小中甸水利枢纽坝型选择

林 飞

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 工程概况

小中甸水利枢纽位于云南省迪庆藏族自治州香格里拉县小中甸镇的硕多岗河上，是云南省批复的《硕多岗河水电开发规划报告》中流域梯级开发的龙头工程，也是硕多岗河综合治理开发的关键工程。水库总库容1.55亿m3，最大坝高52.7m，水电站装机容量18MW，为Ⅱ等大（II）型工程。主要建筑物为碾压混凝土重力主坝、副坝、发电引水隧洞、电站厂房、对外公路、上坝及进场公路。工程对促进迪庆州少数民族地区的经济社会发展、改善生态环境及稳定藏区社会安定具有重要的作用，并可为硕多岗河的梯级开发和水资源综合利用创造条件，具有较好的社会和环境效益。

本工程任务以发电、生态环境保护为主，结合防洪、灌溉和城乡供水等综合利用。工程施工总工期30个月，按2009年四季度价格水平估算，工程静态总投资75 892万元。

2 水文地质条件

2.1 水文概况

硕多岗河为金沙江左岸的一级支流，发源于香格里拉县城东北约30 km的楚力措。河流自北流向东南，于下桥头下游3.2 km处汇入金沙江。河流全长153.2 km，流域面积1 966 km2。河系呈羽状分布，右岸支流较多，但源头短，河长一般在14 km以内。

流域内立体气候极为明显，上游气候严寒，年平均气温为5.4℃，最低月平均气温-2.4℃，最高月平均气温13.7℃，历年最大风速14.7m/s，历年平均风速2.3m/s，平均相对湿度71%。下游河谷地区，春秋两季气候温和，夏季炎热，冬季不积雪，最高气温可达30℃以上，最低气温约-15℃左右。

降水分布不均匀，中游区降水量较多，据小中甸站和土官站实测资料统计，多年平均年降水量为890.2 mm和937.4 mm；上下游区降水量偏少，年内分配亦不均匀，6～9月降水量约占年降水总量的70%。平均年降水日数146天，暴雨强度不大。

2.2 坝区地质条件

坝区位于小中甸村旦草桥下游峡谷河段，峡谷长约 320m，呈不对称的“V”字型，右岸坡度 20°～45°，左岸坡度 40°～66°，局部近直立。河流流向为S70°E，枯水期河水面宽（5～22）m，河水面高程（3 174～3 190.3）m，水深（2～6）m。 左侧分布一基岩垭口，底部高程（3 190～3 221.3）m。 硕多岗河、舍池河与垭口之间为一孤立山包。坝址阶地不发育，仅在左岸及基岩垭口两侧见Ⅲ、Ⅳ级阶地零星分布。

坝址基岩为二叠系上统下段岩层，第四系地层主要有：冲积层、冲坡积层、残坡积层和滑坡堆积层以及冲积、洪积、冰碛混合堆积层。

二叠系上统下段为玄武岩夹灰岩。玄武岩呈深灰、灰绿色，局部具角砾结构，杏仁、气孔构造，部分矿物有轻度蚀变现象，受区域动力变质作用影响，岩石内隐微裂隙发育，局部片理化，分布于坝址两岸；灰岩呈灰、灰白色，粉晶、细晶及微晶结构，中厚层状，受区域动力变质作用影响，岩石内隐微裂隙发育，锤击清脆易碎，钻孔岩芯多呈碎块状、短柱状，分布于坝址右岸及左岸局部坝肩，厚约（45～55）m。坝址区灰岩岩层走向 N55～70°W、倾向 SW、倾角 20°～58°。

岩层走向与河流近于平行，倾向右岸。坝址区共发现有14条小断层，节理裂隙比较发育。坝基持力层为玄武岩夹灰岩，灰岩分布于右岸坝肩大部分及左岸坝肩局部。坝址区主要的物理地质现象有溶蚀、滑坡及风化三种类型。

地震烈度为Ⅶ度。

3 坝型选择

3.1 当地材料坝方案（方案1）

坝址附近的陵园料场砾石料储藏丰富，开采方便，运距短，为修建堆石坝提供了大量廉价建筑材料。因右岸灰岩条带地质条件相对较差，土石坝对地基变形适应性较好，可大大减少坝基开挖和基础处理工程量，在该坝址修建当地材料的土石坝条件较优越。

