云南金汉拉扎水电站大坝设计

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

1 工程概况

金汉拉扎水电站位于云南省迪庆州香格里拉县东部的洛吉乡境内，主要建筑物由挡泄水建筑物、引水系统及发电厂房三大部分组成。项目为日调节电站，装机容量58 MW，挡水建筑物、引水系统及电站厂房等为3级建筑物。混凝土闸坝50 a一遇设计洪水流量255 m3/s，500 a一遇校核洪水流量448 m3/s。坝址位于尼汝河金汉拉扎附近，下距尼汝河第一大支流洛吉河河口约12 km，距洛吉乡政府15 km；引水系统及发电厂房均位于尼汝河右岸，电站厂房下距洛吉河河口约 0.2 km。坝址控制流域面积457.1 km2，多年平均流量11.6 m3/s，正常蓄水位2 325 m，最大坝高22 m，最大发电水头420 m，装机容量2×29 MW，多年平均发电量 2.65亿kW·h。

2 坝址区地形地质条件

坝址区属深切割高山峡谷地形，河道较狭窄，水流湍急，两岸无冲沟发育。坝址区河流流向约153°，坝线附近河水位2 308 m(2005年1月15日)，河水面宽约14 m，水深1.8 m左右。左岸地形陡峻，岸坡坡度53°左右。右岸地形下缓上陡，高程2 325 m以下为缓坡地带，坡度10°～24°；高程2 322 m以上地形逐渐变陡，高程2 325～2 345 m，坡度35°～43°；高程2 345 m以上约51°。

坝址区出露的基岩为华力西期侵入辉绿岩体，第四系覆盖层主要为冲积、崩冲积、崩坡堆积和冰川堆积。其中，建筑物基础以下冲积堆积(alQ)为砂砾卵石夹块石、漂石，略具分选性，砂砾卵石磨圆度较好，以圆状、次圆状为主，块石、漂石为次棱角状、棱角状，其主要成份为灰岩、玄武岩、辉绿岩、板岩等。崩冲积厚35～43 m，上部15～21 m为砂砾卵石夹漂石、碎块石，下部20～22 m为漂石含砂砾卵石夹一层厚约5 m的碎石混合土。崩冲堆积(col+alQ)厚3～8 m，分布于尼汝河岸边缓坡地带，主要为砂砾卵石、混合土碎块石及漂石，其主要成份为玄武岩、辉绿岩、灰岩等。土体物理力学参数值见表1。

表1 坝基土体物理力学参数值

3 坝型选择及首部枢纽布置

3.1 坝型选择

根据坝址地形、地质条件，研究了能够适应本坝区地形地质条件的混凝土溢流坝和塑性混凝土防渗心墙堆石坝两种方案。混凝土溢流坝方案的枢纽布置由河床布置的混凝土溢流坝、泄洪冲沙消能建筑物和右岸布置的引水隧洞及电站厂房等组成。塑性混凝土防渗心墙堆石坝方案的枢纽布置由塑性混凝土防渗心墙堆石坝、左岸泄洪洞、右岸冲沙泄洪洞和右岸布置的引水隧洞及电站厂房等组成。

两种方案比较结果表明，塑性混凝土防渗心墙堆石坝能充分利用泄洪洞开挖料及当地材料，施工简单便利，施工时不需另建上下游围堰及导流洞，对变形和沉降要求较低。但该方案排沙相对较差，泄洪洞和冲沙洞的成洞条件均不佳，进出口边坡较高。混凝土溢流坝方案采用开敞式溢流堰与冲沙闸泄洪结合，可以较好地解决泄洪冲沙问题，保持引水口前“门前清”，适应山区河流暴涨暴落的特点。采用河床分期导流，不需另设导流洞，边坡开挖和支护工程量较小。但拦河坝座落在砂卵石层上，抗滑稳定和基础防渗相对复杂。综合考虑，混凝土溢流坝方案后期运行管理较为简单灵活，施工期开挖范围小，对原地貌改变少，对环境保护和水土保持更有利，因而选定混凝土溢流坝方案。

