白鹤滩水电站建设中的几个重点难题

陈 浩，王 玮，欧阳秋平

（中国三峡建设管理有限公司白鹤滩工程建设部，615421，宁南）

一、工程概况

白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站。电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪，并有拦沙、发展库区航运和改善下游通航条件等综合效益，是西电东送骨干电源点之一。工程为Ⅰ等大（1）型工程，枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m，坝下设水垫塘和二道坝。地下厂房对称布置在左、右两岸，厂房内各安装8台单机容量为1000 MW水轮发电机组。电站建成后将仅次于三峡水电站成为世界第二大水电站。

二、枢纽工程特点

1.拱坝工程

白鹤滩拦河坝采用椭圆线形混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高28 m，坝顶宽度14 m，拱冠梁底厚度63 m，坝顶中心线弧长709 m，弧高比2.453，厚高比0.218，拱端最大厚度85.45 m，最大中心角97.09°。坝体混凝土方量为810万m3。白鹤滩高拱坝有以下几个特点：

①拱坝承受的水推力巨大。白鹤滩拱坝坝高289 m，为世界第三高的混凝土双曲拱坝；总水推力1650万t，世界第二，次于小湾1700万t。

②地震地质环境复杂。工程及附近区域虽然不属于强地震区，但被强地震发生带包围。坝址区地震危险性来自外围强震影响。汶川地震后，国家高度重视工程和水库抗震安全问题，颁布了一批行业规范和国家规范，对工程抗震设计问题提出了新要求。经国家地震局复核，坝址区地震基本烈度按50年超越概率10%的地震动参数确定，为Ⅷ度。取工程基准期100年超越概率2%的基岩设计地震动水平峰值加速度451 gal为设计地震动参数，取工程基准期100年超越概率1%的基岩设计地震动水平峰值加速度534 gal为校核地震动参数，属300 m级高坝抗震参数世界第一。

③施工技术综合难度世界之最。白鹤滩拱坝右岸边坡最大开挖高差约700 m，开挖锚固工程量巨大。由于河谷深切，地形陡峻，施工出渣道路布置困难。拱坝混凝土浇筑总量810万m3，混凝土施工具有浇筑仓面大，浇筑强度高，高峰期持续时间长和施工干扰大（坝身孔洞、廊道多，金属结构、抗震钢筋量大），施工大风影响突出等特点。

2.泄洪消能工程

白鹤滩水电站泄水建筑物按1000年一遇洪水设计，10000年一遇洪水校核。泄洪消能布置采用坝身表孔、深孔和岸边泄洪洞联合泄洪的方式。坝身泄洪消能设施由坝身6个表孔（14.0m×15.0m）、7 个深孔（5.5m×8.0m）及坝体下游长约400 m水垫塘、二道坝组成；坝外泄洪消能设施由左岸3条无压泄洪直洞（15.0 m×9.5 m）组成。坝身最大泄量约30000m3/s，泄洪洞单洞泄洪规模约4000 m3/s。泄洪消能特点有：

①泄洪功率世界第三。坝址洪水峰高量大，经水库调蓄削峰后最大下泄流量仍达42356 m3/s，泄洪功率高达90000 MW，泄洪功率仅次于三峡和溪洛渡工程。其“巨泄量、高水头、窄河谷”的泄洪消能问题突出。

②泄洪雾化严重、防护要求高。由于表孔、中孔联合泄洪，空中碰撞，水舌在水垫塘内的溅水引起的雾化非常严重，会在坝身后较大范围内形成强烈的泄洪雾化区，两岸坝肩抗力体边坡位于强暴雨区，须设置有效的坡面保护和地表地下排水措施，确保边坡稳定。