（1）初选坝型。

均质坝由于大坝下游坝脚距厂房间距仅有11.0 m（心墙坝该距离增加到33m），既不方便布置大坝下游的渗漏量观测系统，也会对大坝和厂房的运行管理不利，虽工程投资可省374万元，考虑改善下游坝壳的排水条件，仍以粘土心墙堆石坝较好。

沥青混凝土心墙堆石坝工程投资比粘土心墙堆石坝少254万元，但粘土心墙填筑施工较沥青混凝土心墙施工方便、简单，不需浇制沥青及拌制浇筑沥青混凝土等工序，对环境的污染也小。粘土心墙坝施工经验、已建数量、运行管理水平均强于沥青混凝土心墙坝，也较易于修复。从环境保护和施工条件等方面相比，粘土心墙堆石坝较优。

从经济上看，心墙堆石坝的投资要明显小于斜墙堆石坝的投资，且其抗震能力要较斜墙堆石坝强。虽斜墙堆石坝施工干扰相对较小，但大坝整体填筑量不大，从抗震和投资等方面相比，粘土心墙堆石坝较优。

如选择面板堆石坝，长320m的峡谷和风化极深的坝肩，趾板布置比较困难（坝轴线以上，布置趾板的河谷长度较短），右岸趾板基本位于灰岩内，与其走向斜交，趾板受灰岩溶蚀带影响范围大，基础处理工程量较大，不确定因素多，不宜选择面板堆石坝。

综合上述分析，在当地材料坝比选中，以砾质粘土心墙堆石坝作代表坝型。

（2）砾质粘土心墙堆石坝工程布置。

大坝座落在二迭系上统，下部岩层为玄武岩或石灰岩，建基面高程3 185.50m，坝顶高程为3 241.5 m，最大坝高56.0m。主坝坝体设计分5个区：Ⅰ区为粘土心墙料区；Ⅱ区为心墙前反滤料和心墙后第一层反滤料区；Ⅲ区为心墙后第二层反滤料区；Ⅳ区为上游坝壳料区；Ⅴ区为下游坝壳料区。副坝位于硕多岗河与舍池河之间的基岩垭口处，为直心墙堆石坝，其工程等级和防洪标准与主坝一致，坝顶总长85.0m，右岸与开敞式溢洪道相连。

泄洪洞布置在左岸山体外侧，隧洞围岩为弱、微风化的玄武岩，进口高程3 192.00m，洞长294.885 m，有压洞为圆洞，洞径4.0m；无压洞为城门洞型，高4.6m，底宽3.5m，前期兼作施工导流，进口设事故检修闸门，弧型工作闸门则布置在隧洞中部。

溢洪道布置在原古河道右岸的III级阶地上，由引渠段，溢流堰段和泄槽段组成，因溢洪道只在超过设计洪水位才使用，所以在结构上按简易设计。

发电引水洞上游轴线与导流洞轴线平行，轴线中心距15m。发电引水洞与导流洞共用进口引渠。总长315.311m，进水口形式为塔式，底高程3205.0m，断面为圆形，内径3.7m，衬砌厚为0.5m，不设调压井。

厂房布置在大坝下游距坝脚约195m的峡谷出口，装机容量2×7.5MW，水轮机安装高程3 173.30 m，开关站布置在厂房后，平面尺寸29m×42m。厂房基础位于玄武岩弱风化中部，无大的不良地质构造。

3.2 混凝土重力坝方案（方案2）

（1）混凝土重力坝初选坝型。

原昆明设计院可研、初设和长江设计院项目建议书阶段均否定了混凝土坝型，其主要原因是坝肩岩体风化较强烈，特别是右岸的灰岩溶蚀和滑坡，强风化下带埋深达（40～70）m，坝基开挖和基础处理的工程量较大，且坝体所需的水泥等建筑材料必须全部外运，工程建设费用较高。而坝址附近的陵园料场砾石料储藏丰富，开采方便，运距短，且堆石坝对地基变形适应性较好，可大大减少坝基的开挖和基础处理工程量，施工简单、方便，工程费用低，因此综合分析，在该坝址修建堆石坝要优于混凝土坝。

2008年8月湖南省水利水电勘测设计研究总院开始小中甸可研地勘工作，在分析研究历来所做地勘工作基础上，分别在左岸补充Z41、Z42钻孔，在右岸补充Z39、Z40钻孔，特别是针对右岸灰岩条带进行了专门的研究，划分出了溶蚀带规模和灰岩本身的强弱风化界限。从整体来看，地勘成果与以前资料出入不大，针对右岸灰岩层，经对比分析，其强、弱风化的界限显著提高，对本工程52.7m坝高而言，使混凝土重力坝成为可能。

