东朗水电站坝型方案比选

付宇帅

（江西省水利投资集团有限公司，江西 南昌330096）

1 概况

东朗水电站位于四川省凉山州木里藏族自治县东朗乡境内，地处水洛河干流上游河段。电站采用混合式开发，坝址位于东朗乡政府上游约1.4 km处，距木里县城约357 km。水库正常蓄水位2 886.0 m（黄海高程，下同），总库容为 2.08 亿 m3，最大坝高 106.0 m，装机容量66 MW，为大（2）型工程。

2 工程地质

2.1 坝址工程地质

坝址区河流流向S46°E，河道顺直、相对狭窄，无河漫滩分布。正常蓄水位高程2 886 m时对应河谷宽约265 m～373 m，宽高比 2.70～3.81。

坝址河谷形态为横向谷，呈不对称“U”型。左、右岸山体雄厚，左岸坝轴线上游侧发育一“∧”型较宽沟谷，沟内坡麓地带被第四系残坡堆积物覆盖。下游紧邻此沟的岸坡高程2 800 m以上多为基岩，局部覆盖少量残坡积覆盖层；坝址右岸大部分基岩裸露，坡脚分布有堆积体。岸坡有多条冲沟与山脊间隔分布。

坝址区河床覆盖层厚 26.4 m～29.0 m，成分复杂，密实度中密～很密状，由地表向下密实程度总体呈增加趋势，从上往下可分为冲洪积混合堆积漂石、砂卵（砾）石层，冰水堆积含漂/块（碎）砂卵石层。

坝址位于拉杰牛场背斜西翼，康萨背斜西南翼，岩层产状不甚稳定，受构造、卸荷或变形影响，浅表部岩层有扭曲倾倒现象。坝址区内断裂主要为增东区域断裂，主断层从右坝肩上游1 020 m处娃中沟口向西南方向斜行通过，断层带宽约40 m，为压扭性断层。

2.2 建筑材料

按设计所需天然建筑材料的种类、数量和质量分别对各类建筑材料进行了勘察，设计需用量及勘察储量列于表1。

表1 天然建筑材料需用量及勘察储量

2.2.1 土料

东朗水电站工程区及附近山高坡陡，河床宽缓，两岸坡脚以残坡积砾类土和细粒土为主，粘土料缺乏，部分经过适当处理后可以作为防渗土料；槽孔固壁土料缺乏，建议外购解决。

2.2.2 天然砂砾石料

东朗水电站所处河段天然砂砾石料较为丰富，但分布零散，储量均有限。

试验结果表明，各天然砂卵石料场的细骨料除个别样品含泥量稍偏高、堆积密度稍偏小和细度模数稍偏离允许值范围之外，其余各项指标均能满足规范要求；而粗骨料5 mm～20 mm粒径段软弱颗粒含量均严重超标。另外，还存在个别样品堆积密度及表观密度偏小、吸水率和含泥量偏大的问题。鉴于水洛河沿岸公路均与各天然砂砾石料场相通，开采运输条件较好，综合考虑料场质量指标，初拟天然砂卵石料用于临建工程，主体工程需采用人工开采石料进行加工。

2.2.3 人工骨料及块/堆石料

东朗水电站河段岩性以板岩为主，夹有砂岩、凝灰岩、灰岩等，存在岩性组合复杂、层理较薄等缺陷，不能轧制混凝土人工骨料，也不宜用作堆石料，工程区开挖料也难以利用。

库区左岸的增东沟内发育一辉长岩体，是一个良好的块石料和混凝土人工骨料料源，也可作为大坝填筑所需之堆石料。

增东沟辉长岩料场按地形地质条件为Ⅱ类地区，场区地形坡度50°～70°，局部陡直，有用层为印支期辉长岩，仅坡脚及缓坡地带分布有崩坡积物，厚5 m～15 m。

料场岩石的物理力学性质试验成果显示，辉长岩的颗粒密度和块体密度相差不大，岩石块体密度2.68 g/cm3～2.81 g/cm3，饱 和 吸 水 率 0.47%～0.53% ，孔 隙 率1.47%～2.77%，岩石单轴饱和抗压强度值为 47.2 MPa～77.4 MPa，属于中硬～坚硬岩石类。

