糯扎渡水電站建設(shè)中的主要技術(shù)難題與對策

艾永平，趙 川

（華能瀾滄江水電有限公司，云南 昆明 650214）

1 工程概況

糯扎渡水電站是瀾滄江中下游河段梯級規(guī)劃的第5級，樞紐由心墻堆石壩、岸邊開敞式溢洪道、泄洪隧洞、地下引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。心墻堆石壩最大壩高261.5 m，水庫正常蓄水位812 m，總庫容237.03億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。電站總裝機(jī)容量5850 MW （9×650 MW），多年平均年發(fā)電量239.12億kW·h，加入聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)節(jié)后，可使云南省水電站群電能質(zhì)量得到顯著改善[1]。按照工程建設(shè)計(jì)劃，水庫水位將于2012年汛期達(dá)到初期發(fā)電水位 （765 m高程），實(shí)現(xiàn)首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電目標(biāo)。

工程建設(shè)過程中遇到的主要難題表現(xiàn)在以下幾個方面:

（1）心墻堆石壩8種填筑料分12個區(qū)、Ⅸ期填筑，施工程序復(fù)雜，質(zhì)量要求高。壩體總填筑量約3400萬m3，其中Ⅰ區(qū)粗堆石料1078萬m3，Ⅱ區(qū)粗堆石料1265萬m3，心墻摻礫土料464萬m3，工程規(guī)模大、技術(shù)難度高，國內(nèi)沒有超過200 m高心墻堆石壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[2]。土料場混合土料防滲性能較好，但抗剪強(qiáng)度和壓縮模量指標(biāo)較低，不能滿足261.5 m高心墻堆石壩對心墻填筑體的變形控制要求，需針對心墻防滲料、反濾過渡料、壩殼堆石料，深入開展壩料特性、壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)、壩體和壩基滲流、壩體應(yīng)力和變形、壩體動力反應(yīng)和抗震性能等方面基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。

（2）溢洪道承擔(dān)工程總泄流量的83%，最大泄流量31318 m3/s，最大泄洪水頭182 m，最大流速53 m/s，最大泄洪功率55860 MW，具有 “大泄量、高水頭、高流速”等特點(diǎn)。高流速泄槽摻氣減蝕、泄洪霧化強(qiáng)降雨區(qū)建筑物及邊坡安全問題突出，防護(hù)措施要求高，需重點(diǎn)研究溢洪道泄流能力、下游消能防沖等問題[2]。

（3）糯扎渡水庫屬典型的水溫分層型水庫，為減免 “高壩大庫”發(fā)電下泄的低溫水對下游水生生物的影響，電站進(jìn)水口利用檢修攔污柵槽設(shè)置疊梁閘門進(jìn)行分層取水，水流流態(tài)、塔體結(jié)構(gòu)和體形非常復(fù)雜。

建設(shè)過程中，華能瀾滄江水電有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)、施工和科研試驗(yàn)單位協(xié)同攻關(guān)，對心墻堆石壩壩料特性、壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)、壩體和壩基滲流、壩體應(yīng)力和變形、壩體動力反應(yīng)和抗震性能等方面深入開展了基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，并對溢洪道泄洪消能及高流速泄槽摻氣減蝕、電站進(jìn)水口疊梁閘門分層取水等重大技術(shù)問題進(jìn)行了深入研究，制定了相應(yīng)的對策和措施，實(shí)現(xiàn)了又好又快的建設(shè)目標(biāo)。

