糯扎渡水电站建设中的主要技术难题与对策

艾永平，赵 川

（华能澜沧江水电有限公司，云南 昆明 650214）

1 工程概况

糯扎渡水电站是澜沧江中下游河段梯级规划的第5级，枢纽由心墙堆石坝、岸边开敞式溢洪道、泄洪隧洞、地下引水发电系统等建筑物组成。心墙堆石坝最大坝高261.5 m，水库正常蓄水位812 m，总库容237.03亿m3，具有多年调节能力。电站总装机容量5850 MW （9×650 MW），多年平均年发电量239.12亿kW·h，加入联合补偿调节后，可使云南省水电站群电能质量得到显著改善[1]。按照工程建设计划，水库水位将于2012年汛期达到初期发电水位 （765 m高程），实现首批机组投产发电目标。

工程建设过程中遇到的主要难题表现在以下几个方面:

（1）心墙堆石坝8种填筑料分12个区、Ⅸ期填筑，施工程序复杂，质量要求高。坝体总填筑量约3400万m3，其中Ⅰ区粗堆石料1078万m3，Ⅱ区粗堆石料1265万m3，心墙掺砾土料464万m3，工程规模大、技术难度高，国内没有超过200 m高心墙堆石坝建设经验[2]。土料场混合土料防渗性能较好，但抗剪强度和压缩模量指标较低，不能满足261.5 m高心墙堆石坝对心墙填筑体的变形控制要求，需针对心墙防渗料、反滤过渡料、坝壳堆石料，深入开展坝料特性、坝体结构分区、坝体和坝基渗流、坝体应力和变形、坝体动力反应和抗震性能等方面基础理论和关键技术研究。

（2）溢洪道承担工程总泄流量的83%，最大泄流量31318 m3/s，最大泄洪水头182 m，最大流速53 m/s，最大泄洪功率55860 MW，具有 “大泄量、高水头、高流速”等特点。高流速泄槽掺气减蚀、泄洪雾化强降雨区建筑物及边坡安全问题突出，防护措施要求高，需重点研究溢洪道泄流能力、下游消能防冲等问题[2]。

（3）糯扎渡水库属典型的水温分层型水库，为减免 “高坝大库”发电下泄的低温水对下游水生生物的影响，电站进水口利用检修拦污栅槽设置叠梁闸门进行分层取水，水流流态、塔体结构和体形非常复杂。

建设过程中，华能澜沧江水电有限公司联合设计、施工和科研试验单位协同攻关，对心墙堆石坝坝料特性、坝体结构分区、坝体和坝基渗流、坝体应力和变形、坝体动力反应和抗震性能等方面深入开展了基础理论和关键技术研究，并对溢洪道泄洪消能及高流速泄槽掺气减蚀、电站进水口叠梁闸门分层取水等重大技术问题进行了深入研究，制定了相应的对策和措施，实现了又好又快的建设目标。

2 心墙堆石坝

2.1 土料特性

在糯扎渡农场土料场取深度10 m范围内的坡积层料和下部的全、强风化层料，立采混合获得的砾质土料大于5 mm的砾石占15.6%，细粒含量及塑性指数较高，防渗性能较好，但抗剪强度和压缩模量参数较低。计算分析表明:防渗体采用混合土料填筑时，竣工后心墙区沉降量达2957 mm，不能满足 “坝体后期沉降量与坝高之比小于1%”的规范要求。根据勘探成果，农场土料场全、强风化层料小于0.075 mm细粒含量超过30%，主要技术指标满足防渗土料的基本要求，但全、强风化层厚度不均匀，开采受地下水影响，混合开采获得的风化料质量难以保证[3]。研究表明:砾质土料中砾石开始起骨架作用的砾石含量P5I约为30%～40%；砾石含量小于P5I时，砾质土全料的干密度随砾石含量成比例增加，细粒料可以得到充分压实，防渗体开裂时，裂缝自愈能力较强——砾质土中的粗颗粒可减弱沿裂缝的渗流冲蚀，抑制裂缝的开展，有利于裂缝自愈。农场土料场混合土料掺砾35%时，在1470 kJ/m3击实功能下，击实后大于5 mm的砾石含量平均值为38.5%，渗透系数i×10-6，抗变形和抗剪强度指标较混合土料均有较大提高[3]。防渗体采用掺砾土料填筑时，竣工后心墙区沉降量为1485 mm，抗渗坡降平均值为106，强度和变形性能以及细粒料的渗透稳定性等方面的性能均较优，因此最终确定在农场混合土料中掺砾35% （质量比）。

