白鶴灘水電站建設(shè)中的幾個重點難題

陳 浩，王 瑋，歐陽秋平

（中國三峽建設(shè)管理有限公司白鶴灘工程建設(shè)部，615421，寧南）

一、工程概況

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的第二個梯級電站。電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪，并有攔沙、發(fā)展庫區(qū)航運和改善下游通航條件等綜合效益，是西電東送骨干電源點之一。工程為Ⅰ等大（1）型工程，樞紐工程由攔河壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m，壩下設(shè)水墊塘和二道壩。地下廠房對稱布置在左、右兩岸，廠房內(nèi)各安裝8臺單機容量為1000 MW水輪發(fā)電機組。電站建成后將僅次于三峽水電站成為世界第二大水電站。

二、樞紐工程特點

1.拱壩工程

白鶴灘攔河壩采用橢圓線形混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高28 m，壩頂寬度14 m，拱冠梁底厚度63 m，壩頂中心線弧長709 m，弧高比2.453，厚高比0.218，拱端最大厚度85.45 m，最大中心角97.09°。壩體混凝土方量為810萬m3。白鶴灘高拱壩有以下幾個特點：

①拱壩承受的水推力巨大。白鶴灘拱壩壩高289 m，為世界第三高的混凝土雙曲拱壩；總水推力1650萬t，世界第二，次于小灣1700萬t。

②地震地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。工程及附近區(qū)域雖然不屬于強地震區(qū)，但被強地震發(fā)生帶包圍。壩址區(qū)地震危險性來自外圍強震影響。汶川地震后，國家高度重視工程和水庫抗震安全問題，頒布了一批行業(yè)規(guī)范和國家規(guī)范，對工程抗震設(shè)計問題提出了新要求。經(jīng)國家地震局復(fù)核，壩址區(qū)地震基本烈度按50年超越概率10%的地震動參數(shù)確定，為Ⅷ度。取工程基準(zhǔn)期100年超越概率2%的基巖設(shè)計地震動水平峰值加速度451 gal為設(shè)計地震動參數(shù)，取工程基準(zhǔn)期100年超越概率1%的基巖設(shè)計地震動水平峰值加速度534 gal為校核地震動參數(shù)，屬300 m級高壩抗震參數(shù)世界第一。

③施工技術(shù)綜合難度世界之最。白鶴灘拱壩右岸邊坡最大開挖高差約700 m，開挖錨固工程量巨大。由于河谷深切，地形陡峻，施工出渣道路布置困難。拱壩混凝土澆筑總量810萬m3，混凝土施工具有澆筑倉面大，澆筑強度高，高峰期持續(xù)時間長和施工干擾大（壩身孔洞、廊道多，金屬結(jié)構(gòu)、抗震鋼筋量大），施工大風(fēng)影響突出等特點。

2.泄洪消能工程

白鶴灘水電站泄水建筑物按1000年一遇洪水設(shè)計，10000年一遇洪水校核。泄洪消能布置采用壩身表孔、深孔和岸邊泄洪洞聯(lián)合泄洪的方式。壩身泄洪消能設(shè)施由壩身6個表孔（14.0m×15.0m）、7 個深孔（5.5m×8.0m）及壩體下游長約400 m水墊塘、二道壩組成；壩外泄洪消能設(shè)施由左岸3條無壓泄洪直洞（15.0 m×9.5 m）組成。壩身最大泄量約30000m3/s，泄洪洞單洞泄洪規(guī)模約4000 m3/s。泄洪消能特點有：

①泄洪功率世界第三。壩址洪水峰高量大，經(jīng)水庫調(diào)蓄削峰后最大下泄流量仍達42356 m3/s，泄洪功率高達90000 MW，泄洪功率僅次于三峽和溪洛渡工程。其“巨泄量、高水頭、窄河谷”的泄洪消能問題突出。

②泄洪霧化嚴(yán)重、防護要求高。由于表孔、中孔聯(lián)合泄洪，空中碰撞，水舌在水墊塘內(nèi)的濺水引起的霧化非常嚴(yán)重，會在壩身后較大范圍內(nèi)形成強烈的泄洪霧化區(qū)，兩岸壩肩抗力體邊坡位于強暴雨區(qū)，須設(shè)置有效的坡面保護和地表地下排水措施，確保邊坡穩(wěn)定。

圖1 引水發(fā)電系統(tǒng)洞室模型

3.引水發(fā)電系統(tǒng)