东朗至木里简易公路从料场东部坡脚通过，开采和运输较为方便，料场距离下坝址公路里程约13 km，运距较远。

3 坝型比选

3.1 比选坝型拟定

坝址左、右岸及河床基岩属中硬～坚硬岩石，岩石新鲜、完整，物理力学指标较高，有修建硬坝的条件。工程区增东沟辉长岩料场料源充足，运输较方便，可满足工程需求，但坝址上、下游附近缺乏高塑性粘土。综合本工程建坝条件及当地料源条件，选取混凝土面板堆石坝、碾压混凝土重力坝和沥青混凝土心墙堆石坝进行坝型比选。

3.2 混凝土面板堆石坝方案

3.2.1 首部枢纽布置

枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、左岸开敞式溢洪道、左岸放空洞、右岸引水系统、地面厂房等组成。

拦河坝采用混凝土面板堆石坝，坝顶高程2 890.00 m，河床趾板置于深覆盖层上，趾板最低建基面高程为2 784.00 m，最大坝高 106.00 m，坝顶宽度为 8.00 m，坝顶轴线长335.85 m。防浪墙采用 “L”形，墙顶高程2 891.20 m，墙底高程 2 887.00 m，墙高 4.20 m。 混凝土面板堆石坝上、下游坝坡均采用 1∶1.4，下游坝坡在高程2860.00 m、2 832.00 m 及 2 804.00 m 处设置马道，马道宽度分别为 2.00 m、2.00 m、10.00 m。 坝体最大底宽326.00 m。坝体从上游至下游依次分为：盖重区、上游铺盖区、垫层区、特殊垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区、下游护坡和滤水坝趾区（排水棱体）。坝体总填筑方量277.20万m3，面板、趾板及防浪墙混凝土共计2.68万 m3（详见图 1）。

3.2.2 施工组织设计

首部枢纽采用河床一次拦断、隧洞导流方式，导流隧洞布置在左岸。

导流建筑物采用土石围堰，导流时段选定为枯水时段10月1日～次年5月31日，导流流量选用该时段20年一遇洪峰流量216 m3/s；坝体临时度汛洪水标准采用全年100年一遇，相应洪峰流量为728 m3/s。

工程3台机组同时投产发电工期为44个月，总工期为44个月。

3.3 沥青混凝土心墙坝方案

3.3.1 首部枢纽布置

沥青混凝土心墙堆石坝方案枢纽布置为：沥青混凝土心墙堆石坝、左岸开敞式溢洪道、左岸放空洞、右岸引水系统、地面厂房等。

大坝坝顶高程 2 890.00 m，最低建基面高程 2 784.00 m，最大坝高 106.00 m，坝顶宽 10.00 m，坝轴线长 324.00 m。 大坝上下游坝坡 1∶2.0，上游坝坡在高程 2 844.00 m 设一级马道，马道宽 3.00 m，高程 2 829.00 m以下与上游围堰相结合；下游坝坡在高程2 866.00 m、高程 2 838.00 m、高程 2 810.00 m 设各设一条马道，马道宽 分 别为 2.00 m、2.00 m、5.00 m。 大坝最 大 底 宽446.10 m。坝体从上游往下游依次分为块石护坡、垫层料、上游堆石体、过渡料、沥青混凝土心墙、过渡料、下游堆石体及块石护坡，坝体填筑总方量358.50万m3，沥青混凝土心墙 1.95万 m3（见图 2）。

3.3.2 施工组织设计

首部枢纽采用河床一次拦断、隧洞导流方式，导流隧洞布置在左岸。

由于本方案大坝坝基开挖、基础处理和混凝土垫座浇筑等施工工序较多，工程量较大，一个枯水期内将坝体填筑至临时度汛断面高程以上填筑强度大，工期难以保证，本坝型方案采用全年围堰导流方案，采用与坝体相结合的土石围堰，导流标准取全年20年一遇，相应洪峰流量为580 m3/s。坝体临时度汛洪水标准采用全年100年一遇，相应洪峰流量为728 m3/s。

工程3台机组同时投产发电工期为42个月，总工期为42个月。

图1 混凝土面板堆石坝标准断面图

图2 沥青混凝土心墙堆石坝标准断面图

3.4 碾压混凝土重力坝方案

3.4.1 首部枢纽布置

碾压混凝土重力坝方案枢纽布置为：碾压混凝土重力坝、右岸引水系统、地面厂房等。

碾压混凝土重力坝最低建基面高程2 755.00 m，坝顶高程 2 889.00 m，防浪墙顶高程 2 890.20 m，最大坝高134.00 m；坝顶宽10.00 m，坝体基本断面为三角形，上游面2 800.00 m高程以上为铅直面，2 800.00 m高程以下坝坡 1∶0.2，下 游 坝 坡 为 1∶0.8，起坡 点 高 程 为 2 880.00 m，坝底最大宽度为 119.00 m。 坝顶轴线长度321.85 m，坝体不设纵缝，从右岸至左岸按 25.0 m～31.15 m的间距设横缝，共分为11个坝段。大坝混凝土总量为 131.3万m3， 其中碾压混凝土123.5万m3（详见图3）。