2 心墻堆石壩

2.1 土料特性

在糯扎渡農(nóng)場土料場取深度10 m范圍內(nèi)的坡積層料和下部的全、強(qiáng)風(fēng)化層料，立采混合獲得的礫質(zhì)土料大于5 mm的礫石占15.6%，細(xì)粒含量及塑性指數(shù)較高，防滲性能較好，但抗剪強(qiáng)度和壓縮模量參數(shù)較低。計(jì)算分析表明:防滲體采用混合土料填筑時(shí)，竣工后心墻區(qū)沉降量達(dá)2957 mm，不能滿足 “壩體后期沉降量與壩高之比小于1%”的規(guī)范要求。根據(jù)勘探成果，農(nóng)場土料場全、強(qiáng)風(fēng)化層料小于0.075 mm細(xì)粒含量超過30%，主要技術(shù)指標(biāo)滿足防滲土料的基本要求，但全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度不均勻，開采受地下水影響，混合開采獲得的風(fēng)化料質(zhì)量難以保證[3]。研究表明:礫質(zhì)土料中礫石開始起骨架作用的礫石含量P5I約為30%～40%；礫石含量小于P5I時(shí)，礫質(zhì)土全料的干密度隨礫石含量成比例增加，細(xì)粒料可以得到充分壓實(shí)，防滲體開裂時(shí)，裂縫自愈能力較強(qiáng)——礫質(zhì)土中的粗顆?？蓽p弱沿裂縫的滲流沖蝕，抑制裂縫的開展，有利于裂縫自愈。農(nóng)場土料場混合土料摻礫35%時(shí)，在1470 kJ/m3擊實(shí)功能下，擊實(shí)后大于5 mm的礫石含量平均值為38.5%，滲透系數(shù)i×10-6，抗變形和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較混合土料均有較大提高[3]。防滲體采用摻礫土料填筑時(shí)，竣工后心墻區(qū)沉降量為1485 mm，抗?jié)B坡降平均值為106，強(qiáng)度和變形性能以及細(xì)粒料的滲透穩(wěn)定性等方面的性能均較優(yōu)，因此最終確定在農(nóng)場混合土料中摻礫35% （質(zhì)量比）。

2.2 壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)

大壩壩頂高程821.5 m，長627.87 m，寬18 m。心墻位于壩體中部，頂高程為820.5 m，頂寬10 m，心墻上、下游坡度均為1∶0.2，最低建基面高程為560 m。 大壩上、 下游壩坡分別為 1∶1.9、 1∶1.8。 壩體填筑料從上游至下游依次為上游圍堰、上游Ⅰ區(qū)粗堆石料區(qū) （RU1區(qū)）、Ⅱ區(qū)粗堆石料區(qū) （RU2區(qū)）、細(xì)堆石料區(qū) （RU3區(qū)）、反濾料區(qū) （F2、F1區(qū)）、摻礫粘土心墻料區(qū) （ED區(qū)）、壩基 （肩）高塑性接觸粘土區(qū) （EJ區(qū)）、下游反濾料區(qū) （F1、F2區(qū)）、細(xì)堆石料區(qū) （RD3區(qū)）、Ⅱ區(qū)粗堆石料區(qū) （RD2區(qū)）和Ⅰ區(qū)粗堆石料區(qū) （RD1區(qū)）、下游圍堰。研究表明:含部分軟巖的Ⅱ區(qū)粗堆石料可用于高心墻堆石壩的上游壩殼區(qū)[4]。糯扎渡水電站大壩心墻上游共用了約478萬m3強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及T12m砂泥巖工程開挖料（Ⅱ區(qū)粗堆石料），心墻及反濾基礎(chǔ)設(shè)置帶有灌漿廊道的鋼筋混凝土墊層，并對其下基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，右岸構(gòu)造軟弱巖帶采取加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理。