2.2 坝体结构分区

大坝坝顶高程821.5 m，长627.87 m，宽18 m。心墙位于坝体中部，顶高程为820.5 m，顶宽10 m，心墙上、下游坡度均为1∶0.2，最低建基面高程为560 m。 大坝上、 下游坝坡分别为 1∶1.9、 1∶1.8。 坝体填筑料从上游至下游依次为上游围堰、上游Ⅰ区粗堆石料区 （RU1区）、Ⅱ区粗堆石料区 （RU2区）、细堆石料区 （RU3区）、反滤料区 （F2、F1区）、掺砾粘土心墙料区 （ED区）、坝基 （肩）高塑性接触粘土区 （EJ区）、下游反滤料区 （F1、F2区）、细堆石料区 （RD3区）、Ⅱ区粗堆石料区 （RD2区）和Ⅰ区粗堆石料区 （RD1区）、下游围堰。研究表明:含部分软岩的Ⅱ区粗堆石料可用于高心墙堆石坝的上游坝壳区[4]。糯扎渡水电站大坝心墙上游共用了约478万m3强风化花岗岩及T12m砂泥岩工程开挖料（Ⅱ区粗堆石料），心墙及反滤基础设置带有灌浆廊道的钢筋混凝土垫层，并对其下基岩进行固结灌浆，右岸构造软弱岩带采取加强固结灌浆处理。

2.3 坝体和坝基渗流

河床部位心墙坝基以Ⅱ类微风化花岗岩为主，岩体呈块状结构、透水性弱。左岸心墙坝基岩体以Ⅲa类弱风化下部花岗岩为主，局部夹Ⅳ类或Ⅴ类岩体。右岸心墙坝基中部及上部岩体受断层及卸荷影响，属Ⅲb和Ⅳ类，反滤延长区边缘见全、强风化花岗岩，分布有 F5、F14、F12、F13、F16断层，由F12、F13断层及所夹的强风化、弱风化上部岩体组成右岸构造软弱岩带。工程建设过程中，坝基采取挖除全、强风化岩体，断层、构造软弱岩带等不良地质体采取掏挖置换、锚固，对地质探洞和钻孔进行了回填封堵，并对整个心墙坝基进行固结灌浆处理。试验及计算分析表明，坝基强度和变形均满足要求，掺砾粘土心墙的防渗作用非常明显，坝基灌浆帷幕的防渗效果显著。坝体和坝基的总渗流量为1857.8 m3/d，其中，坝基的渗流量为978.1 m3/d。心墙防渗体自身的渗透稳定在反滤层的保护下满足工程安全要求；采取灌浆帷幕、固结灌浆等基础处理措施后，坝基各断层的渗透稳定满足安全要求[4]。

2.4 坝体应力和变形

反滤层对保证心墙堆石坝的安全运行至关重要。糯扎渡水电站在大坝心墙区下游侧设置了厚度均为6 m的Ⅰ、Ⅱ两层反滤料。考虑到上游水位骤降的影响，在心墙上游侧也设置了厚度为4 m的Ⅰ、Ⅱ两层反滤料。为协调心墙与坝壳堆石体间的变形，在上下游反滤层与堆石料间设置10 m宽的细堆石过渡料，并在粗堆石区的上游中下部和下游中部设置工程开挖料利用区 （Ⅱ区粗堆石料区）。为防止心墙防渗体中的砾石与刚性混凝土垫层直接接触形成的接触冲刷面发生渗透破坏，在心墙与坝基混凝土垫层的接触面间铺筑一层2 m厚接触粘土层，并在混凝土垫层面上刷5 mm厚浓粘土浆，下游反滤区沿建基面向下游延长1/3（右岸软弱岩带部位延长1/2坝高）坝高，粗堆石坝壳区的基础面均铺填2 m厚细堆石料。