混凝土坝常见坝型有混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝和混凝土拱坝。因该处地形为不对称的“V”型河谷，岩体风化较强烈，右岸风化较深且存在顺层溶蚀，左岸山体单薄，因此不宜选择混凝土拱坝。

该工程最大坝高约为52.7m，属中低坝，混凝土重力坝对基础要求相对较低，河床及左岸地基对这样规模的重力坝比较合适。右岸灰岩条带影响处，坝高已低于40m，经过基础处理，地基稳定应力和防渗均可满足规范要求。设计施工较简单，混凝土坝需要水泥、钢材等材料较多，且都需要外运，造价比土石坝有所增加。

在混凝土坝型比选中，因建川水泥厂已建成投产，运距约为180 km，可生产符合要求的大坝水泥，砂石骨料可由昌都学石料场开采，运距2.7km，储量丰富。

（2）混凝土重力坝工程布置。

溢流坝位于主河槽处，根据水力学计算，采用1孔10m×8.0m（宽×高）表孔泄流即可满足要求。坝顶总长度142 m，防浪墙顶高程3238.2m，公路高程3 237.0m，坝顶宽度 7.0m，大坝上游边坡 1∶0.2，下游边坡1∶0.75。大坝座落在二迭系上统，下部岩层为玄武岩，河床段无强风化出露，建基面高程3 185.5m。右岸灰岩条带的溶蚀带，采用混凝土塞刻槽加固，并全断面采用固结灌浆加固处理。

厂房布置在大坝下游距坝脚约210m的峡谷出口左岸，装机容量2×9.0MW，主厂房平面尺寸39.80 m×14.90m（含安装场），副厂房平面尺寸39.80m×10.20m。运行层平面高程3177.50m，水轮机安装高程3170.00m。GIS布置在安装场左侧，平面尺寸25.1m×9.2m。

3.3 坝型比较

坝型综合比较见附表。

附表 坝型综合比较表

经上述多方面比较分析可见，两坝型各有利弊，心墙坝主要受土料含水率和天气影响，填筑质量和施工受影响较大，峡谷河段心墙存在拱效应。混凝土重力坝尽管工程投资增加近636.8万元，但在水能利用方面占有优势，年发电量可增加385万kW·h；而且在枢纽布置、施工场地、施工工期、环境影响、后期运行管理等方面均占优势。混凝土重力坝坝顶高程可降低2.8 m，校核洪水由2 000年一遇降低至1 000年一遇，重力坝方案泄洪安全度增大，整个枢纽特别是厂区布置可大为改善。虽工程造价相对较高，土建投资增幅7.0%，但技术难度小，方案更可靠。经综合比较后推荐混凝土重力坝方案。

4 经验总结

坝型选择应紧密结合枢纽总布置进行，小中甸水利枢纽时间跨度大，经历多次不同部门设计审查，根据当地地形、地质及建材等情况，基本认定了砾质土心墙砂砾石坝，该方案最大缺点是心墙施工受天气影响大；枢纽布置不畅：左岸两条隧洞及厂房相距太近，为避免泄洪时对电站运行的影响，只能将泄洪洞置于厂房下游，这样使得厂房布置于坝脚峡谷河床，带来高边坡开挖、尾水及进厂交通不畅，减少了水头利用。

在总结吸收历次各单位设计成果及审查意见的基础上，综合考虑该枢纽工程实际，大胆提出主坝坝型改变的设想，其焦点就是在右岸灰岩溶蚀条带的具体情况上认识存在分歧，通过进一步的地勘工作，对其分布及特性有了更进一步的认识，对该处最大坝高52.7m，灰岩条带处坝高仅40.0m而言，修建混凝土重力坝的风险是可控的，建川水泥厂建成使外运距离大为减少，虽投资有所增加，但枢纽布置大为改善，电站水头增加3.5m，特别是该工程处于三江源保护区边缘，生态较脆弱，破坏大量植被的当地材料坝方案虽整体造价稍低，但其带来的生态影响不容小视。

推荐混凝土重力坝方案，降低工程难度，改变泄洪方式，改善枢纽布置，增加发电水头，降低环境破坏，方便运行管理，不失为该工程设计的一大亮点。目前该工程正在紧张施工中，预计2014年7月首台机组发电。