绿水溏水电站砼拦河坝设计浅探（洪振国）

摘要：文章简要介绍开远市绿水溏水电站工程拦河重力坝设计情况。从动能指标、总投资、淹没损失、坝体设计、防沙取水、基础处理等方面综合考虑，突出工程特点，最终使坝的设计达到了经济、合理的目的。

关键词：绿水溏水电站；拦河坝设计。

1．工程概况

绿水溏水电站地处红河州开远市中和营乡，电站为南盘江右岸支流绿水溏河水电站梯级开发中的第二级。电站装机容量2×5MW，设计水头322m，引用流量3.72m3/s，是一座以发电为单一任务的径流引水式高水头电站。工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物大坝按4级设计，次要建筑物按5级设计，临时性建筑物按5级设计。

电站工程枢纽总体布置方案为：在位于绿水溏村附近的绿水溏河段上筑拦河坝取水，经过3.03km无压引水隧洞穿过祭天坡分水岭引水至盐防坡，经压力前池到进水室，再通过1058m的压力管道引至南盘江右岸地面厂房发电。

工程枢纽由首部枢纽、引水系统、厂区枢纽三部份组成。其中首部枢纽拦河坝坝址控制流域面积300km2，坝址多年平均流量2.84m3/s；拦河坝设计洪水重现期20年，校核洪水重现期100年。

拦河坝设计中，布置受左岸向北东凸出的小山脊限制，坝顶高程受锁（龙寺）～平（远）高速公路限制，经多方案比较后采用混凝土重力坝坝型，最大坝高11.68m，坝轴线长64.085m；坝自左向右依次为左岸非溢流坝段、溢流坝段、冲沙闸、取水闸坝段、右岸非溢流坝段。

2、坝址选择

绿水溏河全长约22.8km，总落差460m，河道平均比降20‰。其中：岔冲沟交汇前至上游舒城新寨河长15.3km，落差约60m，是河道坡降最小的一段，平均比降仅4‰；岔冲沟交汇后的下游段7.4km的河道落差达400m，是河道坡降最大的一段，平均比降达到54‰。在《绿水溏河河流规划》中绿水溏电站为绿水溏河第二级电站，坝址选择主要在岔冲沟交汇绿水溏河后至绿水溏河高程1340m河段上选取。该河段比降约8‰，同时，已建锁（龙寺）～平（远）高速公路从该河段旁边穿过，坝址选择必须考虑工程对锁平高速公路的影响。

经比较，最终选定坝址位于绿水溏村附近的绿水溏河与独步河交汇下游河段上。该河段地形开阔、河谷较宽缓，利于水工建筑物布置，施工条件较好；在此筑坝，坝线相对较短，工程量小，且大坝距平锁高速公路50m，工程布置及水库回水对公路及其他设施均无影响；两岸基岩出露良好,坝址及库区也无较大的不良物理地质现象，适合筑重力坝。存在的问题是河床覆盖层厚度大，坝设计中必须考虑坝基防渗处理等问题。

3、拦河坝特征水位确定

3.1、拦河坝正常蓄水位的选择

由于坝址上游有锁（龙寺）～平（远）高速公路通过，为避免对该高速公路造成影响，最高控制水位为1352m。另外为保证电站的正常取水要求，满足坝布置的最低控制水位为1349m，因此坝采用1349m、1352m两组正常蓄水位方案进行比较。

（1）方案动能指标成果

根据动能计算的基本资料以及拟定的方案，对1349m，1352m两组正常蓄水位， 10MW装机方案进行动能计算，经计算：当正常蓄水位1349m时，多年平均发电量为4584万 kW.h，倍比系数分别为6.8、8.5、10.3，年利用小时数分4584h，最大引用流量3.72 m3/s，水量利用系数为68.78%。当正常水位1352m时， 10MW装机对应多年平均发电量为4607 kW.h、，倍比系数分别为8.5，年利用小时数为4607h，最大引用流量为3.69m3/s，水量利用系数为68.44%。

（2）综合分析及方案选定

以10MW装机容量方案为比选方案，对正常蓄水位：1349m、1352m两组水位进行比较。

当正常蓄水位1349.0m时，保证出力1.17MW, 多年平均发电量4584万kW.h，水库淹没16.7亩,淹没投资55.1万元，单位千瓦投资6726元/kW，单位电度投资1.47(元/kW.h)，总投资6726.3万元；当正常蓄水位1352.0m时，保证出力1.18MW, 多年平均发电量4607万kW.h，水库淹没38.1亩，淹没投资125.7万元，单位千瓦投资7427元/kW，单位电度投资1.61 (元/kW.h)，总投资7426.8万元。