应用 “渗透弱面水压楔劈效应”及 “压实粘土脆性断裂模型及裂缝弥散”理论，相关研究表明:竣工后坝体竖向沉降变形的最大值发生在心墙内，大约在坝高的中部，最大沉降值约占坝高的0.5%，明显小于国内外其他高土石坝的变形值。心墙存在一定程度拱效应，但其上游面三个主应力均大于零，大主应力和中主应力距产生拉应力尚有较大安全度，加上有下游反滤层保护，掺砾粘土心墙具有较大抗水力劈裂安全度[4]。

2.5 坝体动力反应和抗震性能

坝址区场地地震基本烈度为Ⅷ度，100年超越概率2% （设计地震）和100年超越概率1% （校核地震）的基岩加速度峰值分别为380 gal和436 gal。采用规范谱和场地谱人工合成地震波，通过动力计算分析表明:设计地震下，坝体顺河向指向下游和上游的最大永久变形分别为406 mm和418 mm，坝轴线方向指向右岸和左岸的最大永久变形分别为358 mm和349 mm，竖向最大永久沉陷变形为2407 mm；校核地震下，坝体顺河向指向下游和上游的最大永久变形分别为562 mm和596 mm，坝轴线方向指向右岸和左岸的最大永久变形分别为420 mm和412 mm，竖向最大永久沉陷变形为3229 mm。坝顶预留地震涌浪超高1000 mm、地震沉陷量超高2600 mm，坝顶安全超高满足要求。为提高坝体的抗震稳定性，上游805 m高程以上、下游800 m高程以上采用浆砌石护坡；在上、下游堆石坝壳中，770 m高程以上，沿高程方向每隔2 m铺设一层不锈钢锚筋，锚固长度18 m；坝面布设不锈钢扁钢网，与埋入堆石坝壳内的不锈钢锚筋焊接，并在心墙顶面（820.5 m高程）布设贯通上、下游的不锈钢锚筋，加强坝顶部位的整体性。采取以上综合抗震措施后，强震作用下，心墙堆石坝的综合抗震能力较强[4]，不会出现较严重的地震破坏。

3 溢洪道泄洪消能

溢洪道由进水渠段、闸室控制段、泄槽段、挑流鼻坎段及出口消力塘段组成，进水渠底板高程775 m，溢流堰顶高程792 m，堰高17 m，泄槽及挑流鼻坎段总宽151.5 m。泄槽段长850 m，共布置了5道掺气坎。闸室控制段设8个15 m×20 m （宽×高）表孔，用两道中隔墙按 “3+2+3”形式分为左、中、右3个泄槽。3个泄槽挑流鼻坎在平面上呈渐退型布置，相互错开10 m。在挑流鼻坎下游开挖消力塘，消力塘底宽176.5～191.05 m，长311～331 m，深33 m，采用护坡不护底方式消能。工程规模列世界前茅[5]。

泄槽段底板、边墙及中隔墙高度3 m以下部分、出口挑流鼻坎过流表面 （厚度1 m）为C18055W8 F100抗冲耐磨混凝土，采用中热水泥掺高效减水剂、Ⅰ级粉煤灰和聚丙烯纤维，表层布设限裂钢筋。泄槽底板每15 m设置一道纵向伸缩缝，陡槽段横缝间距为65～128 m。为减少横缝并方便滑模施工，仅在掺气槽后的起始位置设横向伸缩缝，使掺气槽挑坎形成的有效空腔跨越横缝，避免了横缝遭受高速水流冲击。在施工过程中，不同季节根据气温情况对混凝土的入仓温度进行动态控制，并采取内部埋设水管通冷却水，加强新浇筑混凝土保温、保湿表面养护，严格控制过流面的不平整度等一系列措施，保证了抗冲耐磨混凝土施工质量。