图3 碾压混凝土重力坝非溢流坝标准断面图

3.4.2 施工组织设计

首部枢纽采用河床一次拦断、隧洞导流方式，导流隧洞布置在左岸。

导流建筑物采用土石围堰，初期导流时段选定为枯水时段11月1日～次年5月31日，导流流量选用该时段10年一遇洪峰流量104 m3/s。汛期采用坝体预留缺口过流，坝体临时度汛洪水标准采用全年50年一遇，相应洪峰流量为666 m3/s。

工程3台机组同时投产发电工期为46个月，总工期为46个月。

3.5 坝型比较与选择

3.5.1 地形地质条件

坝址河段河谷形态为横向谷，呈不对称“U”型，地形上修建重力坝和堆石坝都是适宜的。

从工程地质条件来看，坝址区左、右岸出露地层岩性均为三叠系上统曲嘎寺组第2段（T3q2）薄～中厚层板岩夹厚层砂岩、第3段（T3q3）灰色中厚～厚层砂岩和第4段（T3q4）灰绿色薄～中厚层板岩夹玄武岩、凝灰岩、安山岩、绢云母千枚岩、绿帘-绿泥千枚岩，偶见少量砂岩及灰岩。河床被第四系河床冲洪积层、岸坡坡积和残坡积堆积层覆盖，厚 26.40 m～29.00 m，以砂卵砾石为主，夹有少量漂（块）石。沥青混凝土心墙坝和混凝土面板堆石坝坝体均为堆石结构，对地基条件要求较低，基础处理简单，对地基的适应能力较强；而重力坝对地基要求高，坝基开挖深度大，基础处理工作量和施工难度均较大，由于坝基岩性相对较软弱，抗剪强度指标不高，使重力坝坝体剖面较大，混凝土浇筑工程量大；因此，从地形地质条件看，本坝址修建堆石坝较为有利。而坝址左岸强风化带下限埋深 4.30 m～9.30 m，右岸强风化带下限埋深 17.60 m～25.00 m，根据调查推测岸坡岩体强卸荷水平深度15 m～20 m，岩体强卸荷深度较大，使得混凝土面板堆石坝方案趾板开挖深度较大，开挖边坡较高，开挖工程量达77.66万m3，而沥青混凝土心墙坝混凝土面板堆石坝两方案泄水建筑物布置型式大致同。因此，从地形地质条件来看，以沥青混凝土心墙坝优。

3.5.2 枢纽布置

重力坝和堆石坝方案布置都比较简单，引水隧洞、厂房与大坝分开布置，坝体范围仅考虑挡水和泄洪，大坝下游消能影响区域内无重要设施和居民，故考虑坝体安全，各方案均采用较简便的挑流消能方式。碾压混凝土重力坝布置相对较紧凑，管理运行方便。

重力坝泄洪建筑物置于河床坝身，水流的进流条件和下泄归槽条件好；堆石坝采用岸边式溢洪道，与河道有一定的夹角，由于进水渠前存在一突出山体，溢洪道进流条件较差，但溢洪道出流较为顺畅。

沥青混凝土心墙坝和混凝土面板堆石坝对河床覆盖层作为坝基均有较好的适应性，但防渗系统不同：混凝土面板堆石坝防渗系统由表部防渗系统（连接板、趾板、面板）和地下防渗系统（河床部位为防渗墙+水泥灌浆帷幕、岸坡部位为水泥灌浆帷幕）组成。沥青混凝土心墙坝地下防渗系统和混凝土面板堆石坝基本相同，但上部防渗系统由混凝土垫座和沥青混凝土心墙组成，防渗系统位于坝体内部，一旦破坏很难修复[1]。

从坝体材料分区上，混凝土面板堆石坝坝轴线上游为主要的承力及变形部位，对填料要求较高，浸润线降低较快，坝轴线下游的干燥区坝体填料的要求可适当放宽。沥青混凝土心墙坝心墙体下游堆石为主要承力及变形部位，对填料要求较高，上游浸润线高，水位变动对上游坝坡稳定影响较大，为此，上游坝坡设计较缓，坝体断面大[1]。

