大华桥水电站工程设计优化

黄海锋，李 准，谭盛凛，陆冬生，王剑涛，张永辉

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

大华桥水电站位于云南省怒江州兰坪县兔峨乡境内的澜沧江干流上，是澜沧江上游河段规划推荐开发方案的第6级电站。电站水库总库容2.93亿m3，正常蓄水位以下库容2.62亿m3，安装4台单机容量为230 MW的立轴混流式水轮发电机组，总装机容量920 MW。工程等别为二等大(2)型工程。电站枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物和引水发电建筑物等组成，引水系统平面上采用一管一机布置，尾水系统采用两机一洞布置。

中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司从承担大华桥水电站工程设计工作伊始，对工程的设计优化工作高度重视，在工程前期研究阶段结合工程实际开展了大量卓有成效的设计优化工作。2012年编制完成了工程施工阶段设计优化策划书，提出了设计优化策划和思路，在工程招标和施工图设计阶段，继续结合工程实际开展设计优化工作，取得了瞩目的成绩。

1 工程设计优化原则

(1)确保工程安全。任何形式的设计优化，都必须坚持确保工程安全，以满足法律法规和相关规程规范强制性要求，不以降低工程安全度为前提。

(2)节能环保。设计优化过程中，因地制宜，合理布置，节省工程占地和自然资源的消耗，并且能够绿色环保。

(3)降低工程投资。设计优化过程中，应根据工程地形地质条件，在确保工程安全的条件下，采用新设备、新工艺、新材料、新方法等科学合理地优化设计，以降低工程投资。

(4)简化施工，有利于加快进度。通过合理的设计，在不影响安全和美观的前提下，简化设计，统筹综合考虑，减少施工难度，缩短施工工期。

(5)设计优化项目以设计科研工作为基础，经充分论证，保证合理可行。

2 可研阶段完成的主要设计优化工作

2.1 厂址优化

大华桥水电站预可阶段开展了地面厂房、地下厂房的比选工作，地面厂房布置于坝址下游2.5 km的澜沧江左岸，厂房后边坡最大高度约为240 m。引水发电系统由电站进水口、引水隧洞、引水调压井、压力管道、地面厂房及其他附属洞室等建筑物组成。引水系统采用“二机一洞”的布置方式，引水隧洞共两条，平行布置，在每条引水隧洞末端各设置一座圆筒竖井式调压井。每座调压井后各接2条高压管道，高压管道在立面上呈斜井布置，垂直进厂。每个引水调压井开挖直径为37.3 m，开挖高度约为83.6 m。地下厂房布置于坝址下游左岸山体内，利用坝址区 “S”形弯曲河段，在左岸山体内布置引水发电系统，引水发电系统由岸塔式进水口、引水压力管道、地下厂房、尾水管洞、尾水调压井、尾水隧洞及尾水出口等建筑物组成。地下厂房开挖跨度26 m，尾水调压井采用矩形长廊阻抗式，开挖跨度24 m。预可研阶段结合地形地质、枢纽布置、运行条件、施工组织、施工进度及投资方面综合比较，初选地面厂房作为代表性厂址。

