糯扎渡水电站枢纽工程主要技术创新与实践

张宗亮，刘兴宁，冯业林，李仕奇，张四和，武赛波，邵光明

（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南 昆明 650051）

1 工程概况

糯扎渡水电站位于云南省普洱市思茅区和澜沧县境内，是澜沧江中下游河段梯级规划 “二库八级”电站的第5级，其上游与大朝山水电站衔接，下游与景洪水电站衔接。工程以发电为主，并兼有下游景洪市 （坝址下游约110 km）的城市用水、农田防洪及改善下游航运等综合利用任务。水库正常蓄水位812.00 m，汛限水位804.00 m，死水位765.00 m， 总库容 237.03×108m3， 调节库容 113.35×108m3，具有多年调节能力。电站装机容量5 850 MW （9×650 MW），保证出力2 406 MW。工程枢纽由心墙堆石坝、左岸岸边溢洪道、左岸泄洪隧洞、右岸泄洪隧洞、左岸引水系统和地下厂房组成，最大坝高261.5 m。

2 工程布置及主要建筑物

本工程为一等大 （1）型工程，永久性主要水工建筑物为1级建筑物，其他次要建筑物为3级建筑物。堆石坝洪水设计标准为重现期1 000年 （P＝0.1%），泄洪流量Q＝26 913 m3/s，校核标准为PMF，泄洪流量 Q＝37 532 m3/s。

2.1 枢纽布置

根据地形地质条件、施工及运行要求，最终确定枢纽布置为：挡水建筑物为直心墙堆石坝；泄洪建筑物由左岸开敞式溢洪道、左岸泄洪隧洞 （后段结合5号导流隧洞）、右岸泄洪隧洞和下游护岸工程组成；引水发电建筑物由左岸引水系统、地下主副厂房洞室群、尾水系统 （1号尾水隧洞与2号导流隧洞结合）、地面副厂房及出线场组成；导流建筑物由左岸1、2、5号导流隧洞，右岸3、4号导流隧洞组成。上、下游围堰均为土石围堰，上游围堰与大坝结合，下游围堰与量水堰结合。糯扎渡水电站枢纽建筑物透视图见图1。

图1 糯扎渡水电站枢纽建筑物透视图

2.2 主要建筑物

2.2.1 挡水建筑物

坝体基本剖面为中央直立掺砾土心墙形式，心墙两侧为反滤层，反滤层以外为堆石体坝壳。坝顶宽度为18 m，心墙基础最低建基面高程为560.0 m。上游坝坡坡度为1∶1.9，下游坝坡坡度为1∶1.8。坝体总填筑量3400万m3。其中，心墙填筑量为464万m3。

2.2.2 泄水建筑物

（1）开敞式溢洪道布置于左岸平台靠岸边侧部位，溢洪道水平总长1 445 m，宽151.5 m。进口底板高程775.0 m，共设8个15 m×20 m （宽×高）表孔，每孔均设检修门和弧形工作闸门，溢流堰顶高程792 m，堰高17 m，最大泄流量31 318 m3/s，最大流速52m/s，采用挑流并预挖消力塘消能。

（2）左岸泄洪隧洞进口底板高程721.0 m，全长950 m。有压段为内径12 m的圆形，工作闸门为2孔，孔口尺寸5 m×9 m，最大泄流量3 395 m3/s，最大流速42 m/s。无压段为城门洞形，尺寸12 m×（16～21 m），其后段与5号导流隧洞结合，结合段长343 m，出口采用挑流消能。

（3）右岸泄洪隧洞进口底板高程695.0 m，洞轴线在有压段平面转角60°，全长1 062 m。有压段为内径12 m的圆形，工作闸门为2孔，孔口尺寸5 m×8.5 m，最大泄流量3 257 m3/s，最大流速42 m/s。无压段为城门洞形，尺寸12 m×（18.28～21.5 m），出口采用挑流消能。

