老挝南欧江五级水电站枢纽布置及主要技术问题研究

李双宝，鲁　宏，王　强，梁培金，徐爱兵

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051；2.老挝南欧江流域发电有限公司，老挝琅勃拉邦)



老挝南欧江五级水电站枢纽布置及主要技术问题研究

李双宝1，鲁宏1，王强1，梁培金1，徐爱兵2

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051；2.老挝南欧江流域发电有限公司，老挝琅勃拉邦)

老挝南欧江五级电站枢纽布置十分紧凑，施工导流、泄洪消能、引水发电等主要建筑均集中于坝身和坝后，建筑物间关系十分复杂，设计和施工均有较大难度；坝址出露地层为石炭系下统(C1)和第四系(Q)，全、强风化层较厚，弱风化埋深较大，边坡开挖高度大，稳定性差，处理难度大。介绍了在地形条件十分有限和地质条件相对复杂条件下枢纽布置特点和主要建筑物设计，以及主要技术问题的研究和处理措施。

枢纽布置；建筑物设计；主要技术问题；处理措施；南欧江五级水电站

1　工程概况

南欧江五级水电站位于老挝丰沙里省，是南欧江流域规划中的第五个梯级电站。电站以发电为主，主要建筑物包括混凝土重力坝、坝身进水口及坝后式厂房、坝身溢洪道及消力池、护岸工程等。正常蓄水位441 m，相应库容3.35亿m3，校核洪水位441.918 m，相应库容3.5亿m3，死水位430 m，调节库容1.42亿m3，具有季调节性能，最大坝高74 m，总装机容量240 (3×80) MW，多年平均发电量9.77亿kW·h[1]。

2　枢纽区工程地质

枢纽工程区出露的地层主要为石炭系下统(C1)和第四系(Q)[1]，岩性主要为灰黑色钙质、砂质板岩，为软岩～中硬岩；第四系分为冲积层和坡积层，其中：冲积层为砂、卵砾石夹粉砂、粉砂质粘土，分布于河床和右岸阶地部位，坡积层为块石、碎石质粉土，分布于两岸山坡。

坝基部位第四系覆盖层(坡积层和冲积层)一般厚4～18 m，河床冲积层厚2～6 m，最厚约12 m，主要由砂、卵砾石组成，中等密实，具强～极强透水性。右岸阶地部位冲坡积层厚9～18 m，主要由粘土、粉土、粉细砂及极少量卵石组成。下伏基岩岩性为砂质板岩。中厚层状～薄层状结构。

右岸地层由表及里，依次为第四系覆盖层，厚6～10 m，全风化岩体厚5～9 m，强风化岩体底界垂直埋深20～30 m，弱风化岩体底界垂直埋深40～56 m，地下水位埋深30～55 m。左岸地层由表及里，依次为第四系覆盖层，厚1～5 m，全风化岩体厚2～5 m，强风化岩体底界垂直埋深一般为10～20 m，弱风化岩体底界垂直埋深一般为25～40，地下水位埋深为20～40 m。消力池边坡地层由表及里，依次为第四系覆盖，厚9～18 m，覆盖层以下为弱风化岩体，局部为强风化岩体，弱风化底界垂直埋深26～32 m。

3　枢纽布置及主要建筑物设计

3.1工程等别和设计标准

本工程为二等大(2)型[1]，主要建筑物(挡水、泄洪和引水发电建筑物)级别为2级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。挡水、泄洪及消能建筑物按500年一遇洪水设计(P=0.2%)，2000年一遇洪水校核(P=0.05%)；发电建筑物按100年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核；下游河道防冲建筑物按50年一遇洪水设计。

大坝设计标准(P=0.2%)洪峰流量9 220 m3/s，相应设计洪水位441 m；大坝校核标准(P=0.05%)洪峰流量11 100 m3/s，相应校核洪水位441.918 m。工程场地设计地震动峰值水平加速度为0.12g。

3.2枢纽布置

枢纽建筑物主要由混凝土重力坝、坝身进水口和坝后式厂房、溢流表孔和消力池，冲沙底孔及泄槽、下游护岸等组成。

重力坝坝顶高程445.0 m，坝顶长340.5 m，最大坝高74 m；大坝共设15个坝段。1号～4号坝段为左岸非溢流坝段；5号～7号坝段为进水口坝段，布置于河床部位；进水口后接压力钢管。主厂房布置于原河床部位，进水口坝段之后，布置有主厂房、上游副厂房和尾水渠等。8号坝段布置冲沙底孔，依次设有事故检修门，出口由弧门工作门控制，主要任务为冲沙。弧形工作门后接泄槽，泄槽末端设挑坎将水流挑入原河床。9号～11号坝段布置溢流表孔，共设4孔溢流表孔，采用WES堰型。溢流堰后接消力池。12号～15号坝段为右岸非溢流坝段。