可以看出，（1）随着正常蓄水位由1349m提高至1352m，保证出力增加；多年平均发电量呈增加趋势，增量为23.5万kW.h；（2）随着正常蓄水位的提高，工程量增大，投资增加，增量变幅加剧；（3）1349m水位方案单位千瓦投资最低；从单位电度投资上看，1349m水位方案单位电度投资最低。（4）随着正常蓄水位的提高，水库淹没实物量增加明显，淹没处理难度增大明显，水溏电站在1349m水位时，淹没处理的费用最小，淹没处理难度也最低。

综上分析，综合从动能指标、总投资、淹没损失的比较结果，绿水溏电站正常蓄水位为1349m时，综合指标最优，因此，选定绿水溏电站坝正常蓄水位为1349m。

3.2、拦河坝死水位确定

绿水溏电站为单一发电的电站，死水位的选择主要考虑满足电站最小发电流量的取水的要求，确定坝死水位为1347.4m，相应死库容为0.3万m3，电站调节库容为0.4万m3。

3.3、防洪特征水位确定

绿水溏电站下游无城镇、农田等防洪对象，因此，电站的防洪任务主要是其本身枢纽工程的防洪安全。根据坝布置方案，坝址区主要建筑物设计洪水重现期为20年，校核洪水重现期为100年；

根据坝地形条件，避免对该高速公路造成影响，最高控制水位为1352m。同时尽量降低坝高，减少淹没损失和投资，坝泄洪设施采取溢流表孔加冲沙闸底孔联合泄洪方式；经调洪计算，设计洪水为1352.22m，相应泄量180.8m3/s；校核洪水为1353.08m，相应泄量258.7m3/s。

4、拦河坝结构设计

4.1、溢流坝段

堰宽2×7.5m，采用WES曲线型实用堰，堰顶高程1349.10mm，堰后接半径为3.0m、中心角为57°12′49″的反弧，采用为底流消能，消力池长22m。溢流段顶部设宽3m钢筋砼交通桥，坝基开挖最低高程1342.7m，坝体材料内部采用C15埋石混凝土浇筑，表层采用C20钢筋混凝土浇筑形式抗冲耐磨保护层。

在溢流坝段设计时，首先考虑取水口能取到发电的流量、满足防洪期全安泄洪，同时洪水不致冲淘坝基和其它建筑物的基础等，因此,着重以下几方面:

(1)溢流堰堰顶高程设计

为了取水口能够取到3.72 m3/s以保证发电,同时校核水位由取水口上游已建锁（龙寺）～平（远）高速公路及水库淹没控制。经计算比选后选定堰顶高程为1349.50m。

(2) 溢流堰宽的确定

结合坝的地形条件，溢流坝堰宽选择10m、15m、20m作比较，溢流堰为开敞式，经结构布置及泄洪计算，结果见表1。

溢流坝堰宽选取10m时校核洪水位为1354.32m，此水位距锁平高速公路桥墩顶高程（1354.9m）仅有58cm，不能满足公路超高要求。溢流坝堰宽选取20m时校核洪水位为1352.38m，但下游河道需扩宽为26m，而原河床河宽仅为7～8m，河道改变过多，工程量大，同时对下游河道影响大。溢流坝堰宽选取15m，校核洪水位为1353.08m，既满足了锁平高速公路防洪要求（预留有1.82m安全高度），又不过多的改变河道宽，工程量较小。因此综合上述分析比较，选定溢流坝堰宽15m。

（3）溢流堰消能工设计

由于溢流堰消能工按5级设计，所以消能工设计洪水标准P=5%，对应的洪峰流量为178m3/s；对各级水位的跃后水深进行计算，跃后水深均大于下游水深，需设置消能工，由于河床基础抗冲刷能力差，跃前水流弗汝德数较低（2.5＜Frc＜4.5），宜采用底流消能。按《水闸设计规范》进行消力池设计，经计算消能池深度为1.7m，池长为22.0m。

（4）溢流堰基础设计

溢流堰坝段地表为洪冲积覆盖，洪冲积为上下两层：上层为黄褐色含砾沙质粘土、粘质沙土，松散至中密，厚1.5m；下部及河床内为灰、褐灰色卵砾石夹块石，结构松散至稍密，局部有粉质沙土充填，卵砾石成分以石英沙岩、粉沙岩为主，总厚9.1m，洪冲积层为强透水层（K=25.45m/d）。下伏基岩为弱风化粉沙岩、石英沙岩夹页岩，其透水率小于10Lu，可以视为相对隔水层。