水工模型试验研究表明:设计和校核洪水位下，溢洪道泄流能力实测值均大于设计值2%以上；宣泄各频率洪水时，水库水面平稳，无回流和漩流；电站进水口区域流态平稳正常，未受溢洪道泄流影响；掺气坎能起到掺气减蚀效果——能形成稳定的掺气空腔，并有足够的空腔长度和掺气量；消力塘水流平顺，护坡位置冲坑深度小于边墙齿墙深度，消能效果较好，泄洪安全有保障。同时，消力塘处岩石较好，工程开挖料作为心墙堆石坝堆石料的主要料源，节约了工程投资[5]。

4 叠梁闸门分层取水

糯扎渡水库属典型的水温分层型水库，水温分层、下层低温水下泄将改变天然河道水温的年内分布。电站进水口底坎高程为736 m，孔口尺寸3.8 m×38.04 m，采用叠梁闸门分层取水的运行方式。叠梁闸门分三节，每节高12.67 m，最顶层叠梁闸门上沿高程为774.04 m，可根据水库水位情况分4层取水[6]。第1层取水的最低运行水位为803 m，水库水位超过803 m时，三节叠梁闸门整体挡水，闸门顶高程为774.04 m；第2层取水的最低水位为790.40 m，采用第二、第三节叠梁闸门联合挡水，闸门顶高程为761.36 m；第3层取水的最低水位为777.7 m，仅用第三节 （底层）叠梁闸门挡水，闸门顶高程为748.68 m；水库水位降至777.7 m以下时，吊起全部叠梁闸门，即为通常的单层取水方式。

研究表明:叠梁闸门分层取水的运行方式能保证电站发电时持续取到水库的上层水，比736 m高程单层取水方案的下泄水温最大可升高4.3℃，并且水温明显升高的时段正是下游鱼类产卵繁殖季节（4月～6月），在每年的3月～10月，叠梁闸门分层取水方案的下泄水温更接近天然河道水温[6]，可将低温水下泄对下游水生生物的影响降至最低。

5 主要体会

（1）糯扎渡261.5 m高的心墙堆石坝是目前国内在建的同类坝型中的最高坝，针对常规质量控制手段受人为因素干扰大、管理粗放等问题，华能澜沧江水电有限公司会同天津大学、中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院等单位产学研相结合，研发建设了具有实时、高精度等特点的高心墙堆石坝施工质量监控系统，自动监测记录碾压机械的行车速度、碾压遍数、激振力、压实厚度。大坝填筑碾压过程中，当系统监测到铺料厚度超过规定，或有漏碾、超速、激振力不达标时，PDA即时报警提示有关管理人员、及时纠偏，保证了大坝施工质量可控、在控，同时为工程管理与决策提供了全方位的信息支撑和分析平台。

（2）工程开工前，华能澜沧江水电有限公司联合设计和科研试验单位，对制约工程建设的重大关键技术问题做了大量的攻关研究。建设过程中，业主会同设计、施工和科研试验单位对新出现的各种重大技术问题及时进行了研究处理，多年的工作基础和精诚协作是糯扎渡水电站工程又好又快实现蓄水发电建设目标的重要保证。

［1］蔡绍宽.加快糯扎渡水电站建设，把云南省建设成全国重要的水电能源基地［J］.水力发电， 2005， 31（5）:1-3.

［2］张宗亮.糯扎渡水电站工程特点及关键技术研究［J］.水力发电,2005， 31（5）:4-7.

［3］冯业林，孙君实，刘强.糯扎渡心墙堆石坝防渗土料研究［J］.水力发电， 2005， 31（5）:43-45.

［4］中国水电工程顾问集团公司.云南澜沧江糯扎渡水电站枢纽工程蓄水安全鉴定报告［R］.北京:中国水电工程顾问集团公司，2011.

［5］杨再宏，孙怀昆，顾亚敏，等.糯扎渡水电站泄洪消能设计与选择［J］.水力发电， 2005， 31（5）:46-47， 55.

［6］中国水利水电科学研究院，中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院.大型水电站进水口分层取水研究项目研究报告［R］.2008.