東朗水電站壩型方案比選

付宇帥

（江西省水利投資集團(tuán)有限公司，江西 南昌330096）

1 概況

東朗水電站位于四川省涼山州木里藏族自治縣東朗鄉(xiāng)境內(nèi)，地處水洛河干流上游河段。電站采用混合式開發(fā)，壩址位于東朗鄉(xiāng)政府上游約1.4 km處，距木里縣城約357 km。水庫正常蓄水位2 886.0 m（黃海高程，下同），總庫容為 2.08 億 m3，最大壩高 106.0 m，裝機(jī)容量66 MW，為大（2）型工程。

2 工程地質(zhì)

2.1 壩址工程地質(zhì)

壩址區(qū)河流流向S46°E，河道順直、相對狹窄，無河漫灘分布。正常蓄水位高程2 886 m時對應(yīng)河谷寬約265 m～373 m，寬高比 2.70～3.81。

壩址河谷形態(tài)為橫向谷，呈不對稱“U”型。左、右岸山體雄厚，左岸壩軸線上游側(cè)發(fā)育一“∧”型較寬溝谷，溝內(nèi)坡麓地帶被第四系殘坡堆積物覆蓋。下游緊鄰此溝的岸坡高程2 800 m以上多為基巖，局部覆蓋少量殘坡積覆蓋層；壩址右岸大部分基巖裸露，坡腳分布有堆積體。岸坡有多條沖溝與山脊間隔分布。

壩址區(qū)河床覆蓋層厚 26.4 m～29.0 m，成分復(fù)雜，密實(shí)度中密～很密狀，由地表向下密實(shí)程度總體呈增加趨勢，從上往下可分為沖洪積混合堆積漂石、砂卵（礫）石層，冰水堆積含漂/塊（碎）砂卵石層。

壩址位于拉杰牛場背斜西翼，康薩背斜西南翼，巖層產(chǎn)狀不甚穩(wěn)定，受構(gòu)造、卸荷或變形影響，淺表部巖層有扭曲傾倒現(xiàn)象。壩址區(qū)內(nèi)斷裂主要為增東區(qū)域斷裂，主斷層從右壩肩上游1 020 m處娃中溝口向西南方向斜行通過，斷層帶寬約40 m，為壓扭性斷層。

2.2 建筑材料

按設(shè)計所需天然建筑材料的種類、數(shù)量和質(zhì)量分別對各類建筑材料進(jìn)行了勘察，設(shè)計需用量及勘察儲量列于表1。

表1 天然建筑材料需用量及勘察儲量

2.2.1 土料

東朗水電站工程區(qū)及附近山高坡陡，河床寬緩，兩岸坡腳以殘坡積礫類土和細(xì)粒土為主，粘土料缺乏，部分經(jīng)過適當(dāng)處理后可以作為防滲土料；槽孔固壁土料缺乏，建議外購解決。

2.2.2 天然砂礫石料

東朗水電站所處河段天然砂礫石料較為豐富，但分布零散，儲量均有限。

試驗(yàn)結(jié)果表明，各天然砂卵石料場的細(xì)骨料除個別樣品含泥量稍偏高、堆積密度稍偏小和細(xì)度模數(shù)稍偏離允許值范圍之外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求；而粗骨料5 mm～20 mm粒徑段軟弱顆粒含量均嚴(yán)重超標(biāo)。另外，還存在個別樣品堆積密度及表觀密度偏小、吸水率和含泥量偏大的問題。鑒于水洛河沿岸公路均與各天然砂礫石料場相通，開采運(yùn)輸條件較好，綜合考慮料場質(zhì)量指標(biāo)，初擬天然砂卵石料用于臨建工程，主體工程需采用人工開采石料進(jìn)行加工。

2.2.3 人工骨料及塊/堆石料

東朗水電站河段巖性以板巖為主，夾有砂巖、凝灰?guī)r、灰?guī)r等，存在巖性組合復(fù)雜、層理較薄等缺陷，不能軋制混凝土人工骨料，也不宜用作堆石料，工程區(qū)開挖料也難以利用。

