李雙寶，魯　宏，王　強，梁培金，徐愛兵

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650051；2.老撾南歐江流域發(fā)電有限公司，老撾瑯勃拉邦)

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老撾南歐江五級水電站樞紐布置及主要技術問題研究

李雙寶1，魯宏1，王強1，梁培金1，徐愛兵2

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650051；2.老撾南歐江流域發(fā)電有限公司，老撾瑯勃拉邦)

老撾南歐江五級電站樞紐布置十分緊湊，施工導流、泄洪消能、引水發(fā)電等主要建筑均集中于壩身和壩后，建筑物間關系十分復雜，設計和施工均有較大難度；壩址出露地層為石炭系下統(tǒng)(C1)和第四系(Q)，全、強風化層較厚，弱風化埋深較大，邊坡開挖高度大，穩(wěn)定性差，處理難度大。介紹了在地形條件十分有限和地質(zhì)條件相對復雜條件下樞紐布置特點和主要建筑物設計，以及主要技術問題的研究和處理措施。

樞紐布置；建筑物設計；主要技術問題；處理措施；南歐江五級水電站

1　工程概況

南歐江五級水電站位于老撾豐沙里省，是南歐江流域規(guī)劃中的第五個梯級電站。電站以發(fā)電為主，主要建筑物包括混凝土重力壩、壩身進水口及壩后式廠房、壩身溢洪道及消力池、護岸工程等。正常蓄水位441 m，相應庫容3.35億m3，校核洪水位441.918 m，相應庫容3.5億m3，死水位430 m，調(diào)節(jié)庫容1.42億m3，具有季調(diào)節(jié)性能，最大壩高74 m，總裝機容量240 (3×80) MW，多年平均發(fā)電量9.77億kW·h[1]。

2　樞紐區(qū)工程地質(zhì)

樞紐工程區(qū)出露的地層主要為石炭系下統(tǒng)(C1)和第四系(Q)[1]，巖性主要為灰黑色鈣質(zhì)、砂質(zhì)板巖，為軟巖～中硬巖；第四系分為沖積層和坡積層，其中：沖積層為砂、卵礫石夾粉砂、粉砂質(zhì)粘土，分布于河床和右岸階地部位，坡積層為塊石、碎石質(zhì)粉土，分布于兩岸山坡。

壩基部位第四系覆蓋層(坡積層和沖積層)一般厚4～18 m，河床沖積層厚2～6 m，最厚約12 m，主要由砂、卵礫石組成，中等密實，具強～極強透水性。右岸階地部位沖坡積層厚9～18 m，主要由粘土、粉土、粉細砂及極少量卵石組成。下伏基巖巖性為砂質(zhì)板巖。中厚層狀～薄層狀結構。

右岸地層由表及里，依次為第四系覆蓋層，厚6～10 m，全風化巖體厚5～9 m，強風化巖體底界垂直埋深20～30 m，弱風化巖體底界垂直埋深40～56 m，地下水位埋深30～55 m。左岸地層由表及里，依次為第四系覆蓋層，厚1～5 m，全風化巖體厚2～5 m，強風化巖體底界垂直埋深一般為10～20 m，弱風化巖體底界垂直埋深一般為25～40，地下水位埋深為20～40 m。消力池邊坡地層由表及里，依次為第四系覆蓋，厚9～18 m，覆蓋層以下為弱風化巖體，局部為強風化巖體，弱風化底界垂直埋深26～32 m。

3　樞紐布置及主要建筑物設計

3.1工程等別和設計標準

本工程為二等大(2)型[1]，主要建筑物(擋水、泄洪和引水發(fā)電建筑物)級別為2級，次要建筑物級別為3級，臨時建筑物級別為4級。擋水、泄洪及消能建筑物按500年一遇洪水設計(P=0.2%)，2000年一遇洪水校核(P=0.05%)；發(fā)電建筑物按100年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核；下游河道防沖建筑物按50年一遇洪水設計。