2.2.3 引水发电建筑物

（1）电站进水口引渠底板高程734.5 m，进水塔长度225 m、宽35.2 m （顺水流方向）、高88.5 m，塔顶高程同大坝坝顶高程821.5 m。为了减免下泄低温水对下游水生生物的影响，进水口利用检修拦污栅槽设置叠梁门进行分层取水。按单机单管布置9条引水道，单机引用流量381 m3/s，引水道的直径9.2～8.8 m。

（2）地下主、副厂房尺寸418 m×29 m×81.6 m，机组间距34 m，机组安装高程587.9 m。地下主变室尺寸348 m×19 m×38.6 m，内设主变层、电缆层及GIS层；上游设9条母线洞与主厂房相连，下游设2条出线竖井通向高程821.5 m的平台地面副厂房。地面副厂房、500 kV出线场、出线终端塔场地、进排风楼等布置在主厂房顶高程821.5 m的平台上。

（3）尾水调压室采用圆筒式调压井，按 “一”字形布置，调压室直径分别为27.8 m （1号）、29.8 m（2、3号），高度92 m，间距为102 m，尾水闸门室布置在尾水调压室上游42.5 m处。调压井后各接1条尾水隧洞，洞径为18 m，洞长447～465 m。其中，1号尾水隧洞与2号导流隧洞相结合，结合段长334.4 m，城门洞形断面尺寸为16 m×21 m （宽×高）。尾水隧洞出口均布置2孔尾水检修闸门。

2.2.4 导截流建筑物

上游围堰为与坝体结合的土石围堰，堰顶高程656.0 m，围堰顶宽15 m，堰顶长265 m，最大堰高82 m。624.0 m高程以下上游面坡度为1∶1.5；624.0 m高程以上为1∶3，下游面坡度为1∶2。围堰上部采用土工膜斜墙防渗，下部及堰基防渗采用混凝土防渗墙，厚度0.80 m。下游围堰与量水堰结合，为土石围堰，堰顶高程625.0 m，围堰顶宽12 m，堰顶长191 m，下部坡度为1∶1.5，上部为1∶1.8，最大堰高42 m。围堰上部采用土工膜心墙防渗，下部及堰基采用混凝土防渗墙防渗，厚度0.80 m。

导流隧洞断面形式均为方圆形，1～3号导流隧洞断面尺寸16 m×21 m （宽×高），1、3号导流隧洞进口底板高程为600.0 m；2号导流隧洞进口底板高程为605.0 m，后段与1号尾水隧洞结合；4号导流隧洞断面尺寸为7 m×8 m （宽×高），进口底板高程为630.0 m；5号导流隧洞进口底板高程为660.0 m，前段为有压段，衬砌后断面尺寸为7.0 m×9.0 m （宽×高），底坡为平坡，闸后为无压洞段，衬砌后断面尺寸为10.0 m×12.0 m （宽×高），出口挑流消能。

3 主要技术创新与实践

3.1 工程勘察与试验

3.1.1 工程地质分区

坝址区工程地质条件复杂，岩体风化程度、构造发育程度等均呈现很大的不均一性。在详细分析坝址区地层岩性、地质构造、风化卸荷、地下水等基本地质条件的基础上，参考岩体质量综合分类的方法，将坝址区工程地质条件按不同等级分为A、B、C、D、E、F等6个区。以A区工程地质条件最好，以下依次变差，F区分布有工程区2条最大的断层，属最差。工程地质分区为枢纽建筑布置提供了可靠依据，如主要建筑物除大坝坝基外，地下厂房、引水发电系统均布置于A区。

3.1.2 渗透变形试验及固结灌浆试验

受构造、风化、蚀变等因素的综合影响，坝基右岸中部岩体形成了大致顺河方向延伸并包括断层在内的构造软弱岩带，带内岩体破碎，风化较强烈，完整性差，各级结构面发育，并且多夹泥或附有泥质薄膜。由于构造软弱岩带内岩体强度及变形模量低，抗变形性能差，渗透性较大，易产生不均匀变形，难以满足大坝对地基强度、抗变形性能及防渗方面的要求。为了为坝基处理措施提供依据，对该构造软弱岩带开展渗透变形试验及固结灌浆试验。