2.3 壩體和壩基滲流

河床部位心墻壩基以Ⅱ類微風(fēng)化花崗巖為主，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)、透水性弱。左岸心墻壩基巖體以Ⅲa類弱風(fēng)化下部花崗巖為主，局部夾Ⅳ類或Ⅴ類巖體。右岸心墻壩基中部及上部巖體受斷層及卸荷影響，屬Ⅲb和Ⅳ類，反濾延長區(qū)邊緣見全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，分布有 F5、F14、F12、F13、F16斷層，由F12、F13斷層及所夾的強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化上部巖體組成右岸構(gòu)造軟弱巖帶。工程建設(shè)過程中，壩基采取挖除全、強(qiáng)風(fēng)化巖體，斷層、構(gòu)造軟弱巖帶等不良地質(zhì)體采取掏挖置換、錨固，對地質(zhì)探洞和鉆孔進(jìn)行了回填封堵，并對整個心墻壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。試驗(yàn)及計(jì)算分析表明，壩基強(qiáng)度和變形均滿足要求，摻礫粘土心墻的防滲作用非常明顯，壩基灌漿帷幕的防滲效果顯著。壩體和壩基的總滲流量為1857.8 m3/d，其中，壩基的滲流量為978.1 m3/d。心墻防滲體自身的滲透穩(wěn)定在反濾層的保護(hù)下滿足工程安全要求；采取灌漿帷幕、固結(jié)灌漿等基礎(chǔ)處理措施后，壩基各斷層的滲透穩(wěn)定滿足安全要求[4]。

2.4 壩體應(yīng)力和變形

反濾層對保證心墻堆石壩的安全運(yùn)行至關(guān)重要。糯扎渡水電站在大壩心墻區(qū)下游側(cè)設(shè)置了厚度均為6 m的Ⅰ、Ⅱ兩層反濾料?？紤]到上游水位驟降的影響，在心墻上游側(cè)也設(shè)置了厚度為4 m的Ⅰ、Ⅱ兩層反濾料。為協(xié)調(diào)心墻與壩殼堆石體間的變形，在上下游反濾層與堆石料間設(shè)置10 m寬的細(xì)堆石過渡料，并在粗堆石區(qū)的上游中下部和下游中部設(shè)置工程開挖料利用區(qū) （Ⅱ區(qū)粗堆石料區(qū)）。為防止心墻防滲體中的礫石與剛性混凝土墊層直接接觸形成的接觸沖刷面發(fā)生滲透破壞，在心墻與壩基混凝土墊層的接觸面間鋪筑一層2 m厚接觸粘土層，并在混凝土墊層面上刷5 mm厚濃粘土漿，下游反濾區(qū)沿建基面向下游延長1/3（右岸軟弱巖帶部位延長1/2壩高）壩高，粗堆石壩殼區(qū)的基礎(chǔ)面均鋪填2 m厚細(xì)堆石料。

應(yīng)用 “滲透弱面水壓楔劈效應(yīng)”及 “壓實(shí)粘土脆性斷裂模型及裂縫彌散”理論，相關(guān)研究表明:竣工后壩體豎向沉降變形的最大值發(fā)生在心墻內(nèi)，大約在壩高的中部，最大沉降值約占壩高的0.5%，明顯小于國內(nèi)外其他高土石壩的變形值。心墻存在一定程度拱效應(yīng)，但其上游面三個主應(yīng)力均大于零，大主應(yīng)力和中主應(yīng)力距產(chǎn)生拉應(yīng)力尚有較大安全度，加上有下游反濾層保護(hù)，摻礫粘土心墻具有較大抗水力劈裂安全度[4]。

2.5 壩體動力反應(yīng)和抗震性能

壩址區(qū)場地地震基本烈度為Ⅷ度，100年超越概率2% （設(shè)計(jì)地震）和100年超越概率1% （校核地震）的基巖加速度峰值分別為380 gal和436 gal。采用規(guī)范譜和場地譜人工合成地震波，通過動力計(jì)算分析表明:設(shè)計(jì)地震下，壩體順河向指向下游和上游的最大永久變形分別為406 mm和418 mm，壩軸線方向指向右岸和左岸的最大永久變形分別為358 mm和349 mm，豎向最大永久沉陷變形為2407 mm；校核地震下，壩體順河向指向下游和上游的最大永久變形分別為562 mm和596 mm，壩軸線方向指向右岸和左岸的最大永久變形分別為420 mm和412 mm，豎向最大永久沉陷變形為3229 mm。壩頂預(yù)留地震涌浪超高1000 mm、地震沉陷量超高2600 mm，壩頂安全超高滿足要求。為提高壩體的抗震穩(wěn)定性，上游805 m高程以上、下游800 m高程以上采用漿砌石護(hù)坡；在上、下游堆石壩殼中，770 m高程以上，沿高程方向每隔2 m鋪設(shè)一層不銹鋼錨筋，錨固長度18 m；壩面布設(shè)不銹鋼扁鋼網(wǎng)，與埋入堆石壩殼內(nèi)的不銹鋼錨筋焊接，并在心墻頂面（820.5 m高程）布設(shè)貫通上、下游的不銹鋼錨筋，加強(qiáng)壩頂部位的整體性。采取以上綜合抗震措施后，強(qiáng)震作用下，心墻堆石壩的綜合抗震能力較強(qiáng)[4]，不會出現(xiàn)較嚴(yán)重的地震破壞。