大壩設計標準(P=0.2%)洪峰流量9 220 m3/s，相應設計洪水位441 m；大壩校核標準(P=0.05%)洪峰流量11 100 m3/s，相應校核洪水位441.918 m。工程場地設計地震動峰值水平加速度為0.12g。

3.2樞紐布置

樞紐建筑物主要由混凝土重力壩、壩身進水口和壩后式廠房、溢流表孔和消力池，沖沙底孔及泄槽、下游護岸等組成。

重力壩壩頂高程445.0 m，壩頂長340.5 m，最大壩高74 m；大壩共設15個壩段。1號～4號壩段為左岸非溢流壩段；5號～7號壩段為進水口壩段，布置于河床部位；進水口后接壓力鋼管。主廠房布置于原河床部位，進水口壩段之后，布置有主廠房、上游副廠房和尾水渠等。8號壩段布置沖沙底孔，依次設有事故檢修門，出口由弧門工作門控制，主要任務為沖沙?；⌒喂ぷ鏖T后接泄槽，泄槽末端設挑坎將水流挑入原河床。9號～11號壩段布置溢流表孔，共設4孔溢流表孔，采用WES堰型。溢流堰后接消力池。12號～15號壩段為右岸非溢流壩段。

工程施工采用分期導流方案，一期由左岸束窄河床過流，進行右岸溢流壩段、右岸非溢流壩段、導流底孔及上、下游縱向混凝土圍堰施工；二期由右岸導流底孔和上部壩體缺口過流(或溢流表孔過流)，進行進水口壩段、壩后廠房、河中溢流壩段、沖沙底孔壩段和左岸非溢流壩段施工。

3.3主要建筑物設計

3.3.1擋水建筑物

本工程擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，主要由左岸非溢流壩段、進水口壩段、底孔壩段，溢流壩段、右岸非溢流壩段等組成。碾壓混凝土重力左右端頭分別與兩岸壩頂公路相連，壩頂總長340.5 m，從左至右依次為：左岸非溢流壩段(1號～4號壩段)，共長82.5 m；進水口壩段(5號～7號壩段)，共長66.0 m；底孔壩段(8號壩段)，共長22.0 m；溢流壩段(9號～11號壩段)，長75 m；右岸非溢流壩段(12號～15號壩段)，共長95 m。

3.3.2泄洪消能及沖沙建筑物

(1)溢流表孔和消力池。泄洪消能建筑物由布置在9號～11號溢流壩段上的開敞式溢流表孔和底流式消力池組成，消力池布置于溢流壩段之后，溢流表孔孔口尺寸為13 m×21 m，共設4孔，堰頂高程420 m，采用WES曲線堰型，堰面曲線由曲線段、直線段、反弧段組成，直線段與其它壩段下游壩面齊平，直線段后接反弧段，與消力池相銜接。消力池底板高程367.5 m，尾坎高程383.00 m，消力池出口護坦高程380.00 m。溢流表孔采用寬尾墩作為輔助消能設施，寬尾墩最終體型經(jīng)模型試驗確定，寬尾墩沿水流向長10.5 m，與閘墩側面的距離為0～4.225 m，收縮比0.35。

(2)沖沙底孔。沖沙底孔布置在進水口壩段右側的8號壩段，底孔前段為有壓段，由立面轉彎段、壓坡段組成。進口設事故檢修門，孔口尺寸為4.0 m×6.0 m，出口由弧門工作門控制，孔口尺寸為4.0 m×5.0 m，設計過流能力為481 m3/s，但不參與泄洪，主要任務為低水位時沖沙，保證電站進水口的“門前清”。事故檢修門由壩頂門機控制，弧形工作門由上部啟閉機控制。沖沙底孔進口段高程為385.0 m，弧形工作門底部高程為390.0 m?；⌒喂ぷ鏖T后接泄槽，泄槽過水斷面寬度4.0 m，底坡為2%，末端設挑坎將水流挑入原河床。

