云南黑龙水电站坝型选择初探

陆秉山，彭章超

（广西南宁水利电力设计院，南宁530001）

1 工程概况

黑龙水电站位于云南省红河哈尼族彝族自治州绿春县境内，是小黑江干流境内规划河段的唯一梯级。电站以发电为主，采用混合开发方式。枢纽主要建筑物包括拦河大坝、发电进水口、有压引水隧洞、调压井、高压管道、电站厂房及升压站等。拦河大坝坝址位于小黑江干流河段上游、渣吗河与勐曼河的汇合口下游3km处，大坝采用混凝土重力坝，最大坝高132m，坝顶高程574m，坝顶长301m。电站厂房采用地面式，布置李仙江左岸、已建土卡河水电站下游1.7km处的支流卧马河右岸阶地上，厂内安装3台单机容量82MW的立轴混流式水轮发电机组。引水系统布置于小黑江右岸至李仙江左岸之间山体，从地下穿越云南黄连山国家级自然保护区的缓冲区和实验区。有压引水隧洞全长14.02km，采用圆形断面，洞径7m。水库正常蓄水位570m，总库容3.507亿m3，设计水头230m，引用流量140m3/s，电站装机容量为246MW，多年平均年发电量11.076亿kW·h，属二等大（2）型工程，主要建筑物大坝、引水系统和电站厂房的建筑物级别均为2级。大坝设计洪水标准为500年一遇洪水，校核洪水标准为2000年一遇洪水。工程静态总投资30.537亿元。

2 水文地质条件

拦河大坝坝址以上集雨面积982km2，多年平均流量79.6m3/s，相应水位466.23m。500年一遇洪水设计洪水流量5380m3/s，相应水位478.20m；2000年一遇洪水校核，洪水流量6480m3/s，相应水位479.40m。

在预可行性研究阶段拟定的上、下两个坝址相距900m，两坝址河谷均为基本对称的“V”型谷，出露基岩为志留系变质砂岩、板岩，断裂构造总体不发育，上坝址河谷较宽，两岸风化、卸荷相对较深，发育有倾倒变形体，下坝址河谷较窄，两岸岩体风化、卸荷较浅，左岸分布有崩塌堆积体、近坝左岸发育泥石流沟谷。总体上，两坝址工程地质条件差异不大，均具备修建高坝的地形地质条件。但下坝址首部枢纽右岸涉及云南连山国家级自然保护区的缓冲区，按《自然保护区条例》规定，保护区调整前方案不可行，而上坝址首部枢纽右岸仅涉及实验区，按《自然保护区条例》规定，方案可行。通过对两坝址地形、地质、自然保护区限制、库容及调节性能、移民和环境投资、交通条件、施工条件、投资造价、工程效益等方面综合分析评价，本阶段初选上坝址为代表性坝址。

上坝址右岸为黄连山自然保护区的实验区，左岸不属于黄连山自然保护区范围。坝址河道顺直，河谷呈狭窄“V”形，两岸山体雄厚，边坡完整，但地形不对称，左岸较陡，右岸较缓，河床冲积层厚约11.0～15.0m，出露基岩为中厚层夹薄层板岩、粉砂质泥岩、粉砂岩等，岩层陡倾上游，为横向谷，岩层产状稳定，地质构造简单，无较大规模的断层发育，但两岸岩体风化、卸荷较深，局部岸坡覆盖层较厚。河床部位基本无强风化岩体，坝肩强风化岩体厚度较大，自然边坡高陡，存在边坡稳定、坝基（肩）抗滑稳定等问题，需采取相应的工程处理措施。大坝坝基面置于微风化、弱风化下部岩层上，基岩属中等坚硬Ⅲ类岩（饱和抗压强度为32 ～38MPa，VP=2200 ～6200m/s，KV=0.44～1.10，变形模量5.7～7.0GPa），岩体物理力学性质基本满足坝基坝肩设计要求。坝址总体具备修建高坝的地形地质条件。