庫區(qū)左岸的增東溝內(nèi)發(fā)育一輝長巖體，是一個良好的塊石料和混凝土人工骨料料源，也可作為大壩填筑所需之堆石料。

增東溝輝長巖料場按地形地質(zhì)條件為Ⅱ類地區(qū)，場區(qū)地形坡度50°～70°，局部陡直，有用層為印支期輝長巖，僅坡腳及緩坡地帶分布有崩坡積物，厚5 m～15 m。

料場巖石的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果顯示，輝長巖的顆粒密度和塊體密度相差不大，巖石塊體密度2.68 g/cm3～2.81 g/cm3，飽 和 吸 水 率 0.47%～0.53% ，孔 隙 率1.47%～2.77%，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度值為 47.2 MPa～77.4 MPa，屬于中硬～堅硬巖石類。

東朗至木里簡易公路從料場東部坡腳通過，開采和運(yùn)輸較為方便，料場距離下壩址公路里程約13 km，運(yùn)距較遠(yuǎn)。

3 壩型比選

3.1 比選壩型擬定

壩址左、右岸及河床基巖屬中硬～堅硬巖石，巖石新鮮、完整，物理力學(xué)指標(biāo)較高，有修建硬壩的條件。工程區(qū)增東溝輝長巖料場料源充足，運(yùn)輸較方便，可滿足工程需求，但壩址上、下游附近缺乏高塑性粘土。綜合本工程建壩條件及當(dāng)?shù)亓显礂l件，選取混凝土面板堆石壩、碾壓混凝土重力壩和瀝青混凝土心墻堆石壩進(jìn)行壩型比選。

3.2 混凝土面板堆石壩方案

3.2.1 首部樞紐布置

樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、左岸開敞式溢洪道、左岸放空洞、右岸引水系統(tǒng)、地面廠房等組成。

攔河壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程2 890.00 m，河床趾板置于深覆蓋層上，趾板最低建基面高程為2 784.00 m，最大壩高 106.00 m，壩頂寬度為 8.00 m，壩頂軸線長335.85 m。防浪墻采用 “L”形，墻頂高程2 891.20 m，墻底高程 2 887.00 m，墻高 4.20 m。 混凝土面板堆石壩上、下游壩坡均采用 1∶1.4，下游壩坡在高程2860.00 m、2 832.00 m 及 2 804.00 m 處設(shè)置馬道，馬道寬度分別為 2.00 m、2.00 m、10.00 m。 壩體最大底寬326.00 m。壩體從上游至下游依次分為：蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、下游護(hù)坡和濾水壩趾區(qū)（排水棱體）。壩體總填筑方量277.20萬m3，面板、趾板及防浪墻混凝土共計2.68萬 m3（詳見圖 1）。

3.2.2 施工組織設(shè)計

首部樞紐采用河床一次攔斷、隧洞導(dǎo)流方式，導(dǎo)流隧洞布置在左岸。

導(dǎo)流建筑物采用土石圍堰，導(dǎo)流時段選定為枯水時段10月1日～次年5月31日，導(dǎo)流流量選用該時段20年一遇洪峰流量216 m3/s；壩體臨時度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)采用全年100年一遇，相應(yīng)洪峰流量為728 m3/s。

工程3臺機(jī)組同時投產(chǎn)發(fā)電工期為44個月，總工期為44個月。

3.3 瀝青混凝土心墻壩方案

3.3.1 首部樞紐布置

瀝青混凝土心墻堆石壩方案樞紐布置為：瀝青混凝土心墻堆石壩、左岸開敞式溢洪道、左岸放空洞、右岸引水系統(tǒng)、地面廠房等。

大壩壩頂高程 2 890.00 m，最低建基面高程 2 784.00 m，最大壩高 106.00 m，壩頂寬 10.00 m，壩軸線長 324.00 m。 大壩上下游壩坡 1∶2.0，上游壩坡在高程 2 844.00 m 設(shè)一級馬道，馬道寬 3.00 m，高程 2 829.00 m以下與上游圍堰相結(jié)合；下游壩坡在高程2 866.00 m、高程 2 838.00 m、高程 2 810.00 m 設(shè)各設(shè)一條馬道，馬道寬 分 別為 2.00 m、2.00 m、5.00 m。 大壩最 大 底 寬446.10 m。壩體從上游往下游依次分為塊石護(hù)坡、墊層料、上游堆石體、過渡料、瀝青混凝土心墻、過渡料、下游堆石體及塊石護(hù)坡，壩體填筑總方量358.50萬m3，瀝青混凝土心墻 1.95萬 m3（見圖 2）。

