云南黑龍水電站壩型選擇初探

陸秉山，彭章超

（廣西南寧水利電力設(shè)計院，南寧530001）

1 工程概況

黑龍水電站位于云南省紅河哈尼族彝族自治州綠春縣境內(nèi)，是小黑江干流境內(nèi)規(guī)劃河段的唯一梯級。電站以發(fā)電為主，采用混合開發(fā)方式。樞紐主要建筑物包括攔河大壩、發(fā)電進(jìn)水口、有壓引水隧洞、調(diào)壓井、高壓管道、電站廠房及升壓站等。攔河大壩壩址位于小黑江干流河段上游、渣嗎河與勐曼河的匯合口下游3km處，大壩采用混凝土重力壩，最大壩高132m，壩頂高程574m，壩頂長301m。電站廠房采用地面式，布置李仙江左岸、已建土卡河水電站下游1.7km處的支流臥馬河右岸階地上，廠內(nèi)安裝3臺單機(jī)容量82MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。引水系統(tǒng)布置于小黑江右岸至李仙江左岸之間山體，從地下穿越云南黃連山國家級自然保護(hù)區(qū)的緩沖區(qū)和實驗區(qū)。有壓引水隧洞全長14.02km，采用圓形斷面，洞徑7m。水庫正常蓄水位570m，總庫容3.507億m3，設(shè)計水頭230m，引用流量140m3/s，電站裝機(jī)容量為246MW，多年平均年發(fā)電量11.076億kW·h，屬二等大（2）型工程，主要建筑物大壩、引水系統(tǒng)和電站廠房的建筑物級別均為2級。大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇洪水，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇洪水。工程靜態(tài)總投資30.537億元。

2 水文地質(zhì)條件

攔河大壩壩址以上集雨面積982km2，多年平均流量79.6m3/s，相應(yīng)水位466.23m。500年一遇洪水設(shè)計洪水流量5380m3/s，相應(yīng)水位478.20m；2000年一遇洪水校核，洪水流量6480m3/s，相應(yīng)水位479.40m。

在預(yù)可行性研究階段擬定的上、下兩個壩址相距900m，兩壩址河谷均為基本對稱的“V”型谷，出露基巖為志留系變質(zhì)砂巖、板巖，斷裂構(gòu)造總體不發(fā)育，上壩址河谷較寬，兩岸風(fēng)化、卸荷相對較深，發(fā)育有傾倒變形體，下壩址河谷較窄，兩岸巖體風(fēng)化、卸荷較淺，左岸分布有崩塌堆積體、近壩左岸發(fā)育泥石流溝谷。總體上，兩壩址工程地質(zhì)條件差異不大，均具備修建高壩的地形地質(zhì)條件。但下壩址首部樞紐右岸涉及云南連山國家級自然保護(hù)區(qū)的緩沖區(qū)，按《自然保護(hù)區(qū)條例》規(guī)定，保護(hù)區(qū)調(diào)整前方案不可行，而上壩址首部樞紐右岸僅涉及實驗區(qū)，按《自然保護(hù)區(qū)條例》規(guī)定，方案可行。通過對兩壩址地形、地質(zhì)、自然保護(hù)區(qū)限制、庫容及調(diào)節(jié)性能、移民和環(huán)境投資、交通條件、施工條件、投資造價、工程效益等方面綜合分析評價，本階段初選上壩址為代表性壩址。

上壩址右岸為黃連山自然保護(hù)區(qū)的實驗區(qū)，左岸不屬于黃連山自然保護(hù)區(qū)范圍。壩址河道順直，河谷呈狹窄“V”形，兩岸山體雄厚，邊坡完整，但地形不對稱，左岸較陡，右岸較緩，河床沖積層厚約11.0～15.0m，出露基巖為中厚層夾薄層板巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等，巖層陡傾上游，為橫向谷，巖層產(chǎn)狀穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡單，無較大規(guī)模的斷層發(fā)育，但兩岸巖體風(fēng)化、卸荷較深，局部岸坡覆蓋層較厚。河床部位基本無強(qiáng)風(fēng)化巖體，壩肩強(qiáng)風(fēng)化巖體厚度較大，自然邊坡高陡，存在邊坡穩(wěn)定、壩基（肩）抗滑穩(wěn)定等問題，需采取相應(yīng)的工程處理措施。大壩壩基面置于微風(fēng)化、弱風(fēng)化下部巖層上，基巖屬中等堅硬Ⅲ類巖（飽和抗壓強(qiáng)度為32 ～38MPa，VP=2200 ～6200m/s，KV=0.44～1.10，變形模量5.7～7.0GPa），巖體物理力學(xué)性質(zhì)基本滿足壩基壩肩設(shè)計要求。壩址總體具備修建高壩的地形地質(zhì)條件。

