典型水电流域高坝筑坝关键技术研究与实践_段斌.pdf

典型水电流域高坝筑坝关键技术研究与实践段 斌1 陈 刚2 严锦江2 彭旭初2(1.国能大渡河金川水电建设有限公司,四川阿坝 6 2 4 1 0 0;2.国能大渡河流域水电开发有限公司,四川成都 6 1 0 0 4 1)摘 要:水电是十分重要的清洁可再生能源,筑坝技术对流域水电开发和水电工程建设尤其关键。针对大渡河流域梯级大坝群,基于建成的瀑布沟心墙堆石坝筑坝技术攻关,攻克了深厚覆盖层上建2 0 0 m级高心墙堆石坝的技术难题;基于建成的大岗山混凝土双曲拱坝筑坝技术攻关,首创了全套强震区高拱坝抗震安全技术体系;基于建成的猴子岩混凝土面板堆石坝筑坝技术攻关,取得了强震区、狭窄河谷、深厚覆盖层高面板堆石坝筑坝技术进步;基于在建的双江口心墙堆石坝筑坝技术攻关,实现了3 0 0 m级心墙堆石坝筑坝关键技术突破;基于在建的金川混凝土面板堆石坝筑坝技术攻关,实现了在深厚覆盖层和强卸荷岩体上修建高面板堆石坝的技术创新;基于丹巴混凝土闸坝筑坝技术攻关,论证了深厚覆盖层基础上建4 0 m级混凝土闸坝的技术可行性。上述筑坝技术取得了非常显著的经济和社会效益,值得我国水利水电行业借鉴和推广。关键词:大渡河;流域;高坝;筑坝技术;水利水电1 引言水力发电(简称水电)是十分重要的清洁可再生能源。在我国贯彻落实新发展理念指导下,深入实施能源安全新战略,锚定碳达峰、碳中和目标,坚持可再生能源优先发展,实施可再生能源替代行动,加快构建新型电力系统,促进可再生能源高质量发展,在有效支撑清洁低碳、安全高效的能源体系建设的背景下,水电被赋予了更大更重要的使命,发挥着不可替代的特殊作用1。当前,科学有序推进大型水电基地建设,积极发挥水电调节能力,统筹推进水、风、光储综合能源基地建设是水电发展的必然趋势和具体路径2。修建水电工程就要进行大坝填筑,筑坝技术的进步和发展对水电工程建设至关重要。大渡河发源于我国青海省果洛山东南麓,干流全长1 0 6 2 k m,天然落差4 1 7 5 m,全河流域面积7.7 4万k m2,多年平均年径流量4 7 3亿m3,与黄河相当,其干流和主要支流水力资源蕴藏量约3 3 6 8万k W,占四川省水电资源总量的2 3.6%,在我国十三大水电基地中位居第五3。由于大渡河地形地质条件复杂,存在河床覆盖层深厚、地质灾害较多、局部断裂带等复杂的地质问题,由此导致大渡河梯级电站建设将面临多项世界性的筑坝技术难题,如瀑布沟大坝(坝高1 8 6 m)是我国已建的深厚覆盖层上最高的砾石土心墙堆石坝4;大岗山混凝土双曲拱坝(坝高2 1 0 m)是世界建成的地震设防标准最高的高坝5;猴子岩大51典型水电流域高坝筑坝关键技术研究与实践作者简介:段斌(1 9 8 0),男,工学博士,正高级工程师,从事水电工程建设管理及技术工作。E-m a i l:i a m d u a n b i n 1 6 3.c o m。坝(坝高2 2 3.5 m)是世界建成的最狭窄超高面板堆石坝、强震区世界最高面板堆石坝6;龚嘴大坝(坝高8 5 m)是大渡河干流建成的最高混凝土重力坝7;铜街子大坝(坝高8 2 m)是大渡河干流唯一的涵盖混凝土面板堆石坝、混凝土重力坝、混凝土心墙堆石坝等多种坝型的混合坝8;双江口土质心墙堆石坝(坝高3 1 5 m)是目前在建的世界第一高坝9-1 0;金川大坝(坝高1 1 2 m)是大渡河干流深厚覆盖层上在建的最高面板堆石坝1 1;丹巴大坝(坝高3 8.5 m)是我国拟建的超过1 0 0 m覆盖层上修建的最高闸坝1 2,巴底大坝(坝高9 7 m)是大渡河干流深厚覆盖层上拟建的最高沥青心墙堆石坝1 2。可见,大渡河干流梯级电站工程涵盖了心墙堆石坝、面板堆石坝、拱坝、重力坝、闸坝、混合坝等主要坝型,堪称流域水电坝型“博物馆”,破解上述大坝的筑坝关键技术对引领世界坝工技术发展,推动我国清洁可再生能源高质量发展,实现碳达峰、碳中和目标,具有十分重要的意义和价值。