兩岸引水發(fā)電系統(tǒng)均采用首部式地下廠房、單機單管引水、2臺機組共用1個尾水調(diào)壓室和1條尾水洞，主廠房、主變室、尾水管檢修閘門室、尾調(diào)室四大洞室依次平行布置（見圖1）。地下廠房軸線右岸 N10°W、左岸N20°E。左右岸主副廠房洞長438 m，高88.7 m，巖梁以下寬為31 m，以上寬為34 m，機組安裝高程570 m。主變洞布置在主副廠房洞下游側(cè)，主變洞總長368 m，寬21 m，高39.5 m。主變洞與主副廠房洞凈間距60.65 m。廠房水平埋深600～1000 m，垂直埋深260～330 m，地質(zhì)條件總體以Ⅲ類圍巖為主，巖石新鮮、堅硬、完整，中偏高地應(yīng)力，巖石強度與地應(yīng)力之比約4～5，地下水不豐富。 其主要特點：

①地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定問題突出。白鶴灘左右岸地下廠房洞室群規(guī)模及洞室尺寸大、巖性復(fù)雜、層間層內(nèi)錯動帶發(fā)育、地應(yīng)力高，存在大跨度地下廠房頂拱圍巖穩(wěn)定、高邊墻圍巖變形及層間錯動帶出露部位的不協(xié)調(diào)變形等問題。

②水輪發(fā)電機設(shè)計制造難度大。兩岸廠房各裝8臺單機容量為100萬kW的混流式水輪發(fā)電機組，最大水頭243m，最小水頭164m，額定水頭202m。機組單機容量大，運行水頭高，水頭變幅大，是世界上單機容量最大的水輪發(fā)電機組 （見圖2）。水輪機轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計和制造，發(fā)電機推理軸承、定子與轉(zhuǎn)子冷卻方式、絕緣耐熱線棒等設(shè)計與制造，難度居于世界前列。

圖2 水輪機發(fā)電機組模型

三、關(guān)鍵技術(shù)研究

1.復(fù)雜地形地質(zhì)條件下不對稱特高拱壩設(shè)計

白鶴灘壩址兩岸地形條件不對稱，左岸地形相對較緩，右岸高陡；左岸風(fēng)化卸荷深，右岸風(fēng)化卸荷相對較淺；左岸壩肩出露柱狀節(jié)理玄武巖范圍高、大，右岸范圍相對低、??；左岸壩肩巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體質(zhì)量不如右岸好。壩址地形地質(zhì)條件的不對稱決定了拱壩的布置是不對稱。為改善地形不對稱和壩體的應(yīng)力、位移分布及穩(wěn)定條件，左岸壩頂設(shè)置混凝土墊座，柱狀節(jié)理玄武巖出露部位設(shè)置混凝土以擴大基礎(chǔ)。

2.強震區(qū)高拱壩、高邊坡動力反應(yīng)及抗震措施研究

《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》新頒布實施后，對工程抗震研究和設(shè)計提出了更高的要求。建設(shè)單位聯(lián)合國內(nèi)4家抗震經(jīng)驗豐富的科研單位和高校開展了高拱壩的抗震安全研究，并進行了動力模型試驗，論證了高拱壩的抗震安全研究，并進行了動力模型試驗，論證了白鶴灘拱壩強度和穩(wěn)定能夠滿足大壩的抗震設(shè)計要求，提出了大壩抗震的主要措施。針對白鶴灘左岸水墊塘強卸荷邊坡、首次開展了邊坡抗震模型試驗研究，專門研究了邊坡沿高程的加速度變化規(guī)律和放大效果，為提升高邊坡抗震分析方法和抗震設(shè)計提供了依據(jù)。

3.柱狀節(jié)理玄武巖處首次作為高拱壩壩基的開挖保護技術(shù)

白鶴灘大壩壩基出露柱狀節(jié)理玄武巖，為柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，開挖后巖體易松弛，變形模量降低，國內(nèi)外對柱狀節(jié)理巖體工程特性的研究甚少，柱狀節(jié)理玄武巖作為拱壩壩基巖體尚屬首次。結(jié)合白鶴灘拱壩設(shè)計研究，對柱狀節(jié)理玄武巖作為拱壩壩基的可行性、壩體結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、爆破開挖技術(shù)、防松弛保護措施及灌漿處理效果開展了全面、系統(tǒng)的研究，取得了豐碩的成果。研究表明，微新柱狀節(jié)理玄武巖作為壩基，預(yù)計開挖后松弛層厚度2～3 m，經(jīng)灌漿處理后巖體的聲波波速大于4000 m/s。經(jīng)充分論證，微新柱狀節(jié)理玄武巖可以作為高拱壩基礎(chǔ)，但必須重視淺層巖體的開挖與保護。