工程所在地天然砂石料缺乏，所需砂石料主要采用人工砂石料。壩址附近主要為板巖和泥巖，強(qiáng)度低，且開采后多成薄片狀，不能用作混凝土骨料，距壩址約17km處有石料可開采，質(zhì)量和儲量均能滿足工程需求，巖性為花崗巖。

3 壩型比選

3.1 壩型比選方案

黑龍水電站工程壩址以上河流洪水多為暴雨形成，由于流域區(qū)屬暴雨中心，山高坡陡，洪水匯流速度快，具有洪水量大且暴漲暴落的山區(qū)河流特點。而本工程水庫滯洪庫容較小，削峰能力較弱。因此，壩體泄洪問題是影響壩型選擇的主要因素之一。

壩址區(qū)河谷狹窄，兩岸山體雄厚，邊坡高陡，從地形上分析比較合適布置重力壩和拱壩，這兩種壩形可較好地解決汛期大量洪水沿原河道通過壩體泄向下游。

因兩岸山坡地形不對稱，上覆殘坡積層厚度相對較大，基巖屬中等堅硬Ⅲ類巖類，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度及變形模量均較低，兩壩肩強(qiáng)風(fēng)化巖體較厚，弱卸荷深度較大，且兩岸壩肩上下部均分布有部分巖石傾倒變形體。有關(guān)研究認(rèn)為，對于拱壩壩基變形模量應(yīng)不小1/4混凝土彈性模量，本工程壩高在130m左右，巖體強(qiáng)度與應(yīng)力比僅在5左右，部分巖體的變形模量低，顯然不太適宜建拱壩。

壩址區(qū)河谷狹窄，兩岸山體雄厚，邊坡高陡，也不具備設(shè)置其他岸邊式泄洪建筑物的特殊地形地質(zhì)條件，再者壩址附近沒有土料料源，不適合建土壩；如采用混凝土面板堆石壩作為擋水建筑物，需考慮布置泄洪洞，因高壩土石方工程量很大，但壩址附近巖石均為中厚層夾薄層板巖等，巖質(zhì)強(qiáng)度較低，開采后多成薄片狀，無法作為壩體填筑堆石材料使用，且可選花崗巖料源運距較遠(yuǎn)，因此雖然混凝土面板堆石壩存在泄洪建筑物布置困難、壩體填筑工程量很大、施工困難及填筑堆石料源遠(yuǎn)等問題，但本階段仍推薦混凝土面板堆石壩作為當(dāng)?shù)夭牧蠅螀⑴c壩型比選。

對于高重力壩，適合壩型有常態(tài)混凝土重力壩和碾壓混凝土重力壩，考慮碾壓混凝土重力壩雖然對施工隊伍和施工設(shè)備要求較高，且碾壓混凝土層面結(jié)合處易成為滲水的薄弱層面，但其具有施工進(jìn)度快、水化溫升較低和溫控簡單、投資較小等優(yōu)點。碾壓混凝土重力壩方案較優(yōu)，比較適宜本工程。因此，本階段推薦碾壓混凝土重力壩作為重力壩參與壩型比選。

綜上所述，從河谷的形狀、地形地質(zhì)條件及無土料料源條件來分析，壩址不具備修建拱壩及土壩的條件，故本階段初選碾壓混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩兩種壩型進(jìn)行壩型比較。

3.1.1 碾壓混凝土重力壩樞紐布置方案

樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、泄洪消能建筑物及右岸引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。重力壩壩頂高程574.00m，最大壩高132.00m，壩頂長301m，其中河床部位布置溢流壩段，兩岸布置非溢流壩段，溢流壩段長55m，非溢流壩段長246m。泄洪建筑物布置在河床壩段，擬采用3個溢流表孔和2個泄洪中孔聯(lián)合泄洪方案，大壩泄水建筑物采用寬尾墩—中孔跌流—消力池聯(lián)合消能方式。溢流表孔為開敞式WES堰，堰頂高程557.00m，孔口尺寸9m×13m；泄洪中孔為有壓孔，進(jìn)出口底坎高程506.00m，進(jìn)口孔口尺寸4m×8m。為了滿足水庫放空及施工期導(dǎo)流要求，擬在右岸非溢流壩段布置一孔導(dǎo)流放空底孔，底孔進(jìn)出口底坎高程478.00m，進(jìn)口孔尺寸2m×3.5m。壩體非溢流壩段下游壩坡1∶0.8，上游面為高程487m以上鉛直面，高程487m以下為1∶0.2斜坡面。非溢壩段壩體C15碾壓混凝土，上游面572.00m高程和下游面480.00m高程以下外包C20碾壓混凝土防滲面板。溢流壩段壩體C15碾壓混凝土重力壩，上、下游面C20碾壓混凝土防滲面板，下游防滲面板外包C35抗沖磨混凝土溢流面。