渗透变形试验布置于带内规模最大的断层内。试验成果表明，断层带最小临界比降达到2，可以满足抗渗变形要求。在探硐内进行的高压固结灌浆试验表明，通过高压灌浆处理，特别是超细水泥的使用，对于降低岩体的透水率，提高岩体的渗透稳定性效果显著，岩体的均一性和力学性质也有不同程度的提高，抵抗变形破坏的能力得到加强。这说明采用高压固结灌浆的方法处理坝址右岸构造软弱岩带的措施是可行的。

3.1.3 主要建筑物开挖区按料场开展勘察试验

电站进水口及溢洪道开挖料石渣总方量约4 000万m3，充分利用开挖渣料可以节约大量资金。因此，对电站进水口及溢洪道开挖区进行了石料详细地质勘察。根据勘察成果及施工期揭露的实际情况，对开挖渣料分类，用于不同筑坝堆石料区或混凝土骨料。

3.2 挡水建筑物

糯扎渡水电站心墙堆石坝坝高261.5 m，上游坝坡1∶1.9，下游坝坡1∶1.8；工程规模巨大，技术难度高。如此规模的心墙堆石坝设计国内没有任何成熟经验可资借鉴，国外可资借鉴的经验也很少。为此，中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院 （以下简称“昆明院”）联合多家高等院校和科研机构，从可研阶段开始就针对糯扎渡水电站心墙堆石坝关键技术问题开展了持续深入的科技攻关。研究内容包括坝料勘察、试验及坝料特性，土石坝计算分析理论及抗裂措施，心墙堆石坝坝料分区及结构优化，心墙堆石坝动力反应分析计算理论及抗震措施，心墙堆石坝渗流分析及渗控措施等，解决了诸多关键技术问题。招标施工图阶段持续与科研单位开展深化研究工作。结合施工需要及施工中出现的一些问题，开展了坝料压实指标波动对大坝安全的影响、垫层及廊道裂缝对大坝安全的影响、蓄水速度对大坝安全的影响等科研工作。2008年汶川地震后，又根据最新的地震动参数开展了大坝抗震深化研究。上述研究成果大部分均运用到了工程的设计、施工中。根据研究成果，对高心墙堆石坝进行了创新设计，使我国高土石坝筑坝技术上了一个新的台阶。

（1）心墙防渗土料采用天然混合土料中掺人工碎石的砾质土料，改善了力学性质，使之适应了超高坝防渗土料的要求。

（2）通过对堆石料性质劣化的试验及其对坝体应力、变形影响的计算分析研究，论证了含软岩堆石料可用于高心墙堆石坝上游坝壳。最终，大坝上游共利用了478万m3建筑开挖的含软岩堆石料，减少弃渣和料场开挖。在取得显著的经济效益的同时，还方便了施工，有利于环境保护。

（3）通过大量的坝料试验及计算分析，论证了上游坝坡采用1∶1.9，下游坝坡采用1∶1.8的可行性，减小了大坝轮廓和工程布置难度，减少了填筑量。

（4）论证了直心墙堆石坝抗水力劈裂的安全性，比采用斜心墙堆石坝施工更为方便。

（5）修正了土石坝计算静、动力本构关系。

（6）提出了采用 “数字大坝——工程质量与安全信息管理系统”进行大坝施工质量的数字化监控的思路。为保障大坝施工质量提供了实时、动态、全过程的监督控制。

（7）为进行大坝施工质量及设计反馈，开展施工期及运行期的安全评价，昆明院联合清华大学开展了 “数字大坝——工程安全评价与预警信息管理系统”的研究，对施工过程、检测质量及监测数据进行综合分析及合理评价。考虑时空效应结合多尺度有限元计算进行反演分析，对大坝进行安全评价，并预测大坝在不同条件下的性态及安全裕度。根据监测和分析成果修正和完善不同时期、不同工况下大坝的各级警戒值和安全评价指标，提出相应的应急预案与防范措施。