工程施工采用分期导流方案，一期由左岸束窄河床过流，进行右岸溢流坝段、右岸非溢流坝段、导流底孔及上、下游纵向混凝土围堰施工；二期由右岸导流底孔和上部坝体缺口过流(或溢流表孔过流)，进行进水口坝段、坝后厂房、河中溢流坝段、冲沙底孔坝段和左岸非溢流坝段施工。

3.3主要建筑物设计

3.3.1挡水建筑物

本工程挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，主要由左岸非溢流坝段、进水口坝段、底孔坝段，溢流坝段、右岸非溢流坝段等组成。碾压混凝土重力左右端头分别与两岸坝顶公路相连，坝顶总长340.5 m，从左至右依次为：左岸非溢流坝段(1号～4号坝段)，共长82.5 m；进水口坝段(5号～7号坝段)，共长66.0 m；底孔坝段(8号坝段)，共长22.0 m；溢流坝段(9号～11号坝段)，长75 m；右岸非溢流坝段(12号～15号坝段)，共长95 m。

3.3.2泄洪消能及冲沙建筑物

(1)溢流表孔和消力池。泄洪消能建筑物由布置在9号～11号溢流坝段上的开敞式溢流表孔和底流式消力池组成，消力池布置于溢流坝段之后，溢流表孔孔口尺寸为13 m×21 m，共设4孔，堰顶高程420 m，采用WES曲线堰型，堰面曲线由曲线段、直线段、反弧段组成，直线段与其它坝段下游坝面齐平，直线段后接反弧段，与消力池相衔接。消力池底板高程367.5 m，尾坎高程383.00 m，消力池出口护坦高程380.00 m。溢流表孔采用宽尾墩作为辅助消能设施，宽尾墩最终体型经模型试验确定，宽尾墩沿水流向长10.5 m，与闸墩侧面的距离为0～4.225 m，收缩比0.35。

(2)冲沙底孔。冲沙底孔布置在进水口坝段右侧的8号坝段，底孔前段为有压段，由立面转弯段、压坡段组成。进口设事故检修门，孔口尺寸为4.0 m×6.0 m，出口由弧门工作门控制，孔口尺寸为4.0 m×5.0 m，设计过流能力为481 m3/s，但不参与泄洪，主要任务为低水位时冲沙，保证电站进水口的“门前清”。事故检修门由坝顶门机控制，弧形工作门由上部启闭机控制。冲沙底孔进口段高程为385.0 m，弧形工作门底部高程为390.0 m。弧形工作门后接泄槽，泄槽过水断面宽度4.0 m，底坡为2%，末端设挑坎将水流挑入原河床。

3.3.3引水发电建筑物

引水发电建筑物主要包括坝式进水口、坝内埋管、坝后厂房及尾水渠等。

电站进水口布置于河床部位的5号～7号坝段，进口高程410.0 m。进水口前沿设拦污栅一道，拦污栅平台高程408.0 m，拦污栅尺寸为4.0 m×35.0 m(宽×高)。拦污栅后分别设有检修门及事故门，孔口尺寸分别为6.0 m×8.0 m和6.0 m×7.0 m，引水道为单机单管布置，压力钢管包括上弯段、斜管段、下弯段和下平段，外包混凝土厚度为1.5 m；压力钢管为半埋半背型式，管径6.3 m，压力钢管采用Q345钢管，壁厚18～22 mm。水机副厂房和电气副厂房(含GIS楼)分4层布置有技术供水设备层、发电电压设备层、主变层和GIS层，净宽10.5 m。出线场布置于上游副厂房GIS 厅屋顶。尾水管出口设尾水检修闸门2扇，孔口尺寸为5.826 m×4.35 m(宽×高)。尾水渠从尾水管出口高程367.50 m开始接5.62 m长的平直段，之后以1∶2反坡段河床平顺连接，出口处渠底高程为380.00 m。中控楼位于安装间上游侧，尺寸32.72 m×12.5 m×11.75 m(长×宽×高)，共分2层布置中控室和计算机室、通信设备室和蓄电池室等。

4　主要技术问题

4.1枢纽布置与施工导流

根据工程区地形地质条件和枢纽布置特点，工程枢纽布置与施工导流方案与密切相关，采用经济合理的导截流和枢纽布置方案是工程最为关健的技术问题。

坝址区左岸地形偏陡，右岸较缓且分布有滩地和I级阶地，具备布置纵向围堰进行分期施工的地形地质条件。施工导流洪水设计标准采用枯期5年一遇洪水，相应流量Q=974 m3/s，汛期采用全年10年一遇洪水，相应流量Q=4 000 m3/s，枯、汛期流量差别较大，因此采用分期施工，I期左岸河床过流，II期枯期由坝体预留底孔导流、汛期由坝身缺口泄洪的全年导截流方案较为经济合理。