表2 溢流坝整体稳定、应力计算成果

3.2 首部枢纽布置

首部枢纽挡水建筑物从左到右依次为混凝土坝、冲沙闸和右岸连接段等，河床坝段上游布置铺盖，下游布置消力池和海漫，溢流坝右侧墩墙内设生态供水管，右岸坝肩上游侧布置取水槽和进水塔。泄洪、冲沙建筑物由宽46 m的开敞式溢流堰及孔口5 m×4 m(宽×高)的冲沙闸组成，下游采用底流消能型式。河床坝段坝基防渗采用混凝土防渗墙，墙底深入基岩1 m，两岸岩石基础则采用灌浆帷幕防渗。

4 混凝土坝设计

混凝土坝段长62.5 m，分为4个坝段，溢流前缘长46 m，堰顶高程2 325 m，建基面最低高程2 303.5 m,上游坡比1∶1，下游坡比1∶0.8，直线段下部与半径 7.5 m的反弧段相切，然后与下游护坦相接。溢流坝段坝身底部和上游迎水面采用C25混凝土，溢流面采用1 m厚C35混凝土，坝体内部最初采用埋石混凝土，施工期间为加快施工进度，将埋石混凝土改为C15素混凝土。

混凝土坝位于砂卵石基础上，由于混凝土重力坝设计规范中没有覆盖层上进行重力坝设计的控制标准，因此按水闸设计规范的相关规定[1]，分析了溢流坝施工完建期和正常运行期的抗滑稳定和基底应力，计算典型剖面如图1所示。

图1 计算典型剖面

考虑的荷载主要有结构自重、水重、水压力、浪压力、泥沙压力、基底扬压力及地震荷载等。其中渗透压力折减系数取0.6，水平向地震设计加速度为0.1g，地震作用效应折减系数为 0.5。各工况下坝基应力和抗滑稳定成果见表2。

计算结果表明，在各种工况下，坝体整体抗滑稳定、基底应力和基底应力不均匀系数等均满足规范要求。

5 覆盖层上重力坝设计探讨

重力坝作为一个悬臂结构要承受水的巨大推力，靠各截面的抗剪强度维持稳定，一般修建在岩基上，重力坝设计规范中也仅列出了位于岩体基础上的抗滑稳定计算公式。但是在实际工程中，经常遇到坝基为深度较大的覆盖层：若考虑将覆盖层完全挖除再建重力坝，则经济上投资太大；若选用土石坝，则可能存在泄洪建筑物布置难度太大等问题[2-3]。因此，对一些中小型水利水电工程来说，当满足技术条件时，在覆盖层上修建重力坝是经济合理的。

覆盖层上修建重力坝需要解决建基面抗滑稳定、渗透稳定、地基承载力和沉降等问题[4]。对于抗滑稳定和地基承载力，可采用上游面放坡或设向上游延伸的悬挑底板，扩大基础尺寸，利用上游水重的方式予以解决。对于渗透稳定，根据渗漏量控制的相关要求，结合地形地质条件，采用上游铺盖、混凝土防渗墙、帷幕灌浆或组合方案进行处理。对于地基承载力和沉降，可采用置换、灌浆或者桩基础加固等方式进行处理。

国内外部分修建在覆盖层上的水电站，基于各种原因的基础条件和相关参数见表3。从表3可以看出，对于一些山区内河道，河床覆盖层下部主要为冲积或崩坡积物，经多年固结，承载力一般可达250 kPa以上，可根据上部坝体对承载力要求，采取一定的加固措施后，可利用覆盖层作为重力坝的基础。

表3 部分覆盖层上重力坝基本资料

6 结 语

金汉拉扎水电站首部枢纽采用砂卵石基础上的混凝土溢流坝和泄洪冲沙闸控相结合布置方式[5]，利用河床解决了泄水和冲沙问题。与同类工程比较，金汉拉扎大坝高度相对较大，基础仅挖除表面3～8 m，下部保留的覆盖层相对较厚，未再采用其他加固措施。自2010年1月水库蓄水发电以来，监测资料表明该工程运行正常。

对中小型水利水电工程来说，当坝基为深度较大的覆盖层时，将覆盖层完全挖除再建重力坝经济上投资太大，选用土石坝可能存在泄洪建筑物布置难度太大等问题，这时可考虑重力坝方案。现有规范尚无覆盖层上修建重力坝的设计标准，可参考水闸设计规范中土基上的闸室稳定和应力标准进行设计。通过加大基础断面、采用适当的基础加固处理措施等，在砂卵石等覆盖层基础上修建重力坝可以做到经济合理、技术可行。