3.3.3引水發(fā)電建筑物

引水發(fā)電建筑物主要包括壩式進水口、壩內(nèi)埋管、壩后廠房及尾水渠等。

電站進水口布置于河床部位的5號～7號壩段，進口高程410.0 m。進水口前沿設攔污柵一道，攔污柵平臺高程408.0 m，攔污柵尺寸為4.0 m×35.0 m(寬×高)。攔污柵后分別設有檢修門及事故門，孔口尺寸分別為6.0 m×8.0 m和6.0 m×7.0 m，引水道為單機單管布置，壓力鋼管包括上彎段、斜管段、下彎段和下平段，外包混凝土厚度為1.5 m；壓力鋼管為半埋半背型式，管徑6.3 m，壓力鋼管采用Q345鋼管，壁厚18～22 mm。水機副廠房和電氣副廠房(含GIS樓)分4層布置有技術供水設備層、發(fā)電電壓設備層、主變層和GIS層，凈寬10.5 m。出線場布置于上游副廠房GIS 廳屋頂。尾水管出口設尾水檢修閘門2扇，孔口尺寸為5.826 m×4.35 m(寬×高)。尾水渠從尾水管出口高程367.50 m開始接5.62 m長的平直段，之后以1∶2反坡段河床平順連接，出口處渠底高程為380.00 m。中控樓位于安裝間上游側，尺寸32.72 m×12.5 m×11.75 m(長×寬×高)，共分2層布置中控室和計算機室、通信設備室和蓄電池室等。

4　主要技術問題

4.1樞紐布置與施工導流

根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件和樞紐布置特點，工程樞紐布置與施工導流方案與密切相關，采用經(jīng)濟合理的導截流和樞紐布置方案是工程最為關健的技術問題。

壩址區(qū)左岸地形偏陡，右岸較緩且分布有灘地和I級階地，具備布置縱向圍堰進行分期施工的地形地質(zhì)條件。施工導流洪水設計標準采用枯期5年一遇洪水，相應流量Q=974 m3/s，汛期采用全年10年一遇洪水，相應流量Q=4 000 m3/s，枯、汛期流量差別較大，因此采用分期施工，I期左岸河床過流，II期枯期由壩體預留底孔導流、汛期由壩身缺口泄洪的全年導截流方案較為經(jīng)濟合理。

樞紐布置中，結合分期導流的要求，將溢流壩段和消力池布置于右岸及I級階地；進水口、底孔壩段與主廠房布置長度約80～90 m，布置于縱向圍堰左側即原主河床部位。溢流壩段緊挨沖沙底孔壩段4孔連續(xù)布置，同時縱向圍堰與溢流壩段和消力池重疊布置，使樞紐工程量和邊坡處理難度降低。

根據(jù)確定的樞紐布置和導截流方案，還需要解決以下結構問題：

(1)分縫設計。結合縱向圍堰以右需設置導流底孔和缺口的需要，溢流壩段共分9號、10號、11號三個壩段，橫縫長度分別為16、30、29 m，其中10號壩段左側19 m范圍為溢流壩段與縱向圍堰重疊位置；為滿足縱向圍堰結構要求，消力池底板壩軸線向分縫寬度分別為5.34、24.16、3×11.5 m，其中24.16 m范圍為消力池底板與縱向圍堰重疊部分。

(2)止水、及鋼筋保護設計。所有永久和施工縫上的銅止水片一半埋入先澆混凝土，并采用預留混凝土槽和鋼板封閉保護，待后期混凝土澆筑時拆除鋼板，拉出另一半止水埋入二期混凝土內(nèi)；溢流面鋼筋采用與止水相同的保護措施，待后期混凝土澆筑時拆掉封閉鋼板，并與后澆混凝土內(nèi)鋼筋牢固連接。