枢纽布置中，结合分期导流的要求，将溢流坝段和消力池布置于右岸及I级阶地；进水口、底孔坝段与主厂房布置长度约80～90 m，布置于纵向围堰左侧即原主河床部位。溢流坝段紧挨冲沙底孔坝段4孔连续布置，同时纵向围堰与溢流坝段和消力池重叠布置，使枢纽工程量和边坡处理难度降低。

根据确定的枢纽布置和导截流方案，还需要解决以下结构问题：

(1)分缝设计。结合纵向围堰以右需设置导流底孔和缺口的需要，溢流坝段共分9号、10号、11号三个坝段，横缝长度分别为16、30、29 m，其中10号坝段左侧19 m范围为溢流坝段与纵向围堰重叠位置；为满足纵向围堰结构要求，消力池底板坝轴线向分缝宽度分别为5.34、24.16、3×11.5 m，其中24.16 m范围为消力池底板与纵向围堰重叠部分。

(2)止水、及钢筋保护设计。所有永久和施工缝上的铜止水片一半埋入先浇混凝土，并采用预留混凝土槽和钢板封闭保护，待后期混凝土浇筑时拆除钢板，拉出另一半止水埋入二期混凝土内；溢流面钢筋采用与止水相同的保护措施，待后期混凝土浇筑时拆掉封闭钢板，并与后浇混凝土内钢筋牢固连接。

(3)永久及临时接合面设计。10号坝段兼作纵向围堰，坝体与围堰碾压混凝土同时施工，在坝体碾压混凝土台阶上按常规要求设置插筋，将插筋和联接套铜埋入台阶内，待纵向围堰拆除至碾压混凝土台阶面，再将插筋接上浇筑溢面混凝土；占压消力池部分，则在机组发电过水后，利用三期围堰，浇筑消力池底板混凝土。

(4)围堰拆除设计。纵向围堰拆除采用微差爆破技术，对附近建筑物安全控制指标满足设计要求，并做好安全防护和安全监测。

4.2泄洪消能及优化设计

根据对坝址区地形地质条件的研究，坝后河谷较宽，地形坡度较缓，弱风化埋深较厚，坝轴线至原河床直线距离约370.0 m。若采用挑流消能方案，需设置长泄槽才能将水流挑入原河床，且需回填大量混凝土；根据分期施工的导截流方案，需要在坝体预留汛期泄洪通道，挑流消能方案不能满足这一要求；工程洪水流量较大，但泄洪水头不高，采用适当的辅助消能(如宽尾墩)设施，可有效减小消力池和纵向围堰规模，底流消能方案较为适应枢纽区地形地质条件，工程量合适，不会形成高边坡；综合以上考虑，工程采用底流消能方案。

经水力学计算确定，消力池底板高程372.5 m，后经模型试验最终确定为高程367.5 m，池宽与溢流坝段同宽，为67 m；消力池长度考虑设辅助消能工效果，取94.0 m；考虑消力池检修条件，在消力池末设尾坎，坎顶高程383.0 m。

经试验研究，将消力池右边墙调整为沿开挖面贴坡型式，将消力池左边墙厚度减少4.0 m，消力池断面将成为梯形复式断面，节约混凝土量约1.5万m3。

4.3边坡稳定分析及加固处理

右岸边坡地质条件较差，全、强风化层较厚，弱风化埋深较大，边坡开挖后出露基本为全、强风化岩层，沿全风化和强风化底界的滑动安全系数不满足安全控制标准，采用主动加固处理措施。右岸边坡主动加固力布置方案为445、460、480 m 3台马道以上每台坡面布置1 000 kN级预应力锚索两排，间排距为6 m×6 m，锚索深度进入弱风化岩层不小于6.0 m。经上述措施加固后，各工况所有滑面安全系数均能满足规范要求标准，加固布置方案合理可行。

左岸地质条件较右岸稍好，全、强风化层及弱风化埋深均较右岸浅，计算表明，各种工况下各滑面安全系数满足安全标准控制要求。但由于强、弱风化岩体节理裂隙较为发育，顺坡向节理较为普遍，开挖边坡较陡，施工过程中曾多次发生局部坍塌，因此为确保边坡稳定和施工安全，采用钢筋混凝土板+预应力锚索进行坡面防护。

消力池边坡在开挖过程中曾发生较大范围的变形、开裂，其原因即是全、强风化底界较陡，具有阻滑作用的下部岩体开挖后产生的。因此，在采取上部削坡、下部采用小挡墙的处理措施后，边坡运行正常。

枢纽区各主要边坡经反演分析确定合理的物理力学参数后，再采用多种方法进行稳定计算分析，根据计算成果和工程实践经验，采取合理的开挖支护和主动加固方案，并辅以坡面防护、截排水以及安全监测等综合处理措施，能够保证边坡在施工期和运行期稳定安全。