3.3.2 施工組織設(shè)計

首部樞紐采用河床一次攔斷、隧洞導(dǎo)流方式，導(dǎo)流隧洞布置在左岸。

由于本方案大壩壩基開挖、基礎(chǔ)處理和混凝土墊座澆筑等施工工序較多，工程量較大，一個枯水期內(nèi)將壩體填筑至臨時度汛斷面高程以上填筑強(qiáng)度大，工期難以保證，本壩型方案采用全年圍堰導(dǎo)流方案，采用與壩體相結(jié)合的土石圍堰，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)取全年20年一遇，相應(yīng)洪峰流量為580 m3/s。壩體臨時度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)采用全年100年一遇，相應(yīng)洪峰流量為728 m3/s。

工程3臺機(jī)組同時投產(chǎn)發(fā)電工期為42個月，總工期為42個月。

圖1 混凝土面板堆石壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

圖2 瀝青混凝土心墻堆石壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

3.4 碾壓混凝土重力壩方案

3.4.1 首部樞紐布置

碾壓混凝土重力壩方案樞紐布置為：碾壓混凝土重力壩、右岸引水系統(tǒng)、地面廠房等。

碾壓混凝土重力壩最低建基面高程2 755.00 m，壩頂高程 2 889.00 m，防浪墻頂高程 2 890.20 m，最大壩高134.00 m；壩頂寬10.00 m，壩體基本斷面為三角形，上游面2 800.00 m高程以上為鉛直面，2 800.00 m高程以下壩坡 1∶0.2，下 游 壩 坡 為 1∶0.8，起坡 點(diǎn) 高 程 為 2 880.00 m，壩底最大寬度為 119.00 m。 壩頂軸線長度321.85 m，壩體不設(shè)縱縫，從右岸至左岸按 25.0 m～31.15 m的間距設(shè)橫縫，共分為11個壩段。大壩混凝土總量為 131.3萬m3， 其中碾壓混凝土123.5萬m3（詳見圖3）。

圖3 碾壓混凝土重力壩非溢流壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

3.4.2 施工組織設(shè)計

首部樞紐采用河床一次攔斷、隧洞導(dǎo)流方式，導(dǎo)流隧洞布置在左岸。

導(dǎo)流建筑物采用土石圍堰，初期導(dǎo)流時段選定為枯水時段11月1日～次年5月31日，導(dǎo)流流量選用該時段10年一遇洪峰流量104 m3/s。汛期采用壩體預(yù)留缺口過流，壩體臨時度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)采用全年50年一遇，相應(yīng)洪峰流量為666 m3/s。