图1 引水发电系统洞室模型

3.引水发电系统

两岸引水发电系统均采用首部式地下厂房、单机单管引水、2台机组共用1个尾水调压室和1条尾水洞，主厂房、主变室、尾水管检修闸门室、尾调室四大洞室依次平行布置（见图1）。地下厂房轴线右岸 N10°W、左岸N20°E。左右岸主副厂房洞长438 m，高88.7 m，岩梁以下宽为31 m，以上宽为34 m，机组安装高程570 m。主变洞布置在主副厂房洞下游侧，主变洞总长368 m，宽21 m，高39.5 m。主变洞与主副厂房洞净间距60.65 m。厂房水平埋深600～1000 m，垂直埋深260～330 m，地质条件总体以Ⅲ类围岩为主，岩石新鲜、坚硬、完整，中偏高地应力，岩石强度与地应力之比约4～5，地下水不丰富。 其主要特点：

①地下厂房洞室群围岩稳定问题突出。白鹤滩左右岸地下厂房洞室群规模及洞室尺寸大、岩性复杂、层间层内错动带发育、地应力高，存在大跨度地下厂房顶拱围岩稳定、高边墙围岩变形及层间错动带出露部位的不协调变形等问题。

②水轮发电机设计制造难度大。两岸厂房各装8台单机容量为100万kW的混流式水轮发电机组，最大水头243m，最小水头164m，额定水头202m。机组单机容量大，运行水头高，水头变幅大，是世界上单机容量最大的水轮发电机组 （见图2）。水轮机转轮水力设计和制造，发电机推理轴承、定子与转子冷却方式、绝缘耐热线棒等设计与制造，难度居于世界前列。

图2 水轮机发电机组模型

三、关键技术研究

1.复杂地形地质条件下不对称特高拱坝设计

白鹤滩坝址两岸地形条件不对称，左岸地形相对较缓，右岸高陡；左岸风化卸荷深，右岸风化卸荷相对较浅；左岸坝肩出露柱状节理玄武岩范围高、大，右岸范围相对低、小；左岸坝肩岩体结构面发育，岩体质量不如右岸好。坝址地形地质条件的不对称决定了拱坝的布置是不对称。为改善地形不对称和坝体的应力、位移分布及稳定条件，左岸坝顶设置混凝土垫座，柱状节理玄武岩出露部位设置混凝土以扩大基础。

2.强震区高拱坝、高边坡动力反应及抗震措施研究

《中国地震动参数区划图》《水电工程水工建筑物抗震设计规范》新颁布实施后，对工程抗震研究和设计提出了更高的要求。建设单位联合国内4家抗震经验丰富的科研单位和高校开展了高拱坝的抗震安全研究，并进行了动力模型试验，论证了高拱坝的抗震安全研究，并进行了动力模型试验，论证了白鹤滩拱坝强度和稳定能够满足大坝的抗震设计要求，提出了大坝抗震的主要措施。针对白鹤滩左岸水垫塘强卸荷边坡、首次开展了边坡抗震模型试验研究，专门研究了边坡沿高程的加速度变化规律和放大效果，为提升高边坡抗震分析方法和抗震设计提供了依据。

3.柱状节理玄武岩处首次作为高拱坝坝基的开挖保护技术

白鹤滩大坝坝基出露柱状节理玄武岩，为柱状镶嵌结构，开挖后岩体易松弛，变形模量降低，国内外对柱状节理岩体工程特性的研究甚少，柱状节理玄武岩作为拱坝坝基岩体尚属首次。结合白鹤滩拱坝设计研究，对柱状节理玄武岩作为拱坝坝基的可行性、坝体结构适应性、爆破开挖技术、防松弛保护措施及灌浆处理效果开展了全面、系统的研究，取得了丰硕的成果。研究表明，微新柱状节理玄武岩作为坝基，预计开挖后松弛层厚度2～3 m，经灌浆处理后岩体的声波波速大于4000 m/s。经充分论证，微新柱状节理玄武岩可以作为高拱坝基础，但必须重视浅层岩体的开挖与保护。