3 溢洪道泄洪消能

溢洪道由進(jìn)水渠段、閘室控制段、泄槽段、挑流鼻坎段及出口消力塘段組成，進(jìn)水渠底板高程775 m，溢流堰頂高程792 m，堰高17 m，泄槽及挑流鼻坎段總寬151.5 m。泄槽段長850 m，共布置了5道摻氣坎。閘室控制段設(shè)8個15 m×20 m （寬×高）表孔，用兩道中隔墻按 “3+2+3”形式分為左、中、右3個泄槽。3個泄槽挑流鼻坎在平面上呈漸退型布置，相互錯開10 m。在挑流鼻坎下游開挖消力塘，消力塘底寬176.5～191.05 m，長311～331 m，深33 m，采用護(hù)坡不護(hù)底方式消能。工程規(guī)模列世界前茅[5]。

泄槽段底板、邊墻及中隔墻高度3 m以下部分、出口挑流鼻坎過流表面 （厚度1 m）為C18055W8 F100抗沖耐磨混凝土，采用中熱水泥摻高效減水劑、Ⅰ級粉煤灰和聚丙烯纖維，表層布設(shè)限裂鋼筋。泄槽底板每15 m設(shè)置一道縱向伸縮縫，陡槽段橫縫間距為65～128 m。為減少橫縫并方便滑模施工，僅在摻氣槽后的起始位置設(shè)橫向伸縮縫，使摻氣槽挑坎形成的有效空腔跨越橫縫，避免了橫縫遭受高速水流沖擊。在施工過程中，不同季節(jié)根據(jù)氣溫情況對混凝土的入倉溫度進(jìn)行動態(tài)控制，并采取內(nèi)部埋設(shè)水管通冷卻水，加強(qiáng)新澆筑混凝土保溫、保濕表面養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格控制過流面的不平整度等一系列措施，保證了抗沖耐磨混凝土施工質(zhì)量。

水工模型試驗(yàn)研究表明:設(shè)計(jì)和校核洪水位下，溢洪道泄流能力實(shí)測值均大于設(shè)計(jì)值2%以上；宣泄各頻率洪水時(shí)，水庫水面平穩(wěn)，無回流和漩流；電站進(jìn)水口區(qū)域流態(tài)平穩(wěn)正常，未受溢洪道泄流影響；摻氣坎能起到摻氣減蝕效果——能形成穩(wěn)定的摻氣空腔，并有足夠的空腔長度和摻氣量；消力塘水流平順，護(hù)坡位置沖坑深度小于邊墻齒墻深度，消能效果較好，泄洪安全有保障。同時(shí)，消力塘處巖石較好，工程開挖料作為心墻堆石壩堆石料的主要料源，節(jié)約了工程投資[5]。