（8）开展了土料压实控制标准与检测方法的研究。对比超大型 （φ600 mm，2 690 kJ/m3功能）、大型 （φ30 0mm，2 690 kJ/m3功能）及小型 （φ152 mm，595 kJ/m3功能）击实试验。采用小型击实P20细料成果对掺砾土料进行质量控制和采用大型击实成果对掺砾土全料进行质量控制均是可行的；施工过程中，采用小型击实P20细料成果对掺砾土料进行质量控制，并定期采用大型击实成果对掺砾土全料进行质量复核。

3.3 泄水建筑物

本工程校核洪水标准 （PMF时）总泄洪流量37 532 m3/s，溢洪道、左右岸泄洪隧洞联合泄洪功率66 940 MW。泄洪流量及功率均名列世界前茅。

3.3.1 溢洪道

溢洪道设8个15 m×20 m （宽×高）表孔，泄槽段宽151.5 m，最大泄量31 318 m3/s，最大泄量时落差182 m，最大流速52 m/s，为国内最大岸边开敞式溢洪道，最大泄洪功率 （PMF时）55 860 MW，为世界同类工程之首。

为方便运行管理、检修，采用2道中隔墙将泄槽分为左、中、右3槽。泄槽底板采用0.8～1.2 m的薄板结构，根据地形条件采用上缓下陡的两级底坡布置形式，跨断层部位采用有盖重固结灌浆和系统锚筋桩锚固处理，垂直水流方向仅在掺气坎附近设结构横缝，结构横缝间65～128 m采用通仓浇筑。

溢洪道出口采用预挖消力塘形成水垫的消能方式，较好地解决了溢洪道的消能问题。由于消力塘底面积大，约为53 000 m2，按平均厚度3 m衬砌，混凝土为15.7×104m3，还要设复杂的抽排水系统。因此，对消力塘的结构及水力设计进行了专项研究，取消了消力塘底板衬砌和复杂的抽排水系统，采取护岸不护底方案。

3.3.2 泄洪隧洞

（1）左岸泄洪隧洞最大泄流量为3 395 m3/s，工作闸门孔口尺寸5 m×9 m，布置2孔，设计水头103 m。

（2）右岸泄洪隧洞最大泄流量为3 257 m3/s，工作闸门孔口尺寸5m×8.5m，布置2孔，设计水头126m。

（3）泄洪隧洞闸门孔口水流流速接近40 m/s，无压断流速约42 m/s。泄洪隧洞两孔合一并侧向收缩的结构形式在国内尚没有成熟的工程实践。高水头、高流速增加了泄洪隧洞有压流到无压流过渡设计及无压段掺气减蚀设计的难度。

3.4 引水发电建筑物

糯扎渡水电站水库具有多年调节性能，且水库库容巨大，属典型的水温分层型水库，下泄低层低温水将对下游鱼类产生一定的不利影响，必须采取措施，将不利影响减小到最低。为此，昆明院对电站进水口进行了分层取水设计研究。采用叠梁门多层取水设计方案：进水塔顺水流向依次布置工作拦污栅、检修拦污栅 （叠梁闸门）、检修闸门、事故闸门和通气孔。其中，检修拦污栅与叠梁闸门共用检修拦污栅栅槽。

取水叠梁闸门分成4挡运行：水库水位高于803.0 m以上时，门叶整体挡水，挡水闸门顶高程为774.04 m，为第1层取水；水库水位在803.0～790.4 m时，吊起第1节叠梁门，仅用第2、3节门叶挡水，此时挡水闸门顶高程为761.36 m，为第2层取水；水库水位在 790.4～777.7 m时，继续吊起第2节叠梁门，仅用第3节门叶挡水，此时挡水闸门顶高程为748.68 m，为第3层取水；水库水位降至777.7～765.0 m时，继续吊起第3节叠梁门，无叠梁闸门挡水，为第4层取水。