2 流域地质背景概述2.1 地形地貌大渡河流域总的地势是西北高、东南低,可分为四个地貌区,即河源高原宽谷区,上源与上游高山(原)峡谷区,中游高山、中山峡谷、盆地区,下游低山、丘陵宽谷区。2.2 地层岩性大渡河流经多个不同的大地构造单元,地层岩相变化十分复杂,从前震旦系到第四系地层都有出露。就地层整体分布特征而言,以龙门山主中央断裂为界,分为西北部地槽变质岩区和东南部地台沉积岩区。流域内三叠系主要分布于流域西北部,前震旦系在流域中部出露最多,古生界各系地层出露于流域中部与东南部。2.3 地质构造大渡河流域跨越松潘-甘孜地槽褶皱系和扬子准地台,分为四个主要地质构造单元,即色达松潘断块、川滇南北向构造带北段、甘孜-康定断块、川中台拗。2.4 新构造与地震大渡河流域,自燕山运动以来,区域构造格架已趋定型。喜山期开始的新构造运动主要表现为大面积的掀斜抬升、老断裂的继承和发展、新断裂的产生、局部的断陷凹陷以及与之伴随的地震活动等。主要断裂带新构造包括鲜水河断裂带、磨西断裂带、大渡河断裂带、安宁河断裂带北段、龙门山断裂带等。区内强震震中,特别是M 6级的强震震中分布却具有明显的分带性和分区性。大渡河干流梯级电站均开展了地震安全性评价、工程防震抗震专题研究和审查等工作,地震安全性是有保障的。2.5 物理地质作用大渡河区带除崩塌、滑坡、潜在不稳定斜坡及泥石流外,物理地质作用主要表现有物理风化、卸荷等。61第一篇 水库大坝建设与运行2.6 水文地质大渡河流域在双江口以上的河源区,地下水类型主要是基岩裂隙水、松散堆积层中的孔隙潜水;在丹巴至马尔康地区的大渡河两岸分布变质砂板岩、大理岩以及少量岩浆岩侵入体,地下水类型主要是基岩裂隙水;石棉至丹巴地区段内岩浆岩大面积出露,地下水类型以基岩构造裂隙水为主;石棉至河口段地处大相岭峨眉山一带,碳酸岩类分布较广,岩溶水较发育,局部因气候干燥降雨量相对较少,地下水埋藏较大,泉点分布甚少。3 典型筑坝技术分析基于上述流域地质背景,自2 0 0 3年以来,通过筑坝技术攻关和成果实践,在大渡河流域建成了世界范围内极具代表性的瀑布沟、大岗山、猴子岩三座高坝;通过开展重大科研和技术论证,解决了双江口、金川、丹巴等高坝筑坝技术难题,推进了项目建设和前期工作。这些建设和实施成果大大推动了坝工技术的进步和发展。3.1 瀑布沟深厚覆盖层上高心墙堆石筑坝关键技术1.大坝工程概况瀑布沟水电站工程等级为等大(1)型工程,开发任务以发电为主,兼有防洪、拦沙等综合效益。装机容量3 6 0 0 MW,设计多年平均发电量1 4 5.8 5亿k W h。工程枢纽主要由拦河大坝、泄水、引水发电、尼日河引水等主要永久建筑物组成,工程总布置格局为:河床部位布置砾石土心墙堆石坝,左岸布置地下式引水发电建筑物及一条岸边开敞式溢洪道、一条深孔无压泄洪洞,右岸布置一条放空洞。拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝,大坝坝高1 8 6 m,坝基河床覆盖层最深处达7 7.5 m,坝顶长5 4 0.5 0 m。坝顶防浪墙高出坝顶1.2 m,其下部与心墙顶连接。上游坝坡12和12.2 5,下游坝坡11.8。坝顶宽度1 4 m。心墙顶设计高程8 5 4.0 0 m,顶宽4 m,心墙上、下游坡度均为10.2 5,底高程6 7 0.0 0 m,底宽9 6 m。心墙坝肩部位,开挖面形成后,浇筑5 0 c m厚的垫层混凝土,并对其下基岩进行固结灌浆。心墙上、下游侧均设反滤层,上游设两层各为4 m厚的反滤层,下游设两层各为6 m厚的反滤层。心墙底部在坝基防渗墙下游亦设厚度各为1 m两层反滤料与心墙下游反滤层连接,心墙下游坝基反滤层厚为2 m。反滤层与坝壳堆石间设过渡层,与坝壳堆石接触面坡度为10.4。为防止地震损坏,增加安全措施,在坝体上部堆石体内埋设土工格栅。坝基覆盖层防渗采用两道各厚1.2 m的混凝土防渗墙,两墙中心间距1 4 m,墙底嵌入基岩1.5 m。防渗墙分为主、副防渗墙。