鸭嘴河布西水电站拦河坝型式选择比较分析

摘要：结合鸭嘴河布西水电站工程实际情况，就四种常用坝型进行分析比较，并提出自己的见解。

关键词：沥青心墙堆石坝；面板堆石坝；碾压混凝土拱坝；常态混凝土拱坝

1 工程概况

布西水电站工程位于四川省凉山州木里县境内的鸭嘴河干流上，鸭嘴河是雅砻江右岸的一级支流，发源于海拔4300m的太阳北麓，干流全长53km，流域面积556km2，河道平均比降42‰，河口海拔约1760m。布西水电站是鸭嘴河干流规划梯级的第一级，枢纽距木里县城67km，距西昌市321km。

布西水电站是鸭嘴河梯级中的“龙头”水库电站，其水库正常蓄水位3295.00m，总库容2.16亿m3，调节库容1.88亿m3，具有年调节能力。电站设计引水流量21.6m3/s，装机容量2.0万kW，枯水年枯水期平均出力0.94万kW，多年平均发电量0.753亿kW・h。工程的主要任务为水力发电。该工程属规Ⅱ等大（2）型工程。

布西水电站下游两个梯级为烟岗水电站和跑马坪水电站，装机容量均为12万kW，各利用水头600m，均为调节性能差，但水头利用却比较高，工程效益明显的引水式电站，因此作为鸭嘴河干流中的“龙头”水库------布西水电站的建设就显得尤为重要。

2 工程拦河坝坝型的拟定

布西水电站坝址河谷呈基本对称的“U”型峡谷，谷底宽度20～30m，两岸坡陡峻，平均坡度60°以上，局部直立，两岸山体雄厚，山顶与河床相对高差达300～350m。坝区岩石坚硬且大部分、地形完整，河床基岩面高程3170～3182m，略有起伏，其上部为河床砂卵石层和崩塌的块石层，下部为大理岩和变粉细砂岩。布西坝址上、下游两岸大理岩丰富，可作为人工骨料和筑坝块石料。根据工程区地形地质条件、人工骨料和筑坝块石料情况，布西水电站坝址具备修建圬工坝和当地材料坝的条件。

根据河谷地形特征来看，坝址处较适合修建拱坝，因此，设计选择了拱坝中设计、施工技术都相对成熟的常态混凝土拱坝，以及目前技术比较先进的碾压混凝土拱坝两种圬工坝型方案。同时由于布西水电站坝址距木里县城67km，距西昌市321km，交通条件虽然较为方便，但由于拱坝的筑坝材料水泥和粉煤灰全靠外运，对外依赖性较大，存在一定的运输风险。因此，有必要考虑能充分利用当地丰富石料的当地材料坝型。在通过对坝址区进行勘察后发现，坝址区有较丰富的堆石筑坝料，但却无可用的防渗土料料源，所以在拟定当地材料坝坝型时，选择了混凝土面板堆石坝和沥青混凝土心墙堆石坝两种防渗体相对较薄的坝型，作为当地材料坝坝型的备选方案。

总上所述，适合布西水电站拦河大坝的坝型共有沥青心墙堆石坝、面板堆石坝、碾压混凝土拱坝、常态混凝土拱坝四种。

3 各坝型方案的设计

3.1沥青心墙堆石坝方案

沥青心墙堆石坝方案的枢纽布置主要建筑物由拦河大坝、溢洪洞、泄洪放空洞、发电引水洞和坝后电站等五部分组成。

拦河大坝采用沥青心墙堆石坝，坝顶高程3300.50m，坝顶宽12m，最大坝高146.50m，坝顶长185m。上游坡比从上到下依次为1：2.0、1：1.9，在高程3229m高程设马道，马道宽度为5m；下游坡比从上到下依次为1：1.9、1：1.9、1：1.8、1：1.8、1：1.8，在高程3275m、3250m、3225 m、3200 m处分别设马道，马道宽3m。拦河坝标准剖面图见图1。

图1 沥青心墙堆石坝标准剖面图

枢纽的泄洪和发电引水建筑物均布置在右岸。溢洪洞采用竖井溢洪道，同导流洞相结合。由井口防涡设施、环形溢流堰、竖井段、消能井、退水隧洞段及出口消能段组成。竖井环形溢流堰半径为7.5m，堰顶高程为3295.00m。堰高4.42m。竖井内径为6.5m，衬砌厚度2.0m。消能井底板高程为3168.70m，底板厚2.5m，退水隧洞由导流洞改建而成，总长455.75m，进口底板高程3182.355m，洞身为城门洞型，尺寸为5.0×6.67m，直墙高5.0m，顶拱中心角135°。出口采用底流消能方式。

泄洪放空洞布置于左侧，由引渠段、进水塔、龙抬头段、平流段、出口挑流鼻坎段组成。引渠为梯形断面，长20.0m。龙抬头跌落段水平长度177.713m，落差58.74m。平流段，长171.29m，底坡为1%。洞身段采用城门洞型断面，断面尺寸为3.5m×5.143m；挑流鼻坎，水平长度15.8m，坎顶高程3179.50m。反弧半径为27.5 m，挑射角22°。

