乌东德水电站地下洞室群创新施工方法与技术

大型水电工程中巨型地下洞室群的开挖、支护施工是技术难点,根据现场实际地质条件和工作环境对地下厂房的开挖及支护工法进行改进、对施工机械进行改良,是保证地下洞室群安全、优质、高效、绿色施工的重要保障。本文针对乌东德水电站大型地下洞室群施工过程中关键工法和技术难题,开展创新研发和攻关,包括:大跨度高边墙开挖施工、超大断面调压室开挖施工、小直径溜渣井式竖井开挖、不良地质段超大断面洞室支护、拔管法接触灌浆施工、洞内压力钢管拼装、多孔深竖井混凝土滑模施工、大型出线竖井施工等。从工艺类型、精细开挖、支护和装备革新技术等方面进行关键创新施工方法和技术总结,研究成果可供同类工程建设参考。

考虑碳排放的地下洞室群施工资源动态均衡优化

在中国“双碳”目标的背景下,持续推进地下洞室群等大型工程施工快速向低碳、绿色方向转型是当前面临的焦点问题。为了保证地下洞室群施工资源合理配置,实现绿色低碳施工,提出了一种衡量施工期碳排放均匀程度的指标“碳熵”,结合“资源熵”作为资源均衡的度量,建立了考虑碳排放和资源配套施工的资源均衡优化模型,并设计了一种内点算法进行求解;在此基础上构建了考虑施工进度延误条件下的资源动态优化流程,以确保发生风险事件后施工资源配置能得到及时优化与调整。乌东德水电站工程实例应用表明:该模型准确有效,可以提高资源总体均衡程度,降低施工期的资源投入峰值和碳排放峰值,从而提高资源配置效率。

乌东德水库库区大坪地滑坡形成机理与稳定性评价

鲹鱼河作为金沙江距离乌东德水电站最近的支流水系,大坪地滑坡是其右岸发育7个滑坡中规模较大的一个,其蓄水之后的稳定性及其后期发展演化趋势对乌东德水电站的安全运行具有重要影响.在野外地质调查研究的基础上,通过岩芯观察和监测资料分析,对大坪地滑坡的形成机理和与稳定性进行了研究评价,结果表明:滑坡位于喇叭口向斜的南翼近核部,为斜顺向坡~顺向坡结构,该向斜的北翼对滑坡的运动起到了控制作用,限制了其向北延伸,并对大坪地滑坡形成侧向挤压.大坪地滑坡类型为一岩质滑坡,目前表现为蠕动变形,受库水影响滑坡前缘累计变形近2 m,特别是在库水位下降阶段,滑坡变形强烈,表明大坪地滑坡具有动水压型岩质滑坡属性.稳定性计算结果表明,大坪地滑坡在库水位下降工况下,处于极限平衡状态.

金沙江下游中华金沙鳅自然繁殖的生态水文需求研究

开展中华金沙鳅的生态需求研究,在此基础上制定有针对性的生态调度方案,为国内外水利水电工程的生态调度提供参考与借鉴。2017-2019年5-7月在金沙江下游巧家断面进行鱼类早期资源调查,分析中华金沙鳅卵苗径流量与同期水温、流量日上涨量、涨水持续时间等生态水文指标之间的响应关系,掌握刺激中华金沙鳅自然繁殖的生态水文指标和水温阈值,在此基础上提出乌东德水电站生态调度运行要求。结果表明:巧家江段中华金沙鳅产卵高峰期为5月下旬至6月中下旬,产卵高峰期起始水温不低于19.0℃;对应的洪峰过程流量日上涨量平均为358 m^(3)/s,涨水持续天数平均为5 d,洪峰过程2~3 d后开始大规模产卵;偏相关分析表明中华金沙鳅卵苗径流量与起始水位呈负相关关系,与水位日上涨量、涨水持续时间呈正相关关系,推荐人造洪峰的起始(3-7月)流量为1160 m^(3)/s,此时对应的乌东德水文站水位为791.1 m。加大流量日增长率以及增加涨水持续时间,可有效促进中华金沙鳅产卵繁殖。

