投资、缩短建设工期的有
效手段,设计单位始终把此作为提高设计质量的重要目标,并贯穿于工程设计全过程。设计优化主要体现在招标设计和施工图设计中。211 招标设计优化
自1992年工程初步设计通过审查后,即开展了招标设计。鉴于工程从初步设计完成到开工前的9年间,国内外水电建设技术又有了长足进步,对峡谷岩溶地区建坝也有了新的认识,再加上很多规程规范已重新修编颁布,为减小工程投资,缩短建设工期,做到“技术先进,经济优越”,从1993年起,贵阳院在初步设计报告审查意见和专家咨询意见的基础上开始了设计优化工作,并在招标设计中始终贯穿该思想;同时将国内外最新先进技术成果融入到设计工作中,对工程枢纽布置及建筑物进行了大规模设计优化。这一时期完成的设计优化成果主要汇集在《乌江洪家渡水电站招标设计优化及调整要点报告(修订本)》中。
本阶段优化主要解决了初步设计中的一些技术难点,截止到2000年10月完成的设计优化工作主要有:a.枢纽布置优化;b.大坝及边坡设计优化;c.防渗工程优化;d.引水发电系统优化;e.开关站优化;f.减小溢洪道规模优化;g.堆石料场优化;h.导流工程优化;i.施工总布置及施工方法调整优化;j.场内外交通优化;k.施工总工期优化。优化成果与初步设计时相比,工程量大大降低,使主体工程投资减少约318亿元、总工期压缩2年。212 施工图设计优化
自2000年开始工程准备和部分主体工程施工后,本着节约投资、方便施工和提前工期的原则,设计单位在施工图设计和施工过程中也开展了大量设计优化。到2002年5月为止完成的优化设计有:a.导流进出口结构优化;b.1号导流洞岩石完整的洞段顶拱改用喷钢纤维衬砌优化;c.溢洪道和泄洪洞防渗线下游岩石洞段顶拱改用喷钢纤维衬砌混凝土优化;d.大坝填筑分区参数调整优化;e.泄洪建筑物出口明挖优化;f.溢洪道进口顺向坡拱形开挖优化;g.岩溶地区特大水工隧洞开挖支护及衬砌形式优化。
洪家渡水电站经过以上2个时期的设计优化,节约了大量投资,缩短了工期,提高了工程技术含・4・
量,取得了巨大的经济效益和社会效益。
3 科学研究与科技攻关
科学研究与科技攻关是解决水电工程设计和施工中关键技术问题的有效手段。设计单位在洪家渡水电站设计中十分重视科学研究和科技攻关,并将这一思想贯穿于设计工作全过程。攻关主要课题来源有国家科技攻关项目、国家电力公司及规划总院重点科研项目、乌江公司科研项目和贵阳院科研项目等。311 国家科技攻关项目
1991年洪家渡左右岸坝肩和泄洪建筑物出口等岩质高边坡列入国家“八五”科技攻关“岩质高边坡稳定分析及处理技术”项目。1995年,《岩质高边坡稳定分析方法和软件系统在洪家渡工程中的应用》报告完成,该研究解决了洪家渡左坝肩岩质高边坡开挖及支护处理设计的问题。“岩质高边坡稳定分析方法和软件系统”获原电力工业部科技成果进步一等奖。312 国家电力公司及规划总院重点科研项目
(1)2000年,由贵阳院和水科院共同承担的峡谷地区高面板堆石坝关键技术应用研究”列入国家电力公司重点科研项目(属工程技术推广应用和技术开发项目),其研究目标是基于之前国家科技攻关的科研成果,以洪家渡面板堆石坝工程为依托,紧密结合工程实际,密切配合工程设计、施工的进度,开展峡谷地区高混凝土面板堆石坝筑坝关键技术的综合应用研究,科研成果直接应用于工程建设中。该项目所列的6项研究子题具有较高的研究起点,既反映了洪家渡工程坝址的典型峡谷地形特征,又是工程实践中极需解决的重大技术难题。研究成果于2002年7月在洪家渡工地通过了乌江公司咨询专家组的审查,同年10月通过了国家电力公司在北京主持的验收。
(2)2001年,“洪家渡水电站面板钢纤维混凝土应用研究”列入规划总院重点科研项目。该项目针对面板混凝土防裂抗裂而进行研究,以提高混凝土耐久性,并可望取消配筋和简化施工,提高面板和周边缝的施工质量,以及解决面板柔性以适应堆石体变形问题,拟在三期部分面板上应用。
(3)2002年,“洪家渡水电站厂房钢管混凝土结构的关键技术研究”列入规划总院重点科研项目。该项目研究改传统钢筋混凝土排架柱为钢—混凝土排架柱、改钢筋混凝土吊车梁为钢吊车梁,以便提前进行桥机安装,为机组和厂顶安装创造必备的条件。313 乌江公司科研项目