发电引水隧洞进水口布置在大坝上游右岸约150m处，进口高程3226.00m。引水隧洞和压力管道全长765m，设计引水流量21.6m3/s，洞径为3.5m，压力管道直径3.0m。

3.2面板堆石坝方案

面板堆石坝方案的枢纽布置主要建筑物由拦河大坝、溢洪洞、泄洪放空洞、发电引水洞和坝后电站等五部分组成。

拦河大坝采用混凝土面板堆石坝，坝顶高程3300m，坝顶宽12m，最大坝高147m，坝顶长196m。上游边坡为1：1.5，下游边坡第一级马道为1：1.5，其余均为1：1.45。拦河坝标准剖面图见图2。

图2 面板堆石坝标准剖面图

混凝土面板堆石坝枢纽中溢洪洞、泄洪放空洞、引水发电洞、坝后电站等四部分的布置与形式均与沥青心墙坝的布置型式相同。

3.3碾压混凝土拱坝方案

碾压混凝土拱坝方案的枢纽布置主要建筑物由拦河大坝、溢洪洞、发电引水洞、坝后电站等四部分组成。

拦河坝采用三心圆双曲拱坝，坝顶弧长237.72m，坝高147m，坝顶宽度6m，坝底宽度30m，坝顶中心角65.175°，最大中心角91.421°，大坝弧高比为1.62，厚高比为0.204，最大倒悬度0.197，大坝混凝土总方量为50.97万m3，拦河坝标准剖面图见图3。

图3 碾压混凝土拱坝标准剖面图

泄水建筑物采用岸边竖井溢洪道，布置于右岸岸坡上，同导流洞相结合。竖井溢洪道由井口防涡设施、环形溢流堰、竖井段、消能井、退水隧洞段及出口消能段组成。堰顶高程为正常蓄水位3295.00m，堰高4.42m。竖井溢洪道设计洪水位下泄流量为163m3/s，校核洪水位下泄流量为234m3/s。

电站进水口布置在大坝上游右岸约50m处，进水口高程3226.0m。放水塔型式选用岸塔式。放水塔底部高程3226.00m，塔体顶高程3297.00m，总高度71.0m，引水隧洞设计流量21.6m3/s，洞径为3.5m方案，洞内流速2.25m/s。引水隧洞和压力管道总长度644.5m。

3.3常态混凝土拱坝方案

常态混凝土拱坝方案的枢纽布置主要建筑物由拦河大坝、溢洪洞、发电引水洞、坝后电站等四部分组成。

大坝采用三心圆双曲拱坝，坝顶弧长253.58m，坝高147m，坝顶宽度6m，坝底宽度27m，坝顶中心角83.322°，最大中心角100.126°，大坝弧高比为1.73，厚高比为0.18，最大倒悬度0.262，大坝混凝土总方量为47.829万m3。拦河坝标准剖面图见图4。

图4 常态混凝土拱坝标准剖面图

常态混凝土拱坝枢纽中溢洪洞、发电引水洞、坝后电站等三部分的布置与形式均相同，此处不再赘述。

4 拦河坝型式选择

分析上述四种坝型方案，常态混凝土拱坝施工、设计技术都相对成熟，但坝体本身混凝土用量较大、温控措施复杂、施工工期长、对两岸地质要求高，超载能力强，坝体安全度高；碾压混凝土拱坝具有水泥用量较小，技术先进、施工速度较快、工期短，工程投资较小，超载能力强，坝体安全度高等优点，但其对两岸地质要求和常态混凝土拱坝一样，比较高。混凝土面板堆石坝具有能充分利用当地材料以及枢纽施工弃料、工程运行后防渗体便于检查和维护的优点；沥青心墙堆石坝同样可充分利用当地材料以及枢纽施工弃料、且对地形适应相对较强，防渗体小，但其坝体方量相对较大、防渗体出现问题后检修和维护不便，且目前国内外也无与此坝高度相当的同类坝已成工程。

为优选出布西水电站拦河大坝的坝型，下面结合坝址区地质、地形、施工及工程投资等方面，进行进一步的综合比较，选择出合适的坝型方案。

4.1工程地质条件比较

布西水电站坝址区基岩大多，坝区发育两条大断层和三条小断层，最大一条F1断层带构造岩结合较为紧密，致密坚硬，铁、硅质胶结，具有一定抗滑能力，与两侧岩体结合较好。地质勘探共揭示，溶洞、溶隙22处，其中有20处位于右岸，两处位于左岸，有19处溶洞在地表露头明显。从岩溶规模、数量，结合区域岩溶发育史来分析，本区岩溶发育程度属较弱的地区。

对于两种堆石坝来说，不存在坝基抗滑稳定问题，F1断层对抗滑稳定影响较小，而右岸岩溶发育，需加强防渗（心墙帷幕），并采取混凝土塞置换处理部分溶洞。相对来说，沥青心墙堆石坝的心墙基础条件要好于混凝土面板堆石坝的趾板基础。