4 疊梁閘門分層取水

糯扎渡水庫屬典型的水溫分層型水庫，水溫分層、下層低溫水下泄將改變天然河道水溫的年內(nèi)分布。電站進(jìn)水口底坎高程為736 m，孔口尺寸3.8 m×38.04 m，采用疊梁閘門分層取水的運(yùn)行方式。疊梁閘門分三節(jié)，每節(jié)高12.67 m，最頂層疊梁閘門上沿高程為774.04 m，可根據(jù)水庫水位情況分4層取水[6]。第1層取水的最低運(yùn)行水位為803 m，水庫水位超過803 m時(shí)，三節(jié)疊梁閘門整體擋水，閘門頂高程為774.04 m；第2層取水的最低水位為790.40 m，采用第二、第三節(jié)疊梁閘門聯(lián)合擋水，閘門頂高程為761.36 m；第3層取水的最低水位為777.7 m，僅用第三節(jié) （底層）疊梁閘門擋水，閘門頂高程為748.68 m；水庫水位降至777.7 m以下時(shí)，吊起全部疊梁閘門，即為通常的單層取水方式。

研究表明:疊梁閘門分層取水的運(yùn)行方式能保證電站發(fā)電時(shí)持續(xù)取到水庫的上層水，比736 m高程單層取水方案的下泄水溫最大可升高4.3℃，并且水溫明顯升高的時(shí)段正是下游魚類產(chǎn)卵繁殖季節(jié)（4月～6月），在每年的3月～10月，疊梁閘門分層取水方案的下泄水溫更接近天然河道水溫[6]，可將低溫水下泄對下游水生生物的影響降至最低。

5 主要體會

（1）糯扎渡261.5 m高的心墻堆石壩是目前國內(nèi)在建的同類壩型中的最高壩，針對常規(guī)質(zhì)量控制手段受人為因素干擾大、管理粗放等問題，華能瀾滄江水電有限公司會同天津大學(xué)、中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院等單位產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，研發(fā)建設(shè)了具有實(shí)時(shí)、高精度等特點(diǎn)的高心墻堆石壩施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，自動監(jiān)測記錄碾壓機(jī)械的行車速度、碾壓遍數(shù)、激振力、壓實(shí)厚度。大壩填筑碾壓過程中，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到鋪料厚度超過規(guī)定，或有漏碾、超速、激振力不達(dá)標(biāo)時(shí)，PDA即時(shí)報(bào)警提示有關(guān)管理人員、及時(shí)糾偏，保證了大壩施工質(zhì)量可控、在控，同時(shí)為工程管理與決策提供了全方位的信息支撐和分析平臺。

（2）工程開工前，華能瀾滄江水電有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)和科研試驗(yàn)單位，對制約工程建設(shè)的重大關(guān)鍵技術(shù)問題做了大量的攻關(guān)研究。建設(shè)過程中，業(yè)主會同設(shè)計(jì)、施工和科研試驗(yàn)單位對新出現(xiàn)的各種重大技術(shù)問題及時(shí)進(jìn)行了研究處理，多年的工作基礎(chǔ)和精誠協(xié)作是糯扎渡水電站工程又好又快實(shí)現(xiàn)蓄水發(fā)電建設(shè)目標(biāo)的重要保證。

［1］蔡紹寬.加快糯扎渡水電站建設(shè)，把云南省建設(shè)成全國重要的水電能源基地［J］.水力發(fā)電， 2005， 31（5）:1-3.

［2］張宗亮.糯扎渡水電站工程特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.水力發(fā)電,2005， 31（5）:4-7.

［3］馮業(yè)林，孫君實(shí)，劉強(qiáng).糯扎渡心墻堆石壩防滲土料研究［J］.水力發(fā)電， 2005， 31（5）:43-45.

［4］中國水電工程顧問集團(tuán)公司.云南瀾滄江糯扎渡水電站樞紐工程蓄水安全鑒定報(bào)告［R］.北京:中國水電工程顧問集團(tuán)公司，2011.

［5］楊再宏，孫懷昆，顧亞敏，等.糯扎渡水電站泄洪消能設(shè)計(jì)與選擇［J］.水力發(fā)電， 2005， 31（5）:46-47， 55.

［6］中國水利水電科學(xué)研究院，中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院.大型水電站進(jìn)水口分層取水研究項(xiàng)目研究報(bào)告［R］.2008.