工程3臺機(jī)組同時投產(chǎn)發(fā)電工期為46個月，總工期為46個月。

3.5 壩型比較與選擇

3.5.1 地形地質(zhì)條件

壩址河段河谷形態(tài)為橫向谷，呈不對稱“U”型，地形上修建重力壩和堆石壩都是適宜的。

從工程地質(zhì)條件來看，壩址區(qū)左、右岸出露地層巖性均為三疊系上統(tǒng)曲嘎寺組第2段（T3q2）薄～中厚層板巖夾厚層砂巖、第3段（T3q3）灰色中厚～厚層砂巖和第4段（T3q4）灰綠色薄～中厚層板巖夾玄武巖、凝灰?guī)r、安山巖、絹云母千枚巖、綠簾-綠泥千枚巖，偶見少量砂巖及灰?guī)r。河床被第四系河床沖洪積層、岸坡坡積和殘坡積堆積層覆蓋，厚 26.40 m～29.00 m，以砂卵礫石為主，夾有少量漂（塊）石。瀝青混凝土心墻壩和混凝土面板堆石壩壩體均為堆石結(jié)構(gòu)，對地基條件要求較低，基礎(chǔ)處理簡單，對地基的適應(yīng)能力較強(qiáng)；而重力壩對地基要求高，壩基開挖深度大，基礎(chǔ)處理工作量和施工難度均較大，由于壩基巖性相對較軟弱，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)不高，使重力壩壩體剖面較大，混凝土澆筑工程量大；因此，從地形地質(zhì)條件看，本壩址修建堆石壩較為有利。而壩址左岸強(qiáng)風(fēng)化帶下限埋深 4.30 m～9.30 m，右岸強(qiáng)風(fēng)化帶下限埋深 17.60 m～25.00 m，根據(jù)調(diào)查推測岸坡巖體強(qiáng)卸荷水平深度15 m～20 m，巖體強(qiáng)卸荷深度較大，使得混凝土面板堆石壩方案趾板開挖深度較大，開挖邊坡較高，開挖工程量達(dá)77.66萬m3，而瀝青混凝土心墻壩混凝土面板堆石壩兩方案泄水建筑物布置型式大致同。因此，從地形地質(zhì)條件來看，以瀝青混凝土心墻壩優(yōu)。

3.5.2 樞紐布置

重力壩和堆石壩方案布置都比較簡單，引水隧洞、廠房與大壩分開布置，壩體范圍僅考慮擋水和泄洪，大壩下游消能影響區(qū)域內(nèi)無重要設(shè)施和居民，故考慮壩體安全，各方案均采用較簡便的挑流消能方式。碾壓混凝土重力壩布置相對較緊湊，管理運(yùn)行方便。

重力壩泄洪建筑物置于河床壩身，水流的進(jìn)流條件和下泄歸槽條件好；堆石壩采用岸邊式溢洪道，與河道有一定的夾角，由于進(jìn)水渠前存在一突出山體，溢洪道進(jìn)流條件較差，但溢洪道出流較為順暢。

瀝青混凝土心墻壩和混凝土面板堆石壩對河床覆蓋層作為壩基均有較好的適應(yīng)性，但防滲系統(tǒng)不同：混凝土面板堆石壩防滲系統(tǒng)由表部防滲系統(tǒng)（連接板、趾板、面板）和地下防滲系統(tǒng)（河床部位為防滲墻+水泥灌漿帷幕、岸坡部位為水泥灌漿帷幕）組成。瀝青混凝土心墻壩地下防滲系統(tǒng)和混凝土面板堆石壩基本相同，但上部防滲系統(tǒng)由混凝土墊座和瀝青混凝土心墻組成，防滲系統(tǒng)位于壩體內(nèi)部，一旦破壞很難修復(fù)[1]。

從壩體材料分區(qū)上，混凝土面板堆石壩壩軸線上游為主要的承力及變形部位，對填料要求較高，浸潤線降低較快，壩軸線下游的干燥區(qū)壩體填料的要求可適當(dāng)放寬。瀝青混凝土心墻壩心墻體下游堆石為主要承力及變形部位，對填料要求較高，上游浸潤線高，水位變動對上游壩坡穩(wěn)定影響較大，為此，上游壩坡設(shè)計較緩，壩體斷面大[1]。

3.5.3 工程導(dǎo)流與度汛條件

三種壩型方案施工導(dǎo)流均采用河床一次攔斷、隧洞導(dǎo)流。碾壓混凝土重力壩方案后期可采取壩身預(yù)留缺口或壩身漫水等措施度汛，導(dǎo)流工程規(guī)模較小，工程量較省。瀝青混凝土心墻壩方案和混凝土面板堆石壩方案導(dǎo)流隧洞斷面尺寸一樣，但由于壩體體積較大，導(dǎo)流洞較長，導(dǎo)流費(fèi)用較高。因此，從工程導(dǎo)流與度汛條件來看，以碾壓混凝土重力壩為優(yōu)。

3.5.4 施工條件

碾壓混凝土重力壩所需水泥和粉煤灰量較大，對外交通運(yùn)輸要求較高，骨料需人工軋制，且運(yùn)距較遠(yuǎn)，混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模較大，而當(dāng)?shù)夭牧蠅谓^大部分為土石方工程，便于大規(guī)模機(jī)械化施工，因此，與碾壓混凝土重力壩相比，當(dāng)?shù)夭牧蠅斡忻黠@優(yōu)勢。