引水發(fā)電系統(tǒng)初擬采用右岸尾部開發(fā)方案，主要由發(fā)電進(jìn)水口、有壓引水隧洞、調(diào)壓井、高壓管道、發(fā)電廠房及尾水渠等建筑物組成。

3.1.2 混凝土面板堆石壩樞紐布置方案

樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、兩岸泄洪消能建筑物及右岸引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。混凝土面板堆石壩建筑物級別為1級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期500年一遇，相應(yīng)洪峰流量5380m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期5000年一遇，相應(yīng)洪峰流量7120m3/s。

混凝土面板堆石壩壩頂高程577.30m，最大壩高127.3m，壩頂長度270m。上游壩坡坡比1∶1.4，下游壩坡考慮上壩公路的綜合坡比1∶1.56。壩體斷面材料主要分為墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、下游拋石區(qū)，以及在面板上游下部設(shè)上游粘土鋪蓋區(qū)和石渣蓋重區(qū)。由于上壩址附近無天然埡口，且兩岸山體陡峻，沒有條件布置開敞式岸邊溢洪道，只能采用隧洞泄洪。因此，在左右兩岸各布置一條泄洪洞，進(jìn)口高程530m，洞寬12m，洞高15m；在右岸布置一條泄洪放空洞，泄洪放空洞由導(dǎo)流隧洞改建而成。

引水發(fā)電系統(tǒng)初擬采用右岸尾部開發(fā)方案，主要由發(fā)電進(jìn)水口、有壓引水隧洞、調(diào)壓井、高壓管道、發(fā)電廠房及尾水渠等建筑物組成。

3.2 壩型比選及初擬代表性壩型

碾壓混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩兩種壩型的優(yōu)缺點分析和綜合比較詳見表1。綜合比較認(rèn)為：

表1 黑龍水電站壩型技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較

（1）地形地質(zhì)條件。壩址區(qū)河谷狹窄，兩岸山體雄厚，邊坡高陡。基巖屬中等堅硬Ⅲ類巖類，巖石飽和抗壓強(qiáng)度及變形模量較低。從地形地質(zhì)條件看，比較適合修建碾壓混凝土重力壩。雖然混凝土面板堆石壩對地基地質(zhì)條件的要求比重力壩要低，但從地形條件看，壩址區(qū)不具備設(shè)置其他岸邊式泄洪建筑物的特殊地形條件，只能設(shè)置泄洪洞作為泄水建筑物，因此，高陡狹窄的地形對修建混凝土重力壩較混凝土面板堆石壩有利。

（2）樞紐布置條件。碾壓混凝土重力壩壩身可自設(shè)泄洪建筑物，布置相對簡單、集中，但由于泄水挑距較近和原河床底寬較窄，碾壓混凝土重力壩下游需布置泄洪消能防沖設(shè)施。混凝土面板堆石壩需要另外修建泄洪洞作為泄水建筑物，由于下泄流量較大，需修建2個斷面較大的泄洪洞，才能滿足泄洪要求，因此泄水建筑物工程量增加較大，消能防沖建筑物距離下游壩腳較遠(yuǎn)，不會危及主壩安全。同時，混凝土面板堆石壩的設(shè)計、校核、導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模比混凝土重力壩高，加大了整個工程的工程量。

（3）筑壩材料條件。工程區(qū)對外交通條件相對較好，對于混凝土重力壩，其需要的水泥和摻和料外購運輸較方便，工程所需人工骨料用量相對較少，當(dāng)?shù)貕K石料質(zhì)量儲量均能滿足要求，較適宜修建混凝土重力壩。對于混凝土面板堆石壩，所需壩體堆石料工程量很大，但由于壩址附近巖石均為中厚層夾薄層板巖等，巖質(zhì)強(qiáng)度較低，開采后多成薄片狀，無法作為壩體填筑堆石材料使用，且可選花崗巖料源運距較遠(yuǎn)，其儲量難以滿足要求，同時混凝土面板堆石壩粘土鋪蓋工程量較大，壩址附近無粘土料源，所需粘土需到更遠(yuǎn)的土料場開采運輸。作為當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚奶钪牧喜荒芫偷厝〔模\距較遠(yuǎn)，勢必增加工程造價，因此，從筑壩材料看，當(dāng)?shù)夭牧系馁|(zhì)量、儲量及分布顯然不利于修建混凝土面板堆石壩。

