猴子巖水電站壩型選擇研究

王 黨 在， 竇 向 賢， 程 鯤 ， 黎 如 雁

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

0 引 言

猴子巖水電站為大渡河干流水電規(guī)劃22級開發(fā)方案的第9個梯級電站，位于四川省丹巴縣城下游約47 km處。電站開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電。電站裝機容量1 700 MW，水庫總庫容7.06億m3，具有季調(diào)節(jié)性能。本工程為一等大(1)型工程，擋水、泄洪、引水及發(fā)電等永久性主要建筑物為1級建筑物。壩址控制流域面積54 036 km2，多年平均流量774 m3/s。1 000年一遇洪水流量7550 m3/s，5000年一遇洪水流量8 570 m3/s，可能最大洪水(PMF)為9 940 m3/s。

1 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)河谷形態(tài)呈較對稱的“V”型河谷，兩岸地形坡高陡峻，枯水期河面寬60 m～65 m，正常蓄水位高程1 842 m處相應(yīng)河面寬265 m，河谷系數(shù)約1.22，屬于典型的狹窄河谷。壩前右岸發(fā)育磨子溝，壩址下游左岸發(fā)育泥洛堆積體。

壩址區(qū)出露地層主要為變質(zhì)碳酸鹽巖、絹云石英白云片巖、泥質(zhì)結(jié)晶白云巖等。壩址區(qū)河床覆蓋層厚度41.2 m～85.5 m，自下而上分為四層：第①層為含漂(塊)卵(碎)砂礫石層，厚度11 m～39 m，結(jié)構(gòu)較密實，透水性強；第②層為粘質(zhì)粉土，在河床中部連續(xù)分布，厚度及分布變化大，厚度為13 m～20 m，顆粒組成以粉粒為主、粘粒次之，未固結(jié)，微透水，為可能液化土層；第③層為含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層，分布于河床中上部，厚度為5.8 m～26 m，結(jié)構(gòu)稍密實，局部有架空現(xiàn)象，透水性較強；第④層為孤漂(塊)卵(碎)砂礫石層，分布于河床上部，厚度3 m～15 m，結(jié)構(gòu)較松散，局部具架空結(jié)構(gòu)，強透水。

壩址區(qū)巖石已不同程度區(qū)域變質(zhì)，層理、片理、層間褶皺及結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。

磨子溝位于壩前右岸，溝口距壩軸線約700 m，主溝長約14 km。磨子溝出口較窄，溝內(nèi)寬敞，平面形態(tài)總體呈一“喇叭”形，谷底總體坡度約為21°，溝谷整體上呈“U”形。溝內(nèi)堆積物較厚，最厚93.35 m，表面鈣質(zhì)膠結(jié)較好，下部透水性較強。磨子溝發(fā)生大規(guī)模泥石流的可能性較小。泥洛堆積體位于壩址下游左岸，坡度下陡上緩，高程2 000 m以下38°～40°；高程2 000 m以上坡度20°～25°。堆積體順河向?qū)挾?80 m～530 m，厚度54.51 m～147 m，體積約為5 800萬m3。泥洛堆積體現(xiàn)狀基本穩(wěn)定～極限穩(wěn)定，穩(wěn)定程度不滿足Ⅰ級邊坡穩(wěn)定的安全要求。

桃花塊石料場位于壩址下游大渡河左岸，距壩址7 km，有用層儲量1 970萬m3。地層巖性為斑狀流紋巖夾少量含絹云母片巖，巖石弱～微風(fēng)化，巖質(zhì)致密堅硬。色龍溝塊石料場位于色龍溝溝口上游側(cè)，距壩址1 km，有用層儲量為459萬m3。地層巖性為泥盆系薄～中厚層狀變質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾絹云鈣質(zhì)石英片巖。桃花塊、色龍溝石料場石料的質(zhì)量滿足作為大壩填筑料及混凝土骨料的要求。

2 壩型方案擬定

樞紐布置方案受壩址下游左岸的泥洛堆積體控制和上游右岸的磨子溝影響。根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，初擬適宜的壩型進(jìn)行初步比較，擬定代表性壩型及相應(yīng)的樞紐布置方案，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟綜合比較最終推薦選定壩型。