基于InSAR的乌东德水电站库区边坡形变监测及分析

水电站建成投产后,水库水位变化频繁,改变了库岸边坡原有的稳定性,易诱发边坡失稳破坏,从而对水电站的安全运行及周边居民区产生一定安全隐患。为了更好地掌握乌东德水电站蓄水过程中库区边坡的形变情况,通过SBAS-InSAR技术对该区域2020年5月至2022年8月间的升降轨哨兵数据进行解算,获取了研究区的地表形变特征;结合库水位变化情况、SAR数据反演出的边坡土壤含水量后向散射系数,对识别出的5处不稳定区域的形变机理进行分析。结果表明:运用升降轨InSAR可准确识别出库岸边坡的形变情况,研究区最大年平均沉降速率为-92 mm/a;库岸边坡的形变趋势与库水位及土壤含水量后向散射系数变化有着明显的相关性,水库蓄水是致使边坡体加速沉降的主要因素。

乌东德水电站导流洞新型堵头抗剪槽(齿槽)布置优化研究

为了不破坏岩体及预先施工的大坝主帷幕,乌东德水电站导流洞采用了新型直柱形堵头代替传统扩挖楔形堵头,针对此直柱形堵头,采用三维数值模拟手段,通过选取无齿槽、有齿槽两种堵头,对围岩、堵头及二者接触面的应力、变形、塑性区分布特征及其渐进破坏过程进行分析,并对堵头齿槽数量开展敏感性研究。结果表明:直柱形堵头设置齿槽是必要的,且利用齿槽可明显提高封堵体的安全储备;不同齿槽数量堵头的安全系数在3.7~4.6之间,采用4齿槽方案安全系数增加幅度最为明显,当齿槽数量超过8个以后,安全系数增加幅度将明显降低。通过优化提出“前宽后窄、前密后疏”的新型直柱形堵头抗剪槽布置方式。

高坝枢纽移动式尾水集鱼方案设计及试验研究

为减缓水电工程建设对鱼类洄游的阻隔影响,高效安全的过鱼设施是恢复鱼类洄游通道的重要工程措施,尤其高水头水电工程过鱼设施建设是当前生态保护的技术难点。首先通过模型试验和数值模拟计算,对乌东德水电站坝下水流条件进行了研究,再结合鱼类洄游路线及其坝下分布预测,提出了一种新型的移动式尾水集鱼箱,并利用电站尾水的诱鱼效果进行集鱼。试验研究表明:根据电站运行情况开展集鱼工作可实现“多点位、全深度、大流量”集鱼,作为辅助集鱼设施,创新方案能够提升集运鱼系统的集鱼效率。研究成果可为高坝枢纽过鱼设施建设及已建工程增建过鱼设施提供技术参考。

乌东德水电站右岸主厂房7~8号机组上游边墙变形机理分析与加固研究

乌东德水电站右岸主厂房7~8号机组上游边墙高程815.4m处L3施工支洞“炸顶”完成后,相关监测数据反映岩体中部变形急剧加大,7~8号机组部位的变形和锚索应力持续增长,严重影响主厂房结构的稳定性,若不加以处理,将对施工期间人员安全和施工机械构成威胁。为保证乌东德水电站右岸地下厂房洞室群施工期及运行期的整体稳定性,通过模拟计算不同施工开挖方案对围岩变形的影响,对主厂房7~8号机组上游边墙部位快速变形开裂机理进行深入分析,提出并论证加固处理方案。主厂房后续开挖期间的监测结果表明,针对7~8号机组上游边墙的工程加固措施可以有效限制围岩过量变形以及开裂破坏,同时也为类似高边墙地下洞室工程的开挖支护提供了参考依据。

环境边坡安全等级分类方法研究

为更好地评估环境边坡的安全性,通过对环境边坡的相关特征及影响因素进行研究,提出环境边坡的安全等级分类方法,以便为环境边坡的治理、设计和施工提供可靠的依据。该方法综合考虑边坡形态修正系数(依据坡度和坡高取值)和边坡岩土体特征值(由覆盖层特征、岩体基本质量、结构面特征、水文地质条件4个要素组成),采用积差评分模型将环境边坡安全等级分为5类。以乌东德水电站右岸尾水出口环境边坡和石台抽水蓄能电站下水库进出水口环境边坡为例,验证了该方法的有效性。结果表明:乌东德水电站右岸尾水出口环境边坡可能发生大规模的平面或楔形滑动,严重变形或倾倒;石台抽水蓄能电站下水库进出水口环境边坡可能发生小规模的平面滑动或浅层变形。研究成果可用于定性和定量评价环境边坡的安全性。