（4）施工條件。壩址區(qū)地形狹窄，施工場地有限。碾壓混凝土重力壩，集中布置，方便施工，且壩身能過水，施工導(dǎo)流、度汛標(biāo)準(zhǔn)相對較低，導(dǎo)流工程投資相對較小。混凝土面板堆石壩方案壩體與泄洪洞施工干擾大，施工布置困難，且壩身不能過水，施工導(dǎo)流、度汛標(biāo)準(zhǔn)高，難度大，工程量較大，導(dǎo)流工程投資相對較大。

（5）運行條件。碾壓混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩均設(shè)置了泄洪系統(tǒng)。但混凝土面板堆石壩存在水庫漫頂會產(chǎn)生潰壩的危險。因此，混凝土面板堆石壩對泄洪建筑物的安全運行要求較碾壓混凝土重力壩要求高。

（6）工程投資條件。碾壓混凝土重力壩壩基開挖和地基處理工程量較大，但壩體工程量不大。混凝土面板堆石壩雖然壩基開挖和地基處理工程量較小，但壩體填筑工程量很大，且不能就地取材，材料運距遠(yuǎn)，材料費用較高。經(jīng)估算，碾壓混凝土重力壩造價7.28億元；混凝土面板堆石壩造價7.65億元。從工程投資看，混凝土面板堆石壩造價較高，但如果再考慮因施工導(dǎo)流增加的投資，混凝土面板堆石壩造價還會更高。碾壓混凝土重力壩造價較小，方案較優(yōu)。

（7）對項目總工期的影響。由于引水隧洞很長，項目總工期和第1臺機(jī)組發(fā)電的時間主要由引水隧洞施工進(jìn)度控制，兩方案攔河大壩的施工進(jìn)度對總工期影響不大。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，認(rèn)為綜合條件不太適合建混凝土面板堆石壩，而建碾壓混凝土重力壩方案比較適合。因此，為節(jié)省投資、加快施工進(jìn)度，本工程初擬碾壓混凝土重力壩為代表性壩型。

4 結(jié)論和建議

碾壓混凝土壩既具有混凝土體積小、強(qiáng)度高、防滲性能好、壩身可溢流等特點，又具有土石壩施工程序簡單、快速、經(jīng)濟(jì)、可使用大型通用機(jī)械的優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。在預(yù)可行性研究階段，黑龍水電站壩址比選因受黃連山自然保護(hù)區(qū)的制約，只能初選下壩址為代表性壩址，經(jīng)綜合比較初擬碾壓混凝土重力壩為代表性壩型。在下階段，由于黃連山自然保護(hù)區(qū)的功能區(qū)劃調(diào)整獲得國家批準(zhǔn)，壩址及壩型比選不受此制約，因此，下階段應(yīng)重點研究壩址及壩型比選，建議在上壩址采用混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩兩方案進(jìn)行比選，選定上壩址代表性壩型及相應(yīng)樞紐布置方案；在下壩址采用混凝土拱壩和混凝土重力壩兩方案進(jìn)行比選，選定下壩址代表性壩型及相應(yīng)樞紐布置方案；然后通過上、下壩址代表性壩型及其樞紐布置方案比選，最終選擇合理可行的壩型。

［1］廣西南寧水利電力設(shè)計院.云南黑龍水電站工程預(yù)可行性研究報告［R］.

［2］DL/T5005—1992，碾壓混凝土壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］DL5108—1999，混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］DL/T5016—1999，混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］張光斗，王光綸.水工建筑物［M］.北京：水利電力出版社，1994.

［6］華北水利學(xué)院主編.水工設(shè)計手冊（第5卷）［K］.北京：水利電力出版社，1989.

［7］能源部、水利部碾壓混凝土筑壩推廣領(lǐng)導(dǎo)小組.碾壓混凝土筑壩設(shè)計與施工［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1990.

［8］于忠政，雷興順.大朝山水電站碾壓混凝土重力壩設(shè)計［J］.水力發(fā)電，1998（9）:36-39.