叠梁门多层取水水位保证率高，电站运行灵活性较高，可保证水电站绝大部分运行时间引用水库上层水发电，最大限度地解决了对下游鱼类的不利影响。

尾水调压室采用圆筒式。为了减小尾水调压室规模，降低施工难度，确保施工安全，经分析研究认为，2号导流隧洞有较好的利用价值，1号尾水调压室充分利用了2号导流隧洞与1号尾水隧洞结合点至中部堵头段间的一段隧洞作为扩展调压室，减小了井筒尺寸，开挖时有利于围岩稳定，降低施工难度，缩短施工工期，节省了工程投资。通过水力过渡过程数值计算分析及水力学试验优化后，1号尾水调压室井筒内直径由33 m调整为27 m；2、3号由33 m调整为29 m，连通上室宽度增加为12 m，阻抗板底高程降低为578.5 m，调压室后设置30 m渐变段与尾水隧洞衔接，调压室底部中心至分缝处的距离调整为17 m。尾水调压室和尾水闸门室内的最高和最低涌浪均满足设计要求。

3.5 边坡工程

枢纽区主要边坡均为岩质边坡。右岸坝顶高程以上永久边坡最大高度220 m，电站进水口边坡最大高度87 m，尾水隧洞出口边坡最大高度225 m，溢洪道边坡最大高度270 m。左、右岸泄洪隧洞进出口边坡以及下游护岸工程边坡规模相对较小。采用台阶式开挖，每15 m或20 m高的梯段设宽3 m的马道，开挖坡比根据地质条件、建筑物设计体型等因素具体确定。对建筑物边坡开展了地质详查和结构面统计分析、岩体质量等级评定分析、边坡计算参数研究、边坡失稳模式判别、边坡二维及三维稳定分析、典型边坡二维有限元分析等工作。研究结果及施工实践表明，枢纽区边坡在综合采用分台阶开挖、边坡防排水系统、系统喷锚支护、预应力锚索等处理措施后，满足稳定和安全要求。

施工期间，针对规模较大的尾水隧洞出口边坡和溢洪道消力塘边坡，开展了开挖过程监测信息反馈分析及长期稳定性研究。根据研究结果，对消力塘边坡底部加强了预应力锚固。目前，各开挖部位边坡在施工及运行期间的稳定性均可得到保证。

3.6 心墙堆石坝安全监测

心墙堆石坝布置了完善的监测系统，在传统监测仪器布置的基础上，针对工程特点和难点，主要在以下方面进行了创新：

（1）上游堆石体位移监测。国内心墙堆石坝监测对下游堆石体位移关注较多，但对于上游堆石体位移监测关注较为忽视，上游堆石体在蓄水期和运行期的重要性不低于上游堆石体。为此，在上游堆石体内部分层布置弦式沉降仪，在心墙表面对应高程布置视准线以监测其位移，为全方位监测大坝变形提供了支撑。

（2）心墙与反滤间错动变形监测。心墙与反滤之间的错动情况对评价大坝的整体变形协调至关重要。但是，国内在此方面尚无监测实例。本工程将剪变形计布置于心墙与反滤之间，埋设高程与上、下游堆石体对应，可综合评判大坝的变形协调情况。

（3）心墙沉降监测。心墙沉降监测一般采用电磁沉降仪，因其具有埋设简单、测值可靠等优点应用广泛。由于埋设于心墙中的电磁沉降环为磁性体，存在消磁的风险。针对此情况，糯扎渡水电站心墙沉降环采用不锈钢材料，将磁性被动探测改为主动发射，提高了仪器的耐久性。

（4）下游堆石体沉降监测。下游堆石体沉降监测一般采用水管式沉降仪。常规水管式沉降仪测线为3管式，包括进水管、排水管和排气管。由于超高坝带来管线超常规，管线的不均匀沉降可能导致观测异常。为此，本工程将3管式改进为4管式，增加1根进水管，提高了仪器的可靠性及观测精度。

3.7 导截流建筑物

为满足工程施工导截流的需要，糯扎渡水电站共布置5条导流隧洞，规模巨大。上游围堰与大坝坝体结合，下游土石围堰后期改造成坝体量水堰，围堰布置、体型结构要求特殊，且围堰施工工期紧张。