就兩種當(dāng)?shù)夭牧蠅味?，瀝青混凝土心墻壩的瀝青心墻施工工藝復(fù)雜，施工輔企方面需增加一套專用拌和系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)；心墻必須與壩體同步上升，與壩體填筑施工干擾大[2]。面板壩則不存在上述問題，且壩體填筑至攔洪高程以后，再進(jìn)行面板的施工，與壩體填筑施工干擾小。面板壩需在一期面板施工期間壩體暫停填筑，二期面板施工之前壩體預(yù)留沉降期，壩體填筑時間較瀝青混凝土心墻壩短，雖然瀝青混凝土心墻壩壩體方量較大，但由于采用全年圍堰，相應(yīng)壩體填筑強(qiáng)度稍小。

從施工條件來說，瀝青混凝土心墻壩和混凝土面板堆石壩明顯優(yōu)于碾壓混凝土重力壩，前兩者相比較而言，施工條件相當(dāng)。

表2 壩型方案條件比較表

3.5.5 施工進(jìn)度

瀝青混凝土心墻壩方案發(fā)電工期及完建工期為42個月，混凝土面板堆石壩方案發(fā)電工期及完建工期為44個月，碾壓混凝土重力壩方案發(fā)電工期及完建工期為46個月，三者相比，瀝青混凝土心墻壩方案在施工工期上有一定優(yōu)勢，混凝土面板堆石壩方案次之，碾壓混凝土重力壩方案工期最長。

3.5.6 工程量及投資

各方案條件比較列于表2。由表2可知，混凝土面板堆石壩方案較瀝青混凝土心墻壩方案工程靜態(tài)總投資少11 532萬元，較碾壓混凝土重力壩方案工程靜態(tài)總投資少44 860萬元。碾壓混凝土重力壩方案混凝土方量較大，導(dǎo)致混凝土骨料方量相應(yīng)較大，運(yùn)距較遠(yuǎn)，單價較高，水泥、粉煤灰由外地采運(yùn)，投資上較難控制。由于瀝青混凝土心墻壩和混凝土面板堆石壩大量利用當(dāng)?shù)厥现?，混凝土方量較小，因此工程投資較省。由于堆石料場距離壩址約13 km（改建公路里程），運(yùn)距遠(yuǎn)，材料單價高，故壩體堆石填筑工程量更小的混凝土面板堆石壩方案較瀝青混凝土心墻壩方案更具優(yōu)勢。

4 對策

通過上述比較可以看出，各種壩型比較，材料是關(guān)鍵的因素。碾壓混凝土重力壩混凝土方量多，骨料全部需人工軋制，砂石料運(yùn)輸量大；相應(yīng)輔助企業(yè)設(shè)施規(guī)模大；粉煤灰需求量大；施工技術(shù)要求高，受氣候條件影響多，其投資的經(jīng)濟(jì)性不如堆石壩。建設(shè)堆石壩，可以利用當(dāng)?shù)刎S富的石料，就地取材，具有混凝土用量少、工程投資省的優(yōu)點(diǎn)。所以，從地形地質(zhì)條件、筑壩材料及工程投資等方面比較，本階段推薦采用堆石壩。瀝青混凝土心墻壩和混凝土面板堆石壩兩種壩型各具特色，各有千秋。瀝青混凝土心墻壩對地基的適應(yīng)性強(qiáng)，邊坡開挖及支護(hù)處理難度較小，工程棄渣較易解決，雖施工程序略顯復(fù)雜，然而其施工進(jìn)度方面較混凝土面板堆石壩略有優(yōu)勢。但由于堆石料場距離壩址約13 km（改建公路里程），運(yùn)距遠(yuǎn)，材料單價高，故壩體堆石填筑工程量更小的混凝土面板堆石壩方案投資較省，較瀝青混凝土心墻壩方案更具優(yōu)勢。故最終采用混凝土面板堆石壩方案。

［1］ 張光斗，王光綸，等.水工建筑物（下冊）［M］.北京：水利電力出版社，1994，138，173，177，178.

［2］中國水電工程顧問集團(tuán)公司.土石壩技術(shù)2012年論文集 ［C］.北京：中國電力出版社，2012.