4.复杂水文地质条件坝基和洞室群的防渗安全问题

白鹤滩水电站地下厂房采用首部开发方案布置，距库区近，坝基及厂区分布多条层间错动带，对大坝及厂房防渗影响较大，厂区渗流问题复杂。华东院对厂坝区防渗排水布置、渗流场和渗透稳定进行了大量实验研究。除常规实验外，特别针对主要层间错动带和断层开展了现场大型结构面原位渗透变形试验和高压渗透试验。将拱坝和两岸地下厂房的防渗排水系统连接成一体，形成整体防渗排水体系。对厂坝区防渗排水系统进行了多角度、多方案的论证和敏感性分析，通过非饱和渗流研究分析了降雨入渗和泄洪雾化对左岸边坡及左右岸抗力体渗流场的影响。针对层间错动带和断层，首次提出了帷幕洞和截渗洞联合截渗的防渗技术。

5.巨型地下洞室群的设计施工技术

白鹤滩水电站地下洞室群规模巨大，岩体挖空率高。地下厂房的跨度、调压室直径和数量均居世界已建在建水电工程之首。地下厂房地质条件复杂，遭遇高地应力、层间层内错动带及柱状节理玄武岩，洞室设计、施工难度在地下洞室建设中是空前的。为提高洞室群整体稳定性，适当增大了厂房与主变洞的间距，尾水调压室采用了围岩稳定条件较好和对洞群影响较小的圆筒形，减小洞群效应的影响。施工中采取“实时监测、过程反馈分析、动态支护设计”原则。

6.巨型圆筒尾水调压室设计

白鹤滩两岸电站尾水系统均较长，为解决长大复杂尾水系统的水力过渡过程稳定问题和高边墙围岩稳定问题，左右岸各布置4个大直径圆筒形阻抗式尾水调压室，开挖直径43～48 m，高90 m。调压室区域地质条件复杂，地应力高，层间层内错动带及柱状节理玄武岩在巨型调压室穹顶发育，穹顶围岩稳定问题突出。为解决这一难题，设计从穹顶体型优化、施工顺序、支护参数及监测设计等多方面研究，获得了适合本工程地质条件的尾水调压室穹顶设计成果，并获得诸多创新成果。

7.巨型地下洞室群施工通风技术

大型地下工程的永久通风系统往往投运较晚，施工初期地下工程通风不畅，洞室中粉尘烟雾弥漫，空气环境恶劣，是工程施工中各方最为头疼的问题。白鹤滩工程开创性设立了左右岸地下洞室群施工专用排风洞，将左右岸地下洞群通风系统提前实施，包括两条总长约3.89 km的排风平洞和17个排风竖井，配置了先进的大容量风机，并在地下厂房顶拱层和尾水系统开工前投运，有效的改善了地下洞室的通风和施工条件。

8.全坝采用灰岩骨料

坝体混凝土骨料料源关系到大坝质量和安全，在可行性研究阶段，就混凝土骨料料源选择从地质勘查、试验、分析研究等方面开展了大量的论证研究工作。联合十余家研究单位分别对“全玄、玄+白云岩、玄+灰、全灰”方案开展多项骨料加工生产性试验和混凝土性能试验。全灰岩骨料混凝土具有线胀系数较低、强度较高、干缩较小、综合抗裂能力较强的优点，对高拱坝的施工质量更有保证。最终选择旱谷地料场灰岩作为白鹤滩拱坝混凝土骨料料源。

9.全坝使用低热水泥

白鹤滩坝区为干热河谷，温差大、大风天气多，混凝土温控防裂难度大。在导流洞成功采用低热水泥混凝土的基础上，三峡集团组织科研院所联合攻关，开展白鹤滩高拱坝低热水泥应用关键技术研究，调整低热水泥矿物组织，优化混凝土温控指标和温控措施，使生产的低热水泥具有水化热更低、放热速度更慢、收缩更小、抗裂性更高的特性，提高了白鹤滩拱坝混凝土的抗裂安全度。