4.4坝基岩体利用标准和缺陷处理

根据规范[3]要求，参考工程经验，结合本工程最大坝高和工程地质条件，坝基岩体开挖和利用的基本原则是：左岸非溢流坝段(1号～4号坝段)、右岸非溢流坝段(12号～15号坝段)位于两岸岸坡，坝基开挖至弱风化下部～上部岩体；进水口坝段(5号～7号坝段)、底孔坝段(8号坝段)开挖至弱风化下部～微新岩体；溢流坝段(9号～11号坝段)需结合导流底孔和消力池，开挖到弱风下部～微新岩体。主厂房基础设计高程较低，开挖后为微新岩体。消力池底板基础、泄槽基础设计高程较低，开挖后为微新岩体。

4.5帷幕防渗设计及处理

本工程最大坝高74.0 m，根据规范[3]要求和工程经验，相对不透水层和帷幕控制标准为透水率q在3～5 Lu之间。帷幕应向左、右岸山体延伸，延伸长度应超过正常水位与地下水位相交点，并应延伸至弱风化岩体内。

枢纽区防渗帷幕范围自左岸灌浆洞至右岸灌浆洞，贯穿所有坝段、坝顶公路和两岸灌浆洞，防渗帷幕线总长436.0 m。坝体防渗帷幕深度以深入q≤3 Lu相对不透水层以下3～5 m或按坝前水深的0.3～0.7倍为控制，防渗帷幕为单排帷幕，分3序进行灌浆；非加密区帷幕孔距2.0 m，加密区帷幕孔距1.0 m。

根据实际情况，施工阶段对帷幕进行加深、加密处理。其中1号～15号坝段及左、右岸灌浆洞内帷幕加深2段10 m；右岸15号坝段、右岸灌浆洞内帷幕孔加密处理，防渗控制标准<5 Lu；河床5号～10号坝段、左岸灌浆调及1号坝段帷幕进行加密处理。

4.6直埋式蜗壳设计

电站单机容量80 MW，设计引用流量190 m3/s，蜗壳进口断面直径5.317 m，设计静、动水压力水头分别为58.5、90 m，最大设计内水压力达0.9 MPa，蜗壳材料采用Q345C。鉴于南欧江五级水电站蜗壳设计水头不高，经垫层蜗壳、完全联合承载蜗壳等方案研究后，结合工程的实际情况和施工特点，采用完全联合承载蜗壳方案，外包钢筋混凝土结构。采用有限元方法对蜗壳外围混凝土结构进行计算，对蜗壳外围混凝土进行结构配筋。

5　结　语

南欧江五级水电站枢纽布置方案充分利用了坝址区原河道、滩地和阶地的地形地质条件，在有限空间内集中布置施工导流、泄洪消能、引水发电等主要建筑物，并较好的解决了各建筑物间相互影响、相互制约的空间和时间的复杂关系，同时也较好解决了复杂地质条件下的边坡开挖和加固设计、帷幕防渗设计等关健技术问题，尽可能的降低了工程投资，最大程度的方便了施工，工程实践表明工程设计达到了经济可行的预期目的。

[1]中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司. 老挝南欧江五级水电站可行性研究报告[R]. 昆明：中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司， 2012．

[2]蔡斌， 余晖， 王强. 天然砂石骨料在老挝南欧江水电工程中的应用[J]. 水力发电， 2013， 39(9)： 45-47.

[3]NB/T 35026—2014混凝土重力坝设计规范[S].

(责任编辑王琪)

Study on Project Layout and Main Technical Issues of Nam Ou 5 Hydropower Station in Laos

LI Shuangbao1, LU Hong1, WANG Qiang1, LIANG Peijin1, XU Aibing2

(1. PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China;2. Nam Ou River Basin Hydropower Co., Ltd., Luang Prabang, Laos)

The project layout of Nam Ou 5 Hydropower Station is very compact, that all of main structures, including construction diversion, flood discharge and energy dissipation, water intake and power generation, are arranged in dam body or dam-toe. The relationship between structures is very complex, so the design and construction are also very difficult. The rock layers in the dam site are Carboniferous system (C1) and Quaternary (Q), in which the full and strong weathered layers are thicker and the weakly weathered layers are deeply buried, so the slope excavation height is high, the stability is poor and the treatment is also difficult. The characteristics of project layout and the design of main structures are introduced and the main technical issues and its treatment measures are also presented．

project layout; structure design; main technical issue; treatment measure; Nam Ou 5 Hydropower Station

2016- 03- 07

李双宝(1976—)，男，云南建水人，教授级高工，主要从事水电站的设计工作．

TV753(334)

A

0559- 9342(2016)05- 0046- 04