小中甸水利樞紐壩型選擇

林 飛

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

小中甸水利樞紐位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉縣小中甸鎮的碩多崗河上，是云南省批復的《碩多崗河水電開發規劃報告》中流域梯級開發的龍頭工程，也是碩多崗河綜合治理開發的關鍵工程。水庫總庫容1.55億m3，最大壩高52.7m，水電站裝機容量18MW，為Ⅱ等大（II）型工程。主要建筑物為碾壓混凝土重力主壩、副壩、發電引水隧洞、電站廠房、對外公路、上壩及進場公路。工程對促進迪慶州少數民族地區的經濟社會發展、改善生態環境及穩定藏區社會安定具有重要的作用，并可為碩多崗河的梯級開發和水資源綜合利用創造條件，具有較好的社會和環境效益。

本工程任務以發電、生態環境保護為主，結合防洪、灌溉和城鄉供水等綜合利用。工程施工總工期30個月，按2009年四季度價格水平估算，工程靜態總投資75 892萬元。

2 水文地質條件

2.1 水文概況

碩多崗河為金沙江左岸的一級支流，發源于香格里拉縣城東北約30 km的楚力措。河流自北流向東南，于下橋頭下游3.2 km處匯入金沙江。河流全長153.2 km，流域面積1 966 km2。河系呈羽狀分布，右岸支流較多，但源頭短，河長一般在14 km以內。

流域內立體氣候極為明顯，上游氣候嚴寒，年平均氣溫為5.4℃，最低月平均氣溫-2.4℃，最高月平均氣溫13.7℃，歷年最大風速14.7m/s，歷年平均風速2.3m/s，平均相對濕度71%。下游河谷地區，春秋兩季氣候溫和，夏季炎熱，冬季不積雪，最高氣溫可達30℃以上，最低氣溫約-15℃左右。

降水分布不均勻，中游區降水量較多，據小中甸站和土官站實測資料統計，多年平均年降水量為890.2 mm和937.4 mm；上下游區降水量偏少，年內分配亦不均勻，6～9月降水量約占年降水總量的70%。平均年降水日數146天，暴雨強度不大。

2.2 壩區地質條件

壩區位于小中甸村旦草橋下游峽谷河段，峽谷長約 320m，呈不對稱的“V”字型，右岸坡度 20°～45°，左岸坡度 40°～66°，局部近直立。河流流向為S70°E，枯水期河水面寬（5～22）m，河水面高程（3 174～3 190.3）m，水深（2～6）m。 左側分布一基巖埡口，底部高程（3 190～3 221.3）m。 碩多崗河、舍池河與埡口之間為一孤立山包。壩址階地不發育，僅在左岸及基巖埡口兩側見Ⅲ、Ⅳ級階地零星分布。

壩址基巖為二疊系上統下段巖層，第四系地層主要有：沖積層、沖坡積層、殘坡積層和滑坡堆積層以及沖積、洪積、冰磧混合堆積層。

二疊系上統下段為玄武巖夾灰巖。玄武巖呈深灰、灰綠色，局部具角礫結構，杏仁、氣孔構造，部分礦物有輕度蝕變現象，受區域動力變質作用影響，巖石內隱微裂隙發育，局部片理化，分布于壩址兩岸；灰巖呈灰、灰白色，粉晶、細晶及微晶結構，中厚層狀，受區域動力變質作用影響，巖石內隱微裂隙發育，錘擊清脆易碎，鉆孔巖芯多呈碎塊狀、短柱狀，分布于壩址右岸及左岸局部壩肩，厚約（45～55）m。壩址區灰巖巖層走向 N55～70°W、傾向 SW、傾角 20°～58°。

巖層走向與河流近于平行，傾向右岸。壩址區共發現有14條小斷層，節理裂隙比較發育。壩基持力層為玄武巖夾灰巖，灰巖分布于右岸壩肩大部分及左岸壩肩局部。壩址區主要的物理地質現象有溶蝕、滑坡及風化三種類型。

地震烈度為Ⅶ度。

3 壩型選擇

3.1 當地材料壩方案（方案1）

壩址附近的陵園料場礫石料儲藏豐富，開采方便，運距短，為修建堆石壩提供了大量廉價建筑材料。因右岸灰巖條帶地質條件相對較差，土石壩對地基變形適應性較好，可大大減少壩基開挖和基礎處理工程量，在該壩址修建當地材料的土石壩條件較優越。