主防渗墙位于坝轴线剖面,防渗墙顶与廊道连接,廊道置于心墙底高程6 7 0.0 0 m,主防渗墙与心墙及基岩防渗帷幕共同构成主防渗平面;副墙位于主墙上游侧,墙顶插入心墙内部1 0 m。上游坝坡高程7 2 2.5 0 m以上采用干砌石护坡,垂直坝坡厚度为2 m;下游坝坡采用大块石护坡,垂直坝坡厚度为1 m。上游围堰包含在上游坝壳之中,作为坝体堆石的一部分。坝基及两岸基岩帷幕灌浆深入不大于3 L u的基岩相对隔水层。2.筑坝关键技术分析针对坝体高(1 8 6 m)、覆盖层深厚(7 7.5 m)、河道窄、防渗土料黏粒含量少(平均71典型水电流域高坝筑坝关键技术研究与实践4.6%)等技术难题,开展了瀑布沟深厚覆盖层上高心墙堆石筑坝关键技术研究与应用。通过现场试验、物理模型、数值分析等手段,围绕高土石坝坝体防渗安全、基础防渗安全和泄洪消能安全等问题开展研究,解决宽级配砾石土料的选择利用、深厚覆盖层的地基处理、高水头大流量窄河谷条件下的泄洪消能等重大技术难题,有效解决了深厚覆盖层低黏粒宽级配砾石土心墙坝建坝关键问题。利用当地宽级配的天然砾石土解决了坝体心墙防渗的技术问题,丰富了坝工界对天然砾石土的认识,拓宽了砾石土心墙坝筑坝材料范围。首次成功将黏粒含量5%的宽级配砾石土用作大坝心墙防渗材料,突破了建坝材料选择利用“瓶颈”,拓宽了建坝材料的适用范围,并配套研究应用了剔除粗粒的宽级配砾石土料级配调整技术和厚层状、2 5 t凸块土料碾技术;研究了长距离、大落差、连续下行式皮带机土料运输技术,属国内首次将带式输送机应用到水电工程大坝心墙砾石土料运输中,为类似工程土料运输积累经验并提供参考;同时研究了深厚覆盖层采用两道大间距高强度低弹模防渗墙,心墙与坝基混凝土防渗墙的连接为“单墙廊道式+单墙插入式”,形成可靠的基础防渗体系,为我国深厚覆盖层上的心墙堆石坝建设探索出了成功经验;对坝基砂砾石层采用了部分开挖及固结灌浆处理,提高了基础的承载力,使坝基范围内绝大部分原河床覆盖层得到了充分的运用,同时减少了基础开挖及填筑的方量,取得了良好的技术经济效益;提出了分散泄洪、分区消能、合理分配泄量的设计理念,研究采用翻转扭曲挑坎的变底岸坡岸边溢洪道和缓底坡长泄洪洞新型掺气设施,解决了高水头、大泄量、窄河谷、环境特殊条件下的消能抗冲和掺气减蚀难题。建成后的瀑布沟大坝见图1。该大坝被评为中国电力优质工程奖和国际里程碑工程奖。图1 建成后的瀑布沟大坝81第一篇 水库大坝建设与运行3.2 大岗山强震区高拱坝筑坝关键技术1.大坝工程概况大岗山水电站工程等级为等大(1)型工程,开发任务以发电为主,装机容量2 6 0 0 MW,设计多年平均发电量1 1 4.3亿k W h。水库正常蓄水位1 1 3 0 m,总库容7.4 2亿m3,调节库容1.1 7亿m3,具有日调节能力。电站枢纽工程由最大坝高2 1 0 m的混凝土双曲拱坝、左岸地下厂房、右岸泄洪洞等组成。大岗山双曲拱坝主要体形参数见表1。大坝设计地震采用1 0 0年基准期超越概率 2%,相应基岩地震动水平峰值加速度5 5 7.5 c m/s2,大坝校核地震采用1 0 0年超越概率1%,相应基岩地震动水平峰值加速度6 6 2.2 c m/s2。大坝采取设置梁向钢筋、跨缝阻尼器、布置拱座抗力体抗震预应力锚索,并在大坝上游面一定范围内喷涂防渗涂料等抗震措施。大岗山双曲拱坝体形参数表1项目参数项目参 数坝高(m)2 1 0.0 0厚高比0.2 4 8拱冠顶厚(m)1 0.0弧高比2.9 6 4拱冠底厚(m)5 2.0上游倒悬度0.1 3 6拱端最大厚度(m)5 6.5 5(9 5 0 m高程)坝体混凝土量(万m3)3 1 3.8 3顶拱中心角()9 3.1 3 6坝基开挖量(万m3)4 8 8.7 2最大中心角()9 3.4 6 6(1 0 9 0 m高程)单位坝高柔度系数1 1.7 0顶拱中心线弧长(m)6 2 2.4 2顶拱上游弧长(m)6 3 1.1 32.筑坝关键技术分析大岗山双曲拱坝高2 1 0 m,设计地震动峰值加速度高达5 5 7.5 c m/s2,在世界大型水电工程中最高,