乌东德水电站坝址区地下水渗流三维非稳定流数值模拟

针对乌东德水电站坝址区水库蓄水后的绕坝渗漏问题及地下水渗流二维和准三维稳定流模型的不足,在充分分析坝址区工程地质和水文地质特征的基础上,概化出乌东德坝址区地下水系统的水文地质概念模型,建立坝址区地下水渗流三维非稳定流数值模型,并采用有限差分法和预处理共轭梯度法对模型进行了求解。在天然工况、有帷幕正常蓄水和无帷幕正常蓄水3种工况坝址区地下水三维渗流场模拟的基础上,根据水均衡原理,计算各种方案枯水期和丰水期坝址区的渗漏量,结果表明,正常蓄水工况下,右岸绕坝渗漏量约为左岸的5.7倍,防渗处理后总渗漏量可减少72.98%,丰水期左、右坝肩和坝基的绕坝渗漏量均较枯水期有所降低。该模型稳定性好,收敛速度快。

乌东德水电站坝基及右岸地下厂房区渗控措施研究

渗流控制措施是乌东德水电站大坝坝基及地下厂房设计的重要内容。针对乌东德水电站工程区复杂的地质条件和渗控措施,建立坝基及右岸地下厂房区三维模型,采用三维有限元渗流场精细求解技术对渗流场进行计算。成果分析表明,防渗帷幕和排水孔幕组成的渗流控制体系对山体地下水位具有控制作用,厂房侧墙位于地下水面以上;灰岩和厚层白云岩顺层面方向渗透性更强时,渗控措施的防渗排水效果更明显,但排水量显著增大。

乌东德水电站左岸进水口边坡岩溶问题分析

乌东德水电站左岸地下电站进水口边坡下游侧与大坝及缆机平台边坡、坝肩边坡相接。在边坡开挖支护过程中揭露到溶洞(缝),导致锚索施工困难,从而引起了各方对溶洞(缝)、溶蚀洼地、强风化角砾岩等岩溶现象可能影响到边坡整体稳定性的担忧。通过研究,溶蚀洼地第四系堆积体外侧为巨厚的Ⅲ1～Ⅲ2级岩体,强风化角砾岩呈囊状发育,周围亦被巨厚的Ⅲ1～Ⅲ2级岩体阻隔,均不影响边坡的整体稳定;坡表与锚索孔揭露的溶洞(缝)未形成连通管道,且溶缝与边坡走向大角度相交,亦不影响边坡的整体稳定。相关成果对边坡岩溶研究方法和类似工程的工程处理措施具有借鉴意义。

乌东德水电站枢纽布置方案研究

乌东德水电站为金沙江下游梯级开发的第1个梯级,工程规模巨大,电站具有河谷狭窄、岸坡陡峻、洪水峰高量大、河床覆盖层深厚、建坝岩体条件好等特点。通过对大坝、泄洪消能、电站厂房等建筑物自身布置以及相互协调关系的全面研究,提出适合坝址区自然条件的枢纽布置方案为:大坝为混凝土双曲拱坝;坝身布置5个表孔和6个中孔泄洪;右岸电站进水口与大坝间布置两条泄洪洞;坝下采用天然水垫塘消能;两岸地下电站均靠山侧布置;导流洞均靠河侧布置;左岸电站尾水隧洞出口布置于围堰下游,两条尾水隧洞与导流洞结合;右岸电站尾水洞出口布置于围堰上游,尾水洞与导流洞不结合。

金坪子滑坡Ⅱ区地质特征与防治对策研究

在简要叙述金坪子滑坡工程背景及分区评价基础上,扼要阐述了Ⅱ区地质背景,系统分析论述了Ⅱ区地质特征及变形特点、失稳方式及工程影响,初步研究表明,在正常情况下,金坪子滑坡Ⅱ区不会对乌东德水电站梯级开发及正常运行构成严重影响。同时基于乌东德水电站工程施工与运行安全考虑,建议对Ⅱ区蠕滑体采用系统排水加抗滑支挡的工程防治措施。

TSP隧道超前地质预报技术及其3D成果研究与应用

水利水电洞室具有规模大、尺寸大的特点,如果开挖隧洞发育大型不良地质(断层破碎带、溶腔、突水突泥等),则更容易引发大型的安全生产事故,而水电隧洞超前地质预报工作相对薄弱,因此开展水电洞室超前地质工作是一种新的应用和研究。首先介绍了TSP技术的发展现状和基本原理,探讨了影响TSP数据采集的几点关键因素;之后,将TSP方法应用到乌东德水电站的泄洪洞和导流洞中,获得了大尺寸工作面水工洞室超前地质预报结果,并绘制出不良地质体3D空间分布成果。该结果与随后施工开挖揭露出的溶洞以及工作面前方存在的导流洞水体分布基本一致,验证了TSP技术在水电水利地下工程中应用的可行性和有效性,具有一定的应用推广意义。