（1）初選壩型。

均質壩由于大壩下游壩腳距廠房間距僅有11.0 m（心墻壩該距離增加到33m），既不方便布置大壩下游的滲漏量觀測系統，也會對大壩和廠房的運行管理不利，雖工程投資可省374萬元，考慮改善下游壩殼的排水條件，仍以粘土心墻堆石壩較好。

瀝青混凝土心墻堆石壩工程投資比粘土心墻堆石壩少254萬元，但粘土心墻填筑施工較瀝青混凝土心墻施工方便、簡單，不需澆制瀝青及拌制澆筑瀝青混凝土等工序，對環境的污染也小。粘土心墻壩施工經驗、已建數量、運行管理水平均強于瀝青混凝土心墻壩，也較易于修復。從環境保護和施工條件等方面相比，粘土心墻堆石壩較優。

從經濟上看，心墻堆石壩的投資要明顯小于斜墻堆石壩的投資，且其抗震能力要較斜墻堆石壩強。雖斜墻堆石壩施工干擾相對較小，但大壩整體填筑量不大，從抗震和投資等方面相比，粘土心墻堆石壩較優。

如選擇面板堆石壩，長320m的峽谷和風化極深的壩肩，趾板布置比較困難（壩軸線以上，布置趾板的河谷長度較短），右岸趾板基本位于灰巖內，與其走向斜交，趾板受灰巖溶蝕帶影響范圍大，基礎處理工程量較大，不確定因素多，不宜選擇面板堆石壩。

綜合上述分析，在當地材料壩比選中，以礫質粘土心墻堆石壩作代表壩型。

（2）礫質粘土心墻堆石壩工程布置。

大壩座落在二迭系上統，下部巖層為玄武巖或石灰巖，建基面高程3 185.50m，壩頂高程為3 241.5 m，最大壩高56.0m。主壩壩體設計分5個區：Ⅰ區為粘土心墻料區；Ⅱ區為心墻前反濾料和心墻后第一層反濾料區；Ⅲ區為心墻后第二層反濾料區；Ⅳ區為上游壩殼料區；Ⅴ區為下游壩殼料區。副壩位于碩多崗河與舍池河之間的基巖埡口處，為直心墻堆石壩，其工程等級和防洪標準與主壩一致，壩頂總長85.0m，右岸與開敞式溢洪道相連。

泄洪洞布置在左岸山體外側，隧洞圍巖為弱、微風化的玄武巖，進口高程3 192.00m，洞長294.885 m，有壓洞為圓洞，洞徑4.0m；無壓洞為城門洞型，高4.6m，底寬3.5m，前期兼作施工導流，進口設事故檢修閘門，弧型工作閘門則布置在隧洞中部。

溢洪道布置在原古河道右岸的III級階地上，由引渠段，溢流堰段和泄槽段組成，因溢洪道只在超過設計洪水位才使用，所以在結構上按簡易設計。

發電引水洞上游軸線與導流洞軸線平行，軸線中心距15m。發電引水洞與導流洞共用進口引渠。總長315.311m，進水口形式為塔式，底高程3205.0m，斷面為圓形，內徑3.7m，襯砌厚為0.5m，不設調壓井。

廠房布置在大壩下游距壩腳約195m的峽谷出口，裝機容量2×7.5MW，水輪機安裝高程3 173.30 m，開關站布置在廠房后，平面尺寸29m×42m。廠房基礎位于玄武巖弱風化中部，無大的不良地質構造。

3.2 混凝土重力壩方案（方案2）

（1）混凝土重力壩初選壩型。

原昆明設計院可研、初設和長江設計院項目建議書階段均否定了混凝土壩型，其主要原因是壩肩巖體風化較強烈，特別是右岸的灰巖溶蝕和滑坡，強風化下帶埋深達（40～70）m，壩基開挖和基礎處理的工程量較大，且壩體所需的水泥等建筑材料必須全部外運，工程建設費用較高。而壩址附近的陵園料場礫石料儲藏豐富，開采方便，運距短，且堆石壩對地基變形適應性較好，可大大減少壩基的開挖和基礎處理工程量，施工簡單、方便，工程費用低，因此綜合分析，在該壩址修建堆石壩要優于混凝土壩。

2008年8月湖南省水利水電勘測設計研究總院開始小中甸可研地勘工作，在分析研究歷來所做地勘工作基礎上，分別在左岸補充Z41、Z42鉆孔，在右岸補充Z39、Z40鉆孔，特別是針對右岸灰巖條帶進行了專門的研究，劃分出了溶蝕帶規模和灰巖本身的強弱風化界限。從整體來看，地勘成果與以前資料出入不大，針對右岸灰巖層，經對比分析，其強、弱風化的界限顯著提高，對本工程52.7m壩高而言，使混凝土重力壩成為可能。