2002～2003年,由乌江公司列项由贵阳勘测设
“杨泽艳,等:洪家渡水电站勘测设计过程回顾 2004年第4期
计研究院承担的科研课题有:a.厂房一次浇筑成型新技术应用研究,主要解决厂房快速施工问题;b.大坝堆石体冲碾压实技术研究,主要提高大坝填筑质量和施工速度;c.抗冲耐磨混凝土及面板混凝土研究;d.压力钢管无开孔灌浆关键技术应用研究。314 贵阳院科研项目
(1)1992～2000年,贵阳院列项完成的科研项目主要有:a.导流工程模型试验研究;b.岩体物理力学试验研究;c.坝体应力变形分析计算;d.泄洪系统整体水力学模型和泄洪洞弧形工作门闸室减压模型试验研究。
(2)2001～2003年,由贵阳院列项开展的科研课题有:a.浅埋深高压力钢管应用研究;b.高水头大尺寸闸门关键技术应用研究;c.1号、2号塌滑体有限元分析和处理方案研究;d.附加质量法在堆石坝工程中的应用研究,等等。
(3)2004～2005年,贵阳院拟开展的研究项目有:a.面板水下渗漏测试技术研究(三期面板);b.洪家渡右岸构造缺口勘测及堵漏技术研究;c.岩溶地区特大水工隧洞开挖支护及混凝土衬砌技术研究;d.泄洪隧洞掺气减蚀措施研究;e.等宽连续窄趾板成套技术及面板防裂措施研究;f.大坝面板度汛保护措施研究;g.洪家渡水电站泄洪雾化试验及防治措施研究;h.大坝原型监测及反馈分析研究。
通过以上各层次的科研课题研究及其成果在洪家渡工程中的应用,较好地解决了洪家渡设计、施工中的技术难题,提高了工程的设计质量和科技含量,并取得了节约工程投资和加快施工速度的效益。
4 新技术、新材料的应用
洪家渡水电站列为国家西部大开发“西电东送”首批开工项目后,面临着新的发展机遇和挑战,要求以更快的速度和更高的质量及更低的造价进行建设,为此必须采用新技术、新材料才能得以实现。经论证后,在洪家渡工程中先后采用和推广应用的新技术、新材料多达20余项。411 新技术的应用工程应用的新技术主要有:a.等宽连续窄趾板结构;b.止水与自愈相结合的周边缝止水结构;c.厂房新结构;d.冲碾压实技术;e.大坝纵向位移观测和坝内渗流分测技术;f.附加质量法检测堆石料干密度技术;g.面板“聚丙烯纤维收缩
补偿混凝土+双层配筋+保温保湿养护”防裂抗裂技术;h.坝内陡边坡“垫层料+水泥+少量水”碾压干贫混凝土技术;i.围堰控制性水泥灌浆防渗技术;j.锚杆无损检测技术;k.压力钢管无开孔灌浆技术;l.高水头大尺寸闸门关键技术。412 新材料的应用
洪家渡工程应用的新材料主要有:a.钢纤维;b.聚丙烯纤维;c.中空自钻式锚杆;d.L600低发泡聚乙烯闭孔塑料板;e.高质量GBW遇水膨胀止水条;f.帕斯卡防水材料;g.塑料盲沟材;h.HF高强耐磨粉煤灰混凝土;i.格宾网。
实践证明,新技术、新材料的应用解决了洪家渡多项工程技术难题,使工程建设质量更好、进度更快、投资更省,并为工程建设提供了坚实的技术支撑。
5 结语
洪家渡水电站首台机组已于2004年7月18日发电,全部工程2005年上半年完建。回顾洪家渡水电站的设计与建设过程,有以下特点。
(1)电站设计经历了3个重要历史时期和7个阶段,每个时期的特点不同,各阶段的设计重点与解决的问题也不同。
(2)工程前期和开工等待期都是漫长的,也正因为设计周期较长,相关技术问题研究较为充分,为后期工程的快速建设奠定了坚实的基础。
(3)借鉴国内外已建工程的经验,洪家渡水电站设计进行了大规模优化,由此节约了工程直接投资318亿元,缩短了建设工期2年多,既提高了工程技术含量,也创造了巨大的经济效益和社会效益。
(4)紧密结合工程进行的各层次的科学研究将科研成果运用于洪家渡工程中,较好地解决了工程设计、施工中的技术难题,提高了工程的设计质量和科技含量。
(5)在工程设计与建设中应用新技术、新材料时,作到了深入分析、认真试验、大胆尝试。新技术、新材料的应用提高了工程质量、节省了工程投资、加快了施工速度。
(6)在洪家渡工程设计中积极推行项目管理,极大地激发了设计人员的积极性,不但保证了设计进度和设计质量,而且提高了设计人员的技术水平和实际工作的能力。培养和造就了一批高素质工程设计人才。
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