2. 1 當(dāng)?shù)夭牧蠅?/p>

當(dāng)?shù)夭牧蠅沃杏谢炷撩姘宥咽瘔?、礫石土心墻堆石壩和瀝青混凝土心墻堆石壩三種壩型可供比選。

2. 1.1 混凝土面板堆石壩

河床壩基第②層粘質(zhì)粉土層承載、抗變形和抗剪強度均較低，存在不均勻變形，對壩坡穩(wěn)定影響較大?？紤]趾板建在覆蓋層上如此規(guī)模的面板堆石壩目前國內(nèi)外缺乏類似工程經(jīng)驗，因此將趾板部位主堆石區(qū)的覆蓋層全部挖除，趾板和主堆石區(qū)建在基巖上，將次堆石建在第①層含漂(塊)卵(碎)砂礫石層上。初擬混凝土面板堆石壩壩型作為當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚拇韷涡椭贿M(jìn)行比較。

2. 1.2 礫石土心墻堆石壩

鑒于深厚覆蓋層上修建高土質(zhì)心墻堆石壩有較成熟的設(shè)計與施工經(jīng)驗，壩址區(qū)附近有儲量豐富、易于開采、質(zhì)量滿足建高壩的礫石土料和堆石料，考慮到本工程的壩高和規(guī)模，擬定礫石土直心墻堆石壩作為當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚拇韷涡椭贿M(jìn)行比較。

2. 1.3 瀝青混凝土心墻堆石壩

壩基河床覆蓋層②層粘質(zhì)粉土層振沖處理方案和挖除方案2個方案對應(yīng)的壩高分別為168 m和219 m，瀝青混凝土心墻最大底寬分別為1.9 m及2.3 m。

由于本工程擋水高度達(dá)142 m，對于修建在覆蓋層上的瀝青混凝土心墻壩方案，壩基需修建兩道防滲墻，需研究兩道防滲墻的間距及施工方式、防滲墻與瀝青心墻的連接形式、沿壩軸向瀝青心墻的基座與兩岸變形協(xié)調(diào)、瀝青心墻可能產(chǎn)生的貫穿上下游方向的裂縫等復(fù)雜的應(yīng)力變形關(guān)鍵技術(shù)問題。另外，本工程瀝青混凝土心墻底寬較大，目前無相應(yīng)的施工設(shè)備可用，由于國外心墻攤鋪機均為專業(yè)施工公司從公路攤鋪機改造，或者自制，沒有形成設(shè)備市場，國內(nèi)無法得到先進(jìn)設(shè)備，且造價昂貴。

本工程瀝青混凝土心墻堆石壩壩高、設(shè)計和施工技術(shù)難度都達(dá)到了國內(nèi)外最高水平，沒有類似工程設(shè)計施工經(jīng)驗可供借鑒。因此，瀝青混凝土心墻堆石壩不參與壩型比較。

2.2 混凝土拱壩

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，在挖除河床覆蓋層后，具有修建拱壩的條件，拱壩壩高226 m。因此，選用混凝土拱壩作為另一種比較壩型。

因此，在進(jìn)行壩型初步比選后，以混凝土面板堆石壩、礫石土心墻堆石壩和混凝土拱壩三種代表壩型進(jìn)行進(jìn)一步壩型比選。

3 壩型比選

3.1 面板堆石壩方案

樞紐主要建筑物由面板堆石壩、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)、水庫放空建筑物和導(dǎo)流建筑物等組成。地下廠房系統(tǒng)布置于右岸的山體中，一條溢洪洞和一條放空洞布置在地下廠房與面板堆石壩之間，兩條泄洪洞、兩條導(dǎo)流洞布置在左岸。右岸泄水建筑物出口布置于泥洛堆積體下游。

3.1.1 面板堆石壩

面板堆石壩按1 000年一遇洪水設(shè)計，按PMF進(jìn)行洪水校核。壩頂高程1 848.00 m，壩頂寬度13.2 m，壩頂長度278.32 m，在壩頂設(shè)置5.7 m高“U”形防浪墻。上游壩坡1∶1.4，下游高程1 713.50 m以上綜合壩坡1∶1.65，下游高程1 713.50 m以下設(shè)置壓重區(qū)，壓重區(qū)坡比分別為1∶1.5和1∶2.0。大壩的主要填筑區(qū)為：棄碴蓋重區(qū)、粘土鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、堆石區(qū)、大塊石護(hù)坡及壩腳壓重區(qū)?；炷撩姘屙敳亢穸?0 cm，底部厚度110 cm。面板設(shè)垂直縫，河床部位垂直縫間距12 m，兩岸垂直縫間距6 m。面板水平向僅設(shè)施工縫，面板鋼筋穿過施工縫，面板分三期澆筑。面板、趾板混凝土等級為C30W12F100。根據(jù)工程地質(zhì)條件及作用水頭，不同高程趾板厚度分別為1.0 m、0.8 m和0.6 m。在左右岸趾板的轉(zhuǎn)折點及斷層破碎帶的兩側(cè)設(shè)置伸縮縫，在周邊縫、垂直縫、面板與防浪墻間水平縫、施工縫等結(jié)構(gòu)縫處設(shè)止水。