混凝土壩常見壩型有混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩和混凝土拱壩。因該處地形為不對稱的“V”型河谷，巖體風化較強烈，右岸風化較深且存在順層溶蝕，左岸山體單薄，因此不宜選擇混凝土拱壩。

該工程最大壩高約為52.7m，屬中低壩，混凝土重力壩對基礎要求相對較低，河床及左岸地基對這樣規模的重力壩比較合適。右岸灰巖條帶影響處，壩高已低于40m，經過基礎處理，地基穩定應力和防滲均可滿足規范要求。設計施工較簡單，混凝土壩需要水泥、鋼材等材料較多，且都需要外運，造價比土石壩有所增加。

在混凝土壩型比選中，因建川水泥廠已建成投產，運距約為180 km，可生產符合要求的大壩水泥，砂石骨料可由昌都學石料場開采，運距2.7km，儲量豐富。

（2）混凝土重力壩工程布置。

溢流壩位于主河槽處，根據水力學計算，采用1孔10m×8.0m（寬×高）表孔泄流即可滿足要求。壩頂總長度142 m，防浪墻頂高程3238.2m，公路高程3 237.0m，壩頂寬度 7.0m，大壩上游邊坡 1∶0.2，下游邊坡1∶0.75。大壩座落在二迭系上統，下部巖層為玄武巖，河床段無強風化出露，建基面高程3 185.5m。右岸灰巖條帶的溶蝕帶，采用混凝土塞刻槽加固，并全斷面采用固結灌漿加固處理。

廠房布置在大壩下游距壩腳約210m的峽谷出口左岸，裝機容量2×9.0MW，主廠房平面尺寸39.80 m×14.90m（含安裝場），副廠房平面尺寸39.80m×10.20m。運行層平面高程3177.50m，水輪機安裝高程3170.00m。GIS布置在安裝場左側，平面尺寸25.1m×9.2m。

3.3 壩型比較

壩型綜合比較見附表。

附表 壩型綜合比較表

經上述多方面比較分析可見，兩壩型各有利弊，心墻壩主要受土料含水率和天氣影響，填筑質量和施工受影響較大，峽谷河段心墻存在拱效應。混凝土重力壩盡管工程投資增加近636.8萬元，但在水能利用方面占有優勢，年發電量可增加385萬kW·h；而且在樞紐布置、施工場地、施工工期、環境影響、后期運行管理等方面均占優勢。混凝土重力壩壩頂高程可降低2.8 m，校核洪水由2 000年一遇降低至1 000年一遇，重力壩方案泄洪安全度增大，整個樞紐特別是廠區布置可大為改善。雖工程造價相對較高，土建投資增幅7.0%，但技術難度小，方案更可靠。經綜合比較后推薦混凝土重力壩方案。

4 經驗總結

壩型選擇應緊密結合樞紐總布置進行，小中甸水利樞紐時間跨度大，經歷多次不同部門設計審查，根據當地地形、地質及建材等情況，基本認定了礫質土心墻砂礫石壩，該方案最大缺點是心墻施工受天氣影響大；樞紐布置不暢：左岸兩條隧洞及廠房相距太近，為避免泄洪時對電站運行的影響，只能將泄洪洞置于廠房下游，這樣使得廠房布置于壩腳峽谷河床，帶來高邊坡開挖、尾水及進廠交通不暢，減少了水頭利用。

在總結吸收歷次各單位設計成果及審查意見的基礎上，綜合考慮該樞紐工程實際，大膽提出主壩壩型改變的設想，其焦點就是在右岸灰巖溶蝕條帶的具體情況上認識存在分歧，通過進一步的地勘工作，對其分布及特性有了更進一步的認識，對該處最大壩高52.7m，灰巖條帶處壩高僅40.0m而言，修建混凝土重力壩的風險是可控的，建川水泥廠建成使外運距離大為減少，雖投資有所增加，但樞紐布置大為改善，電站水頭增加3.5m，特別是該工程處于三江源保護區邊緣，生態較脆弱，破壞大量植被的當地材料壩方案雖整體造價稍低，但其帶來的生態影響不容小視。

推薦混凝土重力壩方案，降低工程難度，改變泄洪方式，改善樞紐布置，增加發電水頭，降低環境破壞，方便運行管理，不失為該工程設計的一大亮點。目前該工程正在緊張施工中，預計2014年7月首臺機組發電。