工程所在地天然砂石料缺乏，所需砂石料主要采用人工砂石料。坝址附近主要为板岩和泥岩，强度低，且开采后多成薄片状，不能用作混凝土骨料，距坝址约17km处有石料可开采，质量和储量均能满足工程需求，岩性为花岗岩。

3 坝型比选

3.1 坝型比选方案

黑龙水电站工程坝址以上河流洪水多为暴雨形成，由于流域区属暴雨中心，山高坡陡，洪水汇流速度快，具有洪水量大且暴涨暴落的山区河流特点。而本工程水库滞洪库容较小，削峰能力较弱。因此，坝体泄洪问题是影响坝型选择的主要因素之一。

坝址区河谷狭窄，两岸山体雄厚，边坡高陡，从地形上分析比较合适布置重力坝和拱坝，这两种坝形可较好地解决汛期大量洪水沿原河道通过坝体泄向下游。

因两岸山坡地形不对称，上覆残坡积层厚度相对较大，基岩属中等坚硬Ⅲ类岩类，岩石单轴饱和抗压强度及变形模量均较低，两坝肩强风化岩体较厚，弱卸荷深度较大，且两岸坝肩上下部均分布有部分岩石倾倒变形体。有关研究认为，对于拱坝坝基变形模量应不小1/4混凝土弹性模量，本工程坝高在130m左右，岩体强度与应力比仅在5左右，部分岩体的变形模量低，显然不太适宜建拱坝。

坝址区河谷狭窄，两岸山体雄厚，边坡高陡，也不具备设置其他岸边式泄洪建筑物的特殊地形地质条件，再者坝址附近没有土料料源，不适合建土坝；如采用混凝土面板堆石坝作为挡水建筑物，需考虑布置泄洪洞，因高坝土石方工程量很大，但坝址附近岩石均为中厚层夹薄层板岩等，岩质强度较低，开采后多成薄片状，无法作为坝体填筑堆石材料使用，且可选花岗岩料源运距较远，因此虽然混凝土面板堆石坝存在泄洪建筑物布置困难、坝体填筑工程量很大、施工困难及填筑堆石料源远等问题，但本阶段仍推荐混凝土面板堆石坝作为当地材料坝参与坝型比选。

对于高重力坝，适合坝型有常态混凝土重力坝和碾压混凝土重力坝，考虑碾压混凝土重力坝虽然对施工队伍和施工设备要求较高，且碾压混凝土层面结合处易成为渗水的薄弱层面，但其具有施工进度快、水化温升较低和温控简单、投资较小等优点。碾压混凝土重力坝方案较优，比较适宜本工程。因此，本阶段推荐碾压混凝土重力坝作为重力坝参与坝型比选。

综上所述，从河谷的形状、地形地质条件及无土料料源条件来分析，坝址不具备修建拱坝及土坝的条件，故本阶段初选碾压混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝两种坝型进行坝型比较。

3.1.1 碾压混凝土重力坝枢纽布置方案

枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、泄洪消能建筑物及右岸引水发电系统等组成。重力坝坝顶高程574.00m，最大坝高132.00m，坝顶长301m，其中河床部位布置溢流坝段，两岸布置非溢流坝段，溢流坝段长55m，非溢流坝段长246m。泄洪建筑物布置在河床坝段，拟采用3个溢流表孔和2个泄洪中孔联合泄洪方案，大坝泄水建筑物采用宽尾墩—中孔跌流—消力池联合消能方式。溢流表孔为开敞式WES堰，堰顶高程557.00m，孔口尺寸9m×13m；泄洪中孔为有压孔，进出口底坎高程506.00m，进口孔口尺寸4m×8m。为了满足水库放空及施工期导流要求，拟在右岸非溢流坝段布置一孔导流放空底孔，底孔进出口底坎高程478.00m，进口孔尺寸2m×3.5m。坝体非溢流坝段下游坝坡1∶0.8，上游面为高程487m以上铅直面，高程487m以下为1∶0.2斜坡面。非溢坝段坝体C15碾压混凝土，上游面572.00m高程和下游面480.00m高程以下外包C20碾压混凝土防渗面板。溢流坝段坝体C15碾压混凝土重力坝，上、下游面C20碾压混凝土防渗面板，下游防渗面板外包C35抗冲磨混凝土溢流面。