壩體過渡料、主堆石料采用桃花溝塊石料場開采料，次堆石料采用部分開挖明挖料及桃花溝塊石料場開采料，墊層料采用洞渣料加工，混凝土骨料考慮采用開挖的洞渣料和明挖料加工，不足部分采用桃花溝料場的塊石料加工，壩腳壓重采用開挖石料中的棄碴填筑。

趾板基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。

3.1.2 泄洪、放空建筑物

樞紐泄洪、放空建筑物由1條洞式溢洪道、2條深孔泄洪洞及1條放空洞組成。

洞式溢洪道最大泄量為3 800.00 m3/s?？刂贫窝呙鏋閃ES型曲線，控制閘尺寸15 m×23 m(寬×高)。泄槽段樁號0+000 m～0+980 m為隧洞段，底坡i=0.015，泄槽斷面為15 m×22 m(寬×高)的城門洞型。樁號0+980 m～1+240 m為明渠陡槽段，底坡i=0.286 3，斷面為15 m×16 m(寬×高)的矩形明渠。出口段挑流消能，挑坎采用直鼻坎型式。

兩條常規(guī)泄洪洞單孔最大泄量為2 995.5 m3/s。兩洞洞軸線間距45 m，1#洞洞線長720.723 m，2#洞洞線長875.319 m。1#洞有壓段洞長372.879 m，坡比i=0.013 41；無壓洞段長317.844 m，坡比i=0.240 98。2#洞有壓段洞長449.478 m，坡比i=0.011 2；無壓洞段長395.841 m，坡比i=0.175 19。隧洞斷面直徑13.5 m。出口均采用挑流消能，1#洞出坎最大流速40.10 m/s，2#洞出坎最大流速38.25 m/s。放空洞兼作中后期導(dǎo)流和蓄水期向下游供水，總長1 196 m，水庫放空率約為89%。

3.1.3 引水發(fā)電建筑物

引水發(fā)電建筑物布置于右岸，采用首部地下廠房，安裝4臺425 MW的水輪發(fā)電機組。采用“單機單管” 引水及“兩機一室一洞”尾水的布置格局。

電站進(jìn)水口采用岸塔式，塔高76 m。4條壓力管道平行布置，管軸線間距31.40 m，管徑為10.5 m，4條壓力管道總長2 501 m。單機設(shè)計引用流量373.00 m3/s，最大引用流量1 492 m3/s，最大流速4.31 m3/s。

3.2 心墻堆石壩方案

心墻堆石壩方案壩軸線距面板壩方案壩軸線83 m，樞紐布置格局同面板壩方案。

礫石土心墻堆石壩最大壩高220 m，壩頂寬度14 m。上游壩坡1∶2.0，下游壩坡1∶1.9，上游壩坡在1 798.00 m高程處設(shè)一5 m寬的馬道，下游壩坡分別在高程1 798.00 m和1 748.00 m各設(shè)一5 m寬的馬道。壩體從內(nèi)到外分為礫石土直心墻、反濾層、過渡層、堆石區(qū)及棄渣壓重區(qū)。在心墻與岸坡、壩基混凝土基座及廊道與心墻的接觸部位填筑高塑性粘土。心墻頂寬6.00 m，上、下游坡度均為1∶0.25，底寬113.50 m。心墻基礎(chǔ)固結(jié)灌漿，大壩基礎(chǔ)及兩岸灌漿平洞帷幕灌漿。壩基處理將心墻、反濾基礎(chǔ)的第②層全部挖除，礫石土心墻座在基巖上。

過渡料、堆石料采用桃花溝料場開采料；反濾料采用桃花溝塊石料人工軋制，壩腳壓重采用開挖棄渣料等填筑。礫石土心墻料采用折洛料場碎礫石土料，寸達(dá)料場作為備用料場；高塑性粘土料采用角壩粘土料場料。