（1）大断面导流洞开挖支护和薄壁混凝土衬砌。采用考虑 “一次支护加固围岩”的隧洞开挖、支护及混凝土衬砌设计方法，完成总长约3 300 m隧洞的支护及薄壁混凝土衬砌设计，取得巨大的经济效益。总结的大型水工隧洞的开挖、支护和衬砌设计理念在国内多个工程中运用。

（2）大断面浅埋渐变段开挖、支护。1、2号导流洞进口渐变段最大开挖尺寸27.6 m×26.3 m，受F5、F6断层影响，岩体类别为Ⅲ、Ⅳ类。采用先悬吊锚筋桩，后预应力锚索及超前锚杆锚固，再进行隧洞进口开挖支护的设计方案，成功地运用于2号导流洞进口渐变段。上覆岩体厚仅27.2 m，开挖跨度27.6 m，平顶一次开挖、支护成型，在国内、外均属首次。

（3）大断面导流洞通过不良地质洞段。1、2号导流洞开挖断面尺寸为19.6 m×24.3 m。隧洞穿过F3断层及其影响带。利用监测资料，采用 “反演分析法”进行支护调整，使巨型隧洞成功穿过约40 m的特殊地质段。这是隧洞支护设计的创新，也是施工技术的成功实践，具有国内先进水平。

（4）80 m级土工膜防渗体围堰。鉴于围堰布置、结构的特殊要求及工期的紧迫性，对围堰布置及结构形式进行技术研究，确定了实现工期有保障、结构安全、经济上较优的围堰布置形式。采用高达82 m的土工膜斜墙土石围堰 （上游）及土石围堰后期改造成坝体量水堰的围堰设计 （下游）。

（5）大流量、高流速、高落差山区河流截流工程实践。截流龙口最大流速为7.52 m/s，最大落差6.7 m，具有高流速、高落差的特点，截流难度大。现场监测龙口各水力学指标与设计完全吻合，截流规划设计准确指导了截流的实施，为截流水力设计参数取值提供了成功经验。

3.8 料物平衡与工程建设

（1）坝料利用情况。糯扎渡水电工程可用开挖料主要有电站进水口、溢洪道开挖料，尾水出口边坡、地面开关站及导流洞进口开挖料等，开挖总量约4 002×104m3。利用料包括直接上坝、回采上坝和混凝土粗细骨料，总量约为2 232×104m3，利用率约为56%。

（2）工程建设里程碑。糯扎渡水电站于2003年10月可研通过审查。审查通过的工程施工总工期为11.5年 （138个月）。其中，准备工程约3年 （34个月），主体工程约5.5年 （69个月），完建约3年（35个月），第1台机组发电约8.5年 （103个月）。工程筹建期为3年。2004年4月，筹建期项目陆续开工建设；2006年1月，导流洞主洞开工建设；2007年11月4日截流；2008年12月大坝心墙区开始填筑；2011年11月下闸蓄水；2012年第3季度首台机组投产发电；2014年6月工程完工。工程筹建期、准备期、首台机组发电均缩短工期约1年。

3.9 永久与临时建筑物密切结合

结合地形地质条件、施工及运行要求，减少工程量，降低工程投资，永久与临时建筑多处结合布置，具体如下：①上游围堰与大坝；②下游围堰与量水堰；③5号导流隧洞后段与左岸泄洪隧洞；④2号导流隧洞后段与1号尾水隧洞及1号尾水调压室；⑤5号导流隧洞交通洞充分利用15号施工支洞。

3.10 厂房三维协同设计

采用RIVET等软件进行多专业协同三维设计，设计成果可从多角度、各部位真实展示，甚至可模拟漫游电站厂房。在各专业、各系统的设计过程中，解决了相互间错、漏、碰、撞的问题。三维模型不仅真实地再现了工程实施后的全貌，还可方便地转化为二维施工图。目前，电站的布置、电缆桥架等均采用三维模型转化的方式出二维施工图。推广采用了三维协同设计，有效地减少了95%以上的设计中的 “错、漏、碰”问题。