溢流坝基础开挖到洪冲积下层稍密卵砾石，洪冲积下层地基承载力满足筑低坝要求，不作强度提高处理。但冲洪积沙卵砾石层为极强透水层，吕荣值大于100Lu，要作防渗处理设计。防渗处理选取C20混凝土防渗墙，厚度400mm，防渗墙齿入隔水层1m。

4.2、冲沙闸、取水闸坝段

冲沙闸布置于河道右岸取水闸左边，采用钢筋混凝土结构。冲沙孔口尺寸为2.0×2.0m，底板高程1345.50m，与原河床高程同高。设平板工作闸门、检修门各一套。消能型式为底流消能，消力池长22m。基础开挖高程1344.5m，操作平台高程1354.38m，总高9.88m。

取水闸布置于河道右岸冲沙闸右侧，采用钢筋混凝土结构。孔口尺寸为2.0×2.0m，底板高程1347.00m，比原河床高程高1.5m。设平板工作闸门、拦污栅各一道。基础开挖高程1346.0m，操作平台高程1354.38m，总高8.38m。闸后设长10m、深0.6m消能池，河水经消能后接渠道引入沉沙池 。

冲沙闸、取水闸坝段设计中着重以下几方面:

（1）取水防沙设计

由于绿水河为山区性河流，洪水期洪峰流量大，含沙量大，但随着洪峰的削弱，河道流量随之降低，水流含沙量亦随之减少。要做好冲沙闸底孔排沙，解决水电站取水闸“门前清”，则取水闸前设有拦沙槽及拦沙坎，取水闸左边设有冲沙闸。冲沙槽前宽后窄，以保证槽内流量虽沿程渐减，但纵流速仍能均匀分布，设置一定的2%纵坡，以便有利于底沙的排除。拦沙坎的高度为1.5m，防止大量的推移质泥沙大量进入水口闸。

（2）闸孔尺寸设计

根据冲沙闸底板高程1345.50m，与原河床高程同高, 结合规划泥沙淤积分析, 确定拦沙坎的高度1.5m。 同时根据冲沙闸宽度等于或略大于取水闸宽度原则，选取冲沙孔口尺寸为2×2m。

根据取水条件：在正常运行中以明流型式进行取水，取水闸孔口尺寸以在死水位1347.4m时，满足取发电最小引用流量Q=0.465m3/s，在正常水位1349m时，满足取发电最大引用流量Q=3.72m3/s的要求为原则进行选定，经计算，取水口孔口尺寸为2×2m。

（3）冲沙闸、取水闸基础设计

冲沙闸、取水闸位于左岸坡，坡脚多有基岩出露。岩性为灰、深灰色极薄至薄层状石英沙岩、粉沙岩、粉沙质页岩为主夹少量厚层状石英沙岩，单层厚多在1～10cm间，多呈夹层组合，少量互层状，表层风化后多呈暗褐色、褐黄色及灰色，总厚度大于300m。下其透水率小于10Lu，可以视为相对隔水层。基础开挖只需要清除表层履盖层，就可以满足础基承载力，防渗要求。

4.3、非溢流坝

坝体主体结构以C15埋石混凝土为主，迎水面及底板设0.5m厚C20钢筋混凝土结构防渗，坝基最低开挖高程1346.00m, 坝顶高程为1354.38m，大坝高8.38m，坝顶宽度3m（考虑交通要求），下游坝坡1：0.65。

坝址两岸山体较稳定，坡脚多有基岩出露。但右坝肩有少量厚层状石英沙岩呈孤石及小塌体分布，不稳定；对坝肩及坝后泄洪消能段会有一定影响。采取措施为：清除右坝肩不稳定孤石、小塌体，坝肩开挖坡度为1：1，坝顶以上的边坡作喷锚支处理。

5、结语

绿水溏水电站以发电为单一任务的径流引水式高水头电站。拦河坝设计中除考虑坝址选择满足水工建筑物布置、施工条件等要求外，同时还应细致考虑工程布置及回水对平锁高速公路均无影响，从动能指标、总投资、淹没损失、坝体设计、防沙取水、基础处理等方面综合考虑。在设计中，做好细部设计工作，突出工程特点，对拦河坝工程乃至对整个工程优化设计，至关重要。

参考文献

水工设计手册（ 混凝土坝），水利电力出版社1987。

混凝土重力坝设计规范（DL5108-199）, 中国电力出版社。