4.復(fù)雜水文地質(zhì)條件壩基和洞室群的防滲安全問題

白鶴灘水電站地下廠房采用首部開發(fā)方案布置，距庫區(qū)近，壩基及廠區(qū)分布多條層間錯動帶，對大壩及廠房防滲影響較大，廠區(qū)滲流問題復(fù)雜。華東院對廠壩區(qū)防滲排水布置、滲流場和滲透穩(wěn)定進行了大量實驗研究。除常規(guī)實驗外，特別針對主要層間錯動帶和斷層開展了現(xiàn)場大型結(jié)構(gòu)面原位滲透變形試驗和高壓滲透試驗。將拱壩和兩岸地下廠房的防滲排水系統(tǒng)連接成一體，形成整體防滲排水體系。對廠壩區(qū)防滲排水系統(tǒng)進行了多角度、多方案的論證和敏感性分析，通過非飽和滲流研究分析了降雨入滲和泄洪霧化對左岸邊坡及左右岸抗力體滲流場的影響。針對層間錯動帶和斷層，首次提出了帷幕洞和截滲洞聯(lián)合截滲的防滲技術(shù)。

5.巨型地下洞室群的設(shè)計施工技術(shù)

白鶴灘水電站地下洞室群規(guī)模巨大，巖體挖空率高。地下廠房的跨度、調(diào)壓室直徑和數(shù)量均居世界已建在建水電工程之首。地下廠房地質(zhì)條件復(fù)雜，遭遇高地應(yīng)力、層間層內(nèi)錯動帶及柱狀節(jié)理玄武巖，洞室設(shè)計、施工難度在地下洞室建設(shè)中是空前的。為提高洞室群整體穩(wěn)定性，適當(dāng)增大了廠房與主變洞的間距，尾水調(diào)壓室采用了圍巖穩(wěn)定條件較好和對洞群影響較小的圓筒形，減小洞群效應(yīng)的影響。施工中采取“實時監(jiān)測、過程反饋分析、動態(tài)支護設(shè)計”原則。

6.巨型圓筒尾水調(diào)壓室設(shè)計

白鶴灘兩岸電站尾水系統(tǒng)均較長，為解決長大復(fù)雜尾水系統(tǒng)的水力過渡過程穩(wěn)定問題和高邊墻圍巖穩(wěn)定問題，左右岸各布置4個大直徑圓筒形阻抗式尾水調(diào)壓室，開挖直徑43～48 m，高90 m。調(diào)壓室區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力高，層間層內(nèi)錯動帶及柱狀節(jié)理玄武巖在巨型調(diào)壓室穹頂發(fā)育，穹頂圍巖穩(wěn)定問題突出。為解決這一難題，設(shè)計從穹頂體型優(yōu)化、施工順序、支護參數(shù)及監(jiān)測設(shè)計等多方面研究，獲得了適合本工程地質(zhì)條件的尾水調(diào)壓室穹頂設(shè)計成果，并獲得諸多創(chuàng)新成果。

7.巨型地下洞室群施工通風(fēng)技術(shù)

大型地下工程的永久通風(fēng)系統(tǒng)往往投運較晚，施工初期地下工程通風(fēng)不暢，洞室中粉塵煙霧彌漫，空氣環(huán)境惡劣，是工程施工中各方最為頭疼的問題。白鶴灘工程開創(chuàng)性設(shè)立了左右岸地下洞室群施工專用排風(fēng)洞，將左右岸地下洞群通風(fēng)系統(tǒng)提前實施，包括兩條總長約3.89 km的排風(fēng)平洞和17個排風(fēng)豎井，配置了先進的大容量風(fēng)機，并在地下廠房頂拱層和尾水系統(tǒng)開工前投運，有效的改善了地下洞室的通風(fēng)和施工條件。

8.全壩采用灰?guī)r骨料

壩體混凝土骨料料源關(guān)系到大壩質(zhì)量和安全，在可行性研究階段，就混凝土骨料料源選擇從地質(zhì)勘查、試驗、分析研究等方面開展了大量的論證研究工作。聯(lián)合十余家研究單位分別對“全玄、玄+白云巖、玄+灰、全灰”方案開展多項骨料加工生產(chǎn)性試驗和混凝土性能試驗。全灰?guī)r骨料混凝土具有線脹系數(shù)較低、強度較高、干縮較小、綜合抗裂能力較強的優(yōu)點，對高拱壩的施工質(zhì)量更有保證。最終選擇旱谷地料場灰?guī)r作為白鶴灘拱壩混凝土骨料料源。

9.全壩使用低熱水泥

白鶴灘壩區(qū)為干熱河谷，溫差大、大風(fēng)天氣多，混凝土溫控防裂難度大。在導(dǎo)流洞成功采用低熱水泥混凝土的基礎(chǔ)上，三峽集團組織科研院所聯(lián)合攻關(guān)，開展白鶴灘高拱壩低熱水泥應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究，調(diào)整低熱水泥礦物組織，優(yōu)化混凝土溫控指標(biāo)和溫控措施，使生產(chǎn)的低熱水泥具有水化熱更低、放熱速度更慢、收縮更小、抗裂性更高的特性，提高了白鶴灘拱壩混凝土的抗裂安全度。