引水发电系统初拟采用右岸尾部开发方案，主要由发电进水口、有压引水隧洞、调压井、高压管道、发电厂房及尾水渠等建筑物组成。

3.1.2 混凝土面板堆石坝枢纽布置方案

枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、两岸泄洪消能建筑物及右岸引水发电系统等组成。混凝土面板堆石坝建筑物级别为1级，设计洪水标准为重现期500年一遇，相应洪峰流量5380m3/s；校核洪水标准为重现期5000年一遇，相应洪峰流量7120m3/s。

混凝土面板堆石坝坝顶高程577.30m，最大坝高127.3m，坝顶长度270m。上游坝坡坡比1∶1.4，下游坝坡考虑上坝公路的综合坡比1∶1.56。坝体断面材料主要分为垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区、下游堆石区、下游抛石区，以及在面板上游下部设上游粘土铺盖区和石渣盖重区。由于上坝址附近无天然垭口，且两岸山体陡峻，没有条件布置开敞式岸边溢洪道，只能采用隧洞泄洪。因此，在左右两岸各布置一条泄洪洞，进口高程530m，洞宽12m，洞高15m；在右岸布置一条泄洪放空洞，泄洪放空洞由导流隧洞改建而成。

引水发电系统初拟采用右岸尾部开发方案，主要由发电进水口、有压引水隧洞、调压井、高压管道、发电厂房及尾水渠等建筑物组成。

3.2 坝型比选及初拟代表性坝型

碾压混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝两种坝型的优缺点分析和综合比较详见表1。综合比较认为：

表1 黑龙水电站坝型技术经济综合比较

（1）地形地质条件。坝址区河谷狭窄，两岸山体雄厚，边坡高陡。基岩属中等坚硬Ⅲ类岩类，岩石饱和抗压强度及变形模量较低。从地形地质条件看，比较适合修建碾压混凝土重力坝。虽然混凝土面板堆石坝对地基地质条件的要求比重力坝要低，但从地形条件看，坝址区不具备设置其他岸边式泄洪建筑物的特殊地形条件，只能设置泄洪洞作为泄水建筑物，因此，高陡狭窄的地形对修建混凝土重力坝较混凝土面板堆石坝有利。

（2）枢纽布置条件。碾压混凝土重力坝坝身可自设泄洪建筑物，布置相对简单、集中，但由于泄水挑距较近和原河床底宽较窄，碾压混凝土重力坝下游需布置泄洪消能防冲设施。混凝土面板堆石坝需要另外修建泄洪洞作为泄水建筑物，由于下泄流量较大，需修建2个断面较大的泄洪洞，才能满足泄洪要求，因此泄水建筑物工程量增加较大，消能防冲建筑物距离下游坝脚较远，不会危及主坝安全。同时，混凝土面板堆石坝的设计、校核、导流洪水标准规模比混凝土重力坝高，加大了整个工程的工程量。

（3）筑坝材料条件。工程区对外交通条件相对较好，对于混凝土重力坝，其需要的水泥和掺和料外购运输较方便，工程所需人工骨料用量相对较少，当地块石料质量储量均能满足要求，较适宜修建混凝土重力坝。对于混凝土面板堆石坝，所需坝体堆石料工程量很大，但由于坝址附近岩石均为中厚层夹薄层板岩等，岩质强度较低，开采后多成薄片状，无法作为坝体填筑堆石材料使用，且可选花岗岩料源运距较远，其储量难以满足要求，同时混凝土面板堆石坝粘土铺盖工程量较大，坝址附近无粘土料源，所需粘土需到更远的土料场开采运输。作为当地材料坝的填筑材料不能就地取材，运距较远，势必增加工程造价，因此，从筑坝材料看，当地材料的质量、储量及分布显然不利于修建混凝土面板堆石坝。