樞紐泄洪、放空建筑物及引水發(fā)電建筑物布置同面板堆石壩方案。

3.3 拱壩方案

混凝土拱壩方案的總體布置格局為：混凝土拱壩+壩身泄洪深孔+左岸泄洪洞+右岸引水發(fā)電建筑物+左岸導(dǎo)流洞。

混凝土拱壩最大壩高226.0 m，頂拱中心線弧長436 m，拱冠頂厚8.0 m，拱冠底厚51.0 m，最大中心角91.45°。拱壩主要建基于新鮮～微風(fēng)化巖體，頂部高程拱端局部區(qū)域利用弱風(fēng)化下限巖體。建基面巖體進(jìn)行全面固結(jié)灌漿，壩基設(shè)置防滲帷幕。

泄洪建筑物采用壩身4深孔+左岸1條泄洪洞聯(lián)合泄洪的方式，深孔閘門尺寸為5.8 m×7.0 m，壩后水墊塘消能，不設(shè)二道壩；泄洪洞為有壓接無壓泄洪洞，工作閘門尺寸為10 m×8.2 m，出口挑流消能。

引水發(fā)電系統(tǒng)布置于右岸，采用壩肩地下廠房。采用“單機單管”供水及“兩機一室一洞”尾水的布置格局。

3.4 壩型方案比較

對初擬的面板堆石壩、土質(zhì)心墻堆石壩及混凝土拱壩壩型及相應(yīng)的樞紐布置方案，從工程地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置、機電及金屬結(jié)構(gòu)、施工條件、施工工期、建設(shè)征地與移民安置、環(huán)境影響、投資等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，確定推薦壩型。

3.4.1 工程地質(zhì)條件

壩基覆蓋層、磨子溝泥石流和泥洛堆積體經(jīng)專門的工程處理后，具備建壩的地形地質(zhì)條件，壩址工程地質(zhì)條件不構(gòu)成壩型選擇的決定性制約因素；從天然建筑材料料源分析，對堆石壩和混凝土拱壩均具有適應(yīng)性。

3.4 .2 樞紐布置條件及建筑物技術(shù)難度

從建壩技術(shù)難度、樞紐布置及泄洪消能條件、地下洞室成洞條件、邊坡處理難度差異等各方面因素分析，三種壩型均是可行的。

3.4 .3 機電及金屬結(jié)構(gòu)

以三種壩型為代表的樞紐布置方案的投資差異很小，不影響壩型選擇。

3.4 .4 施工條件

拱壩方案導(dǎo)流洞較短，磨子溝在基坑之外，無需對磨子溝進(jìn)行工程處理，施工導(dǎo)流風(fēng)險較小。心墻壩方案較拱壩方案多3個土料場，較面板壩方案多2個土料場。場內(nèi)交通方面，心墻壩方案比拱壩方案多修建場內(nèi)道路23.21 km，比面板壩方案多修建場內(nèi)道路17.7 km。面板壩方案和心墻壩方案總工期均為95個月，拱壩方案為107個月。 因此，綜合導(dǎo)流、筑壩材料和料場、施工布置及施工工期等方面，面板壩方案略優(yōu)。

3.4 .5 建設(shè)征地影響

三種壩型方案在建設(shè)征地范圍、實物指標(biāo)和補償投資三方面差別不大，因此建設(shè)征地移民安置不是壩型選擇的制約性因素。

3.4 .6 環(huán)境影響比較

三種壩型方案對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響類似，只是在數(shù)量上有微小的差別，但無本質(zhì)上的區(qū)別。從環(huán)境影響的角度分析，各方案均無重大環(huán)境制約因素。

3.4 .7 工程投資估算

面板壩方案靜態(tài)總投資比心墻壩方案少4.45億元，差值占總投資的2.95%；比拱壩方案少6.86億元，差值占總投資的4.55%。因此，從工程投資方面面板壩最優(yōu)。

綜上所述，從工程地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置、機電及金屬結(jié)構(gòu)、施工條件、施工工期、建設(shè)征地與移民安置、環(huán)境影響、投資等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，混凝土面板堆石壩方案較優(yōu)。因此，推薦混凝土面板堆石壩作為選定壩型。

4 結(jié) 語

壩型選擇是水電站樞紐工程前期設(shè)計工作的主要內(nèi)容之一，合理選擇壩型對于保證工程安全、縮短工期、降低工程投資具有重大意義。大渡河猴子巖水電站通過對以面板堆石壩和土質(zhì)心墻壩為代表的當(dāng)?shù)夭牧蠅畏桨讣耙曰炷凉皦螢榇淼墓皦畏桨高M(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟比較后，推薦混凝土面板堆石壩作為選定壩型。