乌东德水电站坝址区河床深厚覆盖层组成与结构地质勘察研究

河床深厚覆盖层勘探取样与试验研究是我国西部水电工程勘察中最常见技术难题之一。金沙江乌东德水电站坝址区河床覆盖层厚度较大、成因多样、组成混杂、结构不均,高围堰与深基坑稳定问题突出。为此,作者所在单位开展了专题研究工作,在勘探取样技术与原位测试方法上进行了探索与创新——为获得原状样而专门研制了单管与双管内筒式锤击取样器,为弥补钻探取样之不足而将可视化技术(如钻孔数字彩电、孔间电磁波CT)与常规物探方法(如地震法勘探、钻孔声波测试)相结合创新性开展原位测试,全面查明了河床覆盖层的组成及结构,开辟了河床深厚覆盖层地质勘察研究的新途径,不仅为河床深厚覆盖层工程特性室内试验研究提供了前提,而且为高围堰与深基坑稳定问题地质分析、工程评价及设计处理提供了充分可靠的地质依据,可为类似工程地质勘察研究所借鉴。

金沙江下游梯级水电站抗震安全分析

2008年5月12日四川汶川发生特大地震,四川省内大中型水电工程均经受住了超标准地震的考验,仅位于震中地区的水电工程不同程度地受到了损坏。根据流域水电开发规划,金沙江下游拟开发建设乌东德、白鹤滩、溪洛度和向家坝四座大型水电站,目前溪洛渡和向家坝水电站已开工建设,乌东德和白鹤滩水电站正处于可行性研究阶段。通过对区域地质背景、工程近场区断层活动性、历史地震活动及坝址区地震危险性分析,认为金沙江下游四座梯级水电站所选定的坝址区域均处于一个地质相对稳定地块,且避开了区域主干断裂和活动断层。通过采用拱梁分载法和有限元分析等方法对拱坝进行静、动力结构计算以及采用刚体极限平衡法对拱坝坝肩进行稳定分析,计算结果表明大坝抗震安全满足国家和行业有关规程规范要求,且具有较高的安全裕度。

深厚覆盖层上土石围堰渗流及边坡稳定性研究

乌东德水电站上游土石围堰填筑于60 m厚的覆盖层上,堰体及基坑开挖后形成了高达150 m的复合边坡。针对围堰采用的塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜的防渗型式,采用有限单元法对其正常运行条件和局部破损情况下的渗流场进行了计算分析,并采用非线性强度参数对各运行条件下的上下游边坡稳定性进行了复核。研究表明,采用塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜的防渗方案是合理的,其防渗效果显著;在各工况下围堰边坡稳定性满足规范要求,围堰断面的安全性可以得到保障。

乌东德水电站金坪子巨型滑坡地质研究

在地质测绘、钻孔与平硐勘探、物探测试、系统测年、岩土试验等大量地质勘察资料的基础上,系统阐述了金坪子滑坡的地质背景、地质分区。查明了金坪子滑坡Ⅳ区为基岩斜坡;滑坡Ⅴ区为古基岩离堆山;滑坡Ⅰ区主体堆积于一呈槽状的侵蚀缓坡上,总体稳定;滑坡Ⅱ区主体为由古冲沟堆积和崩滑构成的堆积体,呈蠕滑状态。在查明Ⅱ区地下水补径排关系的基础上,提出了地下(表)截排水作为滑坡治理的基本方案。滑坡Ⅲ区位于金沙江古河槽中且处于超稳定状态。研究成果为乌东德水电站开发方案的确定和坝址比选提供了翔实的基础资料。

基于RS和GIS的乌东德水电站坝址区土壤侵蚀预测研究

选取乌东德水电站坝区一典型区为试验示范区,以通用土壤流失方程(USLE)为评价模型,运用GIS和RS对各指标因子赋值,对试验区的土壤侵蚀量进行估算与分析。结果表明,试验区平均土壤侵蚀模数为6 088.58 t/(km2.a),属于强度侵蚀。试验区中度以下的侵蚀面积占总面积的57.91%,土壤侵蚀量的贡献率仅为8.85%;而91.15%的侵蚀泥沙来自于面积42.09%的强度侵蚀以上的区域,其中,占11.53%的剧烈侵蚀区域贡献了43.83%的侵蚀泥沙。