3.5.3 工程导流与度汛条件

三种坝型方案施工导流均采用河床一次拦断、隧洞导流。碾压混凝土重力坝方案后期可采取坝身预留缺口或坝身漫水等措施度汛，导流工程规模较小，工程量较省。沥青混凝土心墙坝方案和混凝土面板堆石坝方案导流隧洞断面尺寸一样，但由于坝体体积较大，导流洞较长，导流费用较高。因此，从工程导流与度汛条件来看，以碾压混凝土重力坝为优。

3.5.4 施工条件

碾压混凝土重力坝所需水泥和粉煤灰量较大，对外交通运输要求较高，骨料需人工轧制，且运距较远，混凝土生产系统规模较大，而当地材料坝绝大部分为土石方工程，便于大规模机械化施工，因此，与碾压混凝土重力坝相比，当地材料坝有明显优势。

就两种当地材料坝而言，沥青混凝土心墙坝的沥青心墙施工工艺复杂，施工辅企方面需增加一套专用拌和系统及加热系统；心墙必须与坝体同步上升，与坝体填筑施工干扰大[2]。面板坝则不存在上述问题，且坝体填筑至拦洪高程以后，再进行面板的施工，与坝体填筑施工干扰小。面板坝需在一期面板施工期间坝体暂停填筑，二期面板施工之前坝体预留沉降期，坝体填筑时间较沥青混凝土心墙坝短，虽然沥青混凝土心墙坝坝体方量较大，但由于采用全年围堰，相应坝体填筑强度稍小。

从施工条件来说，沥青混凝土心墙坝和混凝土面板堆石坝明显优于碾压混凝土重力坝，前两者相比较而言，施工条件相当。

表2 坝型方案条件比较表

3.5.5 施工进度

沥青混凝土心墙坝方案发电工期及完建工期为42个月，混凝土面板堆石坝方案发电工期及完建工期为44个月，碾压混凝土重力坝方案发电工期及完建工期为46个月，三者相比，沥青混凝土心墙坝方案在施工工期上有一定优势，混凝土面板堆石坝方案次之，碾压混凝土重力坝方案工期最长。

3.5.6 工程量及投资

各方案条件比较列于表2。由表2可知，混凝土面板堆石坝方案较沥青混凝土心墙坝方案工程静态总投资少11 532万元，较碾压混凝土重力坝方案工程静态总投资少44 860万元。碾压混凝土重力坝方案混凝土方量较大，导致混凝土骨料方量相应较大，运距较远，单价较高，水泥、粉煤灰由外地采运，投资上较难控制。由于沥青混凝土心墙坝和混凝土面板堆石坝大量利用当地石料筑坝，混凝土方量较小，因此工程投资较省。由于堆石料场距离坝址约13 km（改建公路里程），运距远，材料单价高，故坝体堆石填筑工程量更小的混凝土面板堆石坝方案较沥青混凝土心墙坝方案更具优势。

4 对策

通过上述比较可以看出，各种坝型比较，材料是关键的因素。碾压混凝土重力坝混凝土方量多，骨料全部需人工轧制，砂石料运输量大；相应辅助企业设施规模大；粉煤灰需求量大；施工技术要求高，受气候条件影响多，其投资的经济性不如堆石坝。建设堆石坝，可以利用当地丰富的石料，就地取材，具有混凝土用量少、工程投资省的优点。所以，从地形地质条件、筑坝材料及工程投资等方面比较，本阶段推荐采用堆石坝。沥青混凝土心墙坝和混凝土面板堆石坝两种坝型各具特色，各有千秋。沥青混凝土心墙坝对地基的适应性强，边坡开挖及支护处理难度较小，工程弃渣较易解决，虽施工程序略显复杂，然而其施工进度方面较混凝土面板堆石坝略有优势。但由于堆石料场距离坝址约13 km（改建公路里程），运距远，材料单价高，故坝体堆石填筑工程量更小的混凝土面板堆石坝方案投资较省，较沥青混凝土心墙坝方案更具优势。故最终采用混凝土面板堆石坝方案。

［1］ 张光斗，王光纶，等.水工建筑物（下册）［M］.北京：水利电力出版社，1994，138，173，177，178.

［2］中国水电工程顾问集团公司.土石坝技术2012年论文集 ［C］.北京：中国电力出版社，2012.