对于两种拱坝来说，大坝的坝基座落于大理岩之上，F1断层工程地质性质较好，对坝基变形及抗滑稳定影响不大，不存在坝基抗滑稳定问题。两岸拱座出露岩性为大理岩，其中左岸拱座附近无较大规模的断层、软弱结构面、不利结构面发育，不存在拱座岩体的整体稳定问题；右岸拱座地形陡峻，地表地形完整，出露较大规模的结构面仅有两条：f2断层和Lf（方解石脉），但由于岩溶现象的迭加，使拱座的地质条件变得相对较为复杂，因此右岸对坝体设计影响较大。

4.2坝址区地形条件比较

布西坝址处河床高程3170～3182m，平均比降约10‰，河谷切割深度达350m左右，两岸山体雄厚，从地形上看对于碾压混凝土拱坝和常态混凝土拱坝非常有利；但对沥青心墙堆石坝来讲，由于轴线处岸坡陡峻，大坝的后期沉降在防渗心墙和岸坡相接处表现相对比较集中，对大坝的防渗安全有很大的影响；同样对混凝土面板堆石坝来讲，岸坡的较陡给趾板的布置和开挖带来了很大困难，在后期趾板周边缝处大坝沉陷集中，对面板、周边缝止水系统危害比较大。

4.3施工条件

四种坝型方案均采用全年围堰一次断流，导流隧洞过水的导流方式，其中沥青心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝两个方案在施工布置方面基本相同，料源均落实，但沥青心墙堆石坝方案须用专用的沥青混凝土生产、碾压设备，场内交通工程量相对较大，其主要防渗材料方量虽不是很大，但外运距离较远，计划施工工期为39个月；混凝土面板堆石坝施工机械相对简单，水泥用量较沥青心墙堆石坝方案大，也依靠外运，施工工期为42个月；碾压混凝土拱坝方案和常态混凝土拱坝两个方案在施工布置方面基本相同，想比两种堆石坝方案，由于坝体方量较小，布置相对容易，其料源均落实，但均需大量外运，对交通运输的要求较高，在工期方面，常态混凝土拱坝方案为48个月，碾压混凝土拱坝方案为36个月。

4.5工程投资

四种坝型的工程直接投资费用经估算列于表4-1。

工程投资费用比较表（工程直接费）

表4-1 单位：万元

坝型方案

项 目 沥青心墙

堆石坝方案 混凝土面板

堆石坝方案 碾压混凝土

拱坝方案 常态混凝土

拱坝方案

建筑工程 42595.11 44414.23 41686.15 43213.49

临时工程 5783.42 5239.03 4413.48 4468.58

合 计 48378.53 49653.26 46099.63 47682.07

4.6比选结果

通过以上论述可以看出，布西坝址在地形上十分利用拱坝的修建，但不利用堆石坝防渗体的布置；在地质上，暂未发现重大影响几种坝型修建的不利因素，但由于岩溶现象的存在，对拱坝的修建存在一定的风险；在施工条件上，几种坝型相差不大，均适合机械化施工，但面板堆石坝筑坝材料的保证率最高，对外界的依赖最少；在工程投资上，碾压混凝土拱坝的优势十分明显；在设计技术难度上，四种坝型均为成熟坝型，但147m高的沥青心墙坝和碾压混凝土拱坝国内外相对较少。

按照惯例，一般在建筑物的比较中，工程投资的大小起着决定性作用，在本工程中碾压混凝土拱坝除投资较省外，其施工条件也不差且施工工期最短，虽存在岩溶现象但发育程度较弱，因此在最初设计偏向于推荐碾压混凝土拱坝为布西坝址的推荐坝型，但在进一步分析后，设计认为：本工程主要任务为发电，而且布西水电站是鸭嘴河梯级中的“龙头”水库，其调节性能的好坏，是下游烟岗和跑马坪水电站生产优质电能的保障，所以布西水电站的尽快建成以及长久安全运行是至关重要。碾压混凝土拱坝方案的施工工期最短，但这一切的前提是施工地质条件不发生较大变化，如果一旦出现地质恶化情况，则对工程施工工期的影响难以估计，此外碾压混凝土拱坝的筑坝材料基本靠外运，工地距西昌市321km，均为山区公里，经常受到滑坡和泥石流的影响，对运输压力很大，存在一定风险，因此此方案并非最适合本工程方案。在随后和建设单位的沟通过程中，其也认可了这种看法，认为工程顺利、安全的施工和运行最为关键，因此最终设计综合考虑推荐了面板堆石坝这种投资较大但施工有保证的坝型作为布西坝址的推荐坝型。此方案最终也得到了相关审查的肯定。

布西水电站开工建设于2007年7月，于2010年9月26日下闸开始蓄水，先于下游烟岗和跑马坪水电站进入试运行，为下游电站发挥效益提前存蓄水量。工程行至今良好，效益可观。

4 结论

在一般建筑物的比较选择中，工程投资的大小往往起着决定性作用，但随着社会的发展，国家经济实力的增加，工程的安全性已显得越来越重要，为了工程的安全和避免一些不可预知的不利因素，是可以采用增加部分投资以确保工程的顺利、安全建设。