(3)永久及臨時接合面設計。10號壩段兼作縱向圍堰，壩體與圍堰碾壓混凝土同時施工，在壩體碾壓混凝土臺階上按常規(guī)要求設置插筋，將插筋和聯(lián)接套銅埋入臺階內(nèi)，待縱向圍堰拆除至碾壓混凝土臺階面，再將插筋接上澆筑溢面混凝土；占壓消力池部分，則在機組發(fā)電過水后，利用三期圍堰，澆筑消力池底板混凝土。

(4)圍堰拆除設計?？v向圍堰拆除采用微差爆破技術，對附近建筑物安全控制指標滿足設計要求，并做好安全防護和安全監(jiān)測。

4.2泄洪消能及優(yōu)化設計

根據(jù)對壩址區(qū)地形地質(zhì)條件的研究，壩后河谷較寬，地形坡度較緩，弱風化埋深較厚，壩軸線至原河床直線距離約370.0 m。若采用挑流消能方案，需設置長泄槽才能將水流挑入原河床，且需回填大量混凝土；根據(jù)分期施工的導截流方案，需要在壩體預留汛期泄洪通道，挑流消能方案不能滿足這一要求；工程洪水流量較大，但泄洪水頭不高，采用適當?shù)妮o助消能(如寬尾墩)設施，可有效減小消力池和縱向圍堰規(guī)模，底流消能方案較為適應樞紐區(qū)地形地質(zhì)條件，工程量合適，不會形成高邊坡；綜合以上考慮，工程采用底流消能方案。

經(jīng)水力學計算確定，消力池底板高程372.5 m，后經(jīng)模型試驗最終確定為高程367.5 m，池寬與溢流壩段同寬，為67 m；消力池長度考慮設輔助消能工效果，取94.0 m；考慮消力池檢修條件，在消力池末設尾坎，坎頂高程383.0 m。

經(jīng)試驗研究，將消力池右邊墻調(diào)整為沿開挖面貼坡型式，將消力池左邊墻厚度減少4.0 m，消力池斷面將成為梯形復式斷面，節(jié)約混凝土量約1.5萬m3。

4.3邊坡穩(wěn)定分析及加固處理

右岸邊坡地質(zhì)條件較差，全、強風化層較厚，弱風化埋深較大，邊坡開挖后出露基本為全、強風化巖層，沿全風化和強風化底界的滑動安全系數(shù)不滿足安全控制標準，采用主動加固處理措施。右岸邊坡主動加固力布置方案為445、460、480 m 3臺馬道以上每臺坡面布置1 000 kN級預應力錨索兩排，間排距為6 m×6 m，錨索深度進入弱風化巖層不小于6.0 m。經(jīng)上述措施加固后，各工況所有滑面安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求標準，加固布置方案合理可行。

左岸地質(zhì)條件較右岸稍好，全、強風化層及弱風化埋深均較右岸淺，計算表明，各種工況下各滑面安全系數(shù)滿足安全標準控制要求。但由于強、弱風化巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，順坡向節(jié)理較為普遍，開挖邊坡較陡，施工過程中曾多次發(fā)生局部坍塌，因此為確保邊坡穩(wěn)定和施工安全，采用鋼筋混凝土板+預應力錨索進行坡面防護。

消力池邊坡在開挖過程中曾發(fā)生較大范圍的變形、開裂，其原因即是全、強風化底界較陡，具有阻滑作用的下部巖體開挖后產(chǎn)生的。因此，在采取上部削坡、下部采用小擋墻的處理措施后，邊坡運行正常。

樞紐區(qū)各主要邊坡經(jīng)反演分析確定合理的物理力學參數(shù)后，再采用多種方法進行穩(wěn)定計算分析，根據(jù)計算成果和工程實踐經(jīng)驗，采取合理的開挖支護和主動加固方案，并輔以坡面防護、截排水以及安全監(jiān)測等綜合處理措施，能夠保證邊坡在施工期和運行期穩(wěn)定安全。