（4）施工条件。坝址区地形狭窄，施工场地有限。碾压混凝土重力坝，集中布置，方便施工，且坝身能过水，施工导流、度汛标准相对较低，导流工程投资相对较小。混凝土面板堆石坝方案坝体与泄洪洞施工干扰大，施工布置困难，且坝身不能过水，施工导流、度汛标准高，难度大，工程量较大，导流工程投资相对较大。

（5）运行条件。碾压混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝均设置了泄洪系统。但混凝土面板堆石坝存在水库漫顶会产生溃坝的危险。因此，混凝土面板堆石坝对泄洪建筑物的安全运行要求较碾压混凝土重力坝要求高。

（6）工程投资条件。碾压混凝土重力坝坝基开挖和地基处理工程量较大，但坝体工程量不大。混凝土面板堆石坝虽然坝基开挖和地基处理工程量较小，但坝体填筑工程量很大，且不能就地取材，材料运距远，材料费用较高。经估算，碾压混凝土重力坝造价7.28亿元；混凝土面板堆石坝造价7.65亿元。从工程投资看，混凝土面板堆石坝造价较高，但如果再考虑因施工导流增加的投资，混凝土面板堆石坝造价还会更高。碾压混凝土重力坝造价较小，方案较优。

（7）对项目总工期的影响。由于引水隧洞很长，项目总工期和第1台机组发电的时间主要由引水隧洞施工进度控制，两方案拦河大坝的施工进度对总工期影响不大。

经技术经济综合比较，认为综合条件不太适合建混凝土面板堆石坝，而建碾压混凝土重力坝方案比较适合。因此，为节省投资、加快施工进度，本工程初拟碾压混凝土重力坝为代表性坝型。

4 结论和建议

碾压混凝土坝既具有混凝土体积小、强度高、防渗性能好、坝身可溢流等特点，又具有土石坝施工程序简单、快速、经济、可使用大型通用机械的优点，在国内外得到了广泛应用和发展。在预可行性研究阶段，黑龙水电站坝址比选因受黄连山自然保护区的制约，只能初选下坝址为代表性坝址，经综合比较初拟碾压混凝土重力坝为代表性坝型。在下阶段，由于黄连山自然保护区的功能区划调整获得国家批准，坝址及坝型比选不受此制约，因此，下阶段应重点研究坝址及坝型比选，建议在上坝址采用混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝两方案进行比选，选定上坝址代表性坝型及相应枢纽布置方案；在下坝址采用混凝土拱坝和混凝土重力坝两方案进行比选，选定下坝址代表性坝型及相应枢纽布置方案；然后通过上、下坝址代表性坝型及其枢纽布置方案比选，最终选择合理可行的坝型。

［1］广西南宁水利电力设计院.云南黑龙水电站工程预可行性研究报告［R］.

［2］DL/T5005—1992，碾压混凝土坝设计规范［S］.

［3］DL5108—1999，混凝土重力坝设计规范［S］.

［4］DL/T5016—1999，混凝土面板堆石坝设计规范［S］.

［5］张光斗，王光纶.水工建筑物［M］.北京：水利电力出版社，1994.

［6］华北水利学院主编.水工设计手册（第5卷）［K］.北京：水利电力出版社，1989.

［7］能源部、水利部碾压混凝土筑坝推广领导小组.碾压混凝土筑坝设计与施工［M］.北京：电子工业出版社，1990.

［8］于忠政，雷兴顺.大朝山水电站碾压混凝土重力坝设计［J］.水力发电，1998（9）:36-39.