4.4壩基巖體利用標準和缺陷處理

根據(jù)規(guī)范[3]要求，參考工程經(jīng)驗，結合本工程最大壩高和工程地質(zhì)條件，壩基巖體開挖和利用的基本原則是：左岸非溢流壩段(1號～4號壩段)、右岸非溢流壩段(12號～15號壩段)位于兩岸岸坡，壩基開挖至弱風化下部～上部巖體；進水口壩段(5號～7號壩段)、底孔壩段(8號壩段)開挖至弱風化下部～微新巖體；溢流壩段(9號～11號壩段)需結合導流底孔和消力池，開挖到弱風下部～微新巖體。主廠房基礎設計高程較低，開挖后為微新巖體。消力池底板基礎、泄槽基礎設計高程較低，開挖后為微新巖體。

4.5帷幕防滲設計及處理

本工程最大壩高74.0 m，根據(jù)規(guī)范[3]要求和工程經(jīng)驗，相對不透水層和帷幕控制標準為透水率q在3～5 Lu之間。帷幕應向左、右岸山體延伸，延伸長度應超過正常水位與地下水位相交點，并應延伸至弱風化巖體內(nèi)。

樞紐區(qū)防滲帷幕范圍自左岸灌漿洞至右岸灌漿洞，貫穿所有壩段、壩頂公路和兩岸灌漿洞，防滲帷幕線總長436.0 m。壩體防滲帷幕深度以深入q≤3 Lu相對不透水層以下3～5 m或按壩前水深的0.3～0.7倍為控制，防滲帷幕為單排帷幕，分3序進行灌漿；非加密區(qū)帷幕孔距2.0 m，加密區(qū)帷幕孔距1.0 m。

根據(jù)實際情況，施工階段對帷幕進行加深、加密處理。其中1號～15號壩段及左、右岸灌漿洞內(nèi)帷幕加深2段10 m；右岸15號壩段、右岸灌漿洞內(nèi)帷幕孔加密處理，防滲控制標準<5 Lu；河床5號～10號壩段、左岸灌漿調(diào)及1號壩段帷幕進行加密處理。

4.6直埋式蝸殼設計

電站單機容量80 MW，設計引用流量190 m3/s，蝸殼進口斷面直徑5.317 m，設計靜、動水壓力水頭分別為58.5、90 m，最大設計內(nèi)水壓力達0.9 MPa，蝸殼材料采用Q345C。鑒于南歐江五級水電站蝸殼設計水頭不高，經(jīng)墊層蝸殼、完全聯(lián)合承載蝸殼等方案研究后，結合工程的實際情況和施工特點，采用完全聯(lián)合承載蝸殼方案，外包鋼筋混凝土結構。采用有限元方法對蝸殼外圍混凝土結構進行計算，對蝸殼外圍混凝土進行結構配筋。

5　結　語

南歐江五級水電站樞紐布置方案充分利用了壩址區(qū)原河道、灘地和階地的地形地質(zhì)條件，在有限空間內(nèi)集中布置施工導流、泄洪消能、引水發(fā)電等主要建筑物，并較好的解決了各建筑物間相互影響、相互制約的空間和時間的復雜關系，同時也較好解決了復雜地質(zhì)條件下的邊坡開挖和加固設計、帷幕防滲設計等關健技術問題，盡可能的降低了工程投資，最大程度的方便了施工，工程實踐表明工程設計達到了經(jīng)濟可行的預期目的。

[1]中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司. 老撾南歐江五級水電站可行性研究報告[R]. 昆明：中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司， 2012．

[2]蔡斌， 余暉， 王強. 天然砂石骨料在老撾南歐江水電工程中的應用[J]. 水力發(fā)電， 2013， 39(9)： 45-47.

[3]NB/T 35026—2014混凝土重力壩設計規(guī)范[S].

(責任編輯王琪)

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

李雙寶(1976—)，男，云南建水人，教授級高工，主要從事水電站的設計工作．

TV753(334)

A

0559- 9342(2016)05- 0046- 04