可研阶段，随着地勘工作的不断深入，特别是地下厂房及尾水调压室等大型地下洞室地质探洞所揭露的地质情况的综合分析判断认为：地面厂房基础条件虽然满足设计要求，但后边坡较高，岩体风化、破碎，倾倒卸荷明显，高边坡稳定突出，支护工作量及处理的难度均较大，对环境的破坏较大，极易造成水土流失，对澜沧江这种狭窄性“V”形河谷适应性较差，抗地震风险能力较低。地下厂房布置在大坝左岸反“S”形弯山体内，岩性为板岩和石英砂岩互层，板岩占60%，砂岩占40%，砂岩最大出露厚度20 m，板岩一般小于10 m。砂岩单轴饱和抗压强度较高，一般达80～180 MPa，属坚硬岩石；板岩单轴饱和抗压强度较低，一般为20～60 MPa，属于较软～中等坚硬岩石，围岩分类以Ⅲ类围岩为主，在合理确定厂址位置以及厂房轴线的情况下，具备布置大型地下洞室的条件；同时，由于大华桥库区存在大华、拉古两大近坝滑坡体，两大滑坡体为5 000万m3级的巨型滑坡体，考虑极端情况，一旦在地震等作用下两大滑坡体产生快速下滑，地下厂房对地震及其次生灾害的抵抗能力强，安全性高，且地下厂房方案投资略优于地面厂房。综合各方面的因素，可研阶段最终确定大华桥采用左岸地下厂房布置方案。将引水发电系统布置于坝址下游左岸山体内，利用“S”形河道下弯地形裁弯取直布置，采用首部开发方式，压力管道采用“一管一机”布置，尾水系统采用“两机一洞”的布置方式。

在厂房洞室开挖过程中，未暴露大的地质问题，没有出现塌方、掉块等现象，且大华桥地下洞室的成洞质量得到了国家质量监督总站高度评价。目前，大华桥机组已经投产。从施工期和运行期围岩的监测数据来看，地下洞室围岩稳定，电站运行情况良好。

2.2 泄洪建筑物体型优化

大华桥水电站预可研阶段泄洪消能排沙建筑物由表孔、左右泄洪冲沙底孔组成。根据工程任务要求、泄洪排沙要求、工程地形地质条件及水力学计算成果，初拟采用5个溢流表孔、2个泄洪排沙底孔联合泄洪排沙。

表孔采用开敞式溢流堰，5个表孔堰顶高程1 465.00 m，孔口尺寸为14 m×14 m(宽×高)。消能采用挑流消能方式。泄洪冲沙底孔的孔口及进口高程的设置，需满足泄洪、排沙及宣泄常遇洪水、水库冲沙减淤的要求。左右各设置1个泄洪冲沙底孔。进口底板高程1 426.00 m，孔口尺寸为5 m×8 m(宽×高)。消能布置采用异型鼻坎挑流消能布置形式。

在预可阶段设计成果基础上，经工程类比分析并考虑泄洪底孔泄放洪水规模、消能难度等，可研阶段泄洪底孔孔口尺寸定为6 m×8 m。

经水文分析计算，大华桥水电站坝前50年淤积高程为1 396.45 m，原设计泄洪建筑物已满足排沙要求。但考虑到大华桥水电站库区内滑坡体较多，且水库蓄水后容易发生库岸再造，可能导致坝前淤积加重。为保证电站及拦河坝的正常运行，设置一定数量的泄洪底孔是必要的。根据水库运行、冲沙要求，设置6 m×8 m泄洪底孔和设置两孔的布置方案进行比较。

方案一：表孔5孔14 m×14 m，泄洪底孔2孔6 m×8 m；溢流表孔布置在河床主河道位置。2泄洪底孔分别布置在表孔坝段两侧，采用长有压式进水口，前端设事故闸门，长压段出口处设工作弧门，其后出口连接明渠泄槽，下游挑流鼻坎采用异型导向鼻坎，使挑射水流落在主河道内。

方案二：表孔5孔14 m×17.5 m，泄洪底孔1孔6 m×8 m；溢流表孔布置在河床主河道位置。为保证进水口门前清，1孔泄洪底孔布置在表孔坝段左侧靠进水口侧，采用长有压式进水口，前端设事故闸门，长压段出口设工作弧门，其后出口连接明渠泄槽，下游消能工采用异型导向鼻坎，使挑射水流落在主河道内。

经比较，虽然两个底孔方案底孔泄洪水流对称，有利于消能和减少下游河道冲刷；但是2底孔方案需增加开挖量、混凝土和钢筋用量且泄洪雾化范围增大，增加坝体结构复杂性，不利于发挥碾压混凝土快速施工的优势。而布置1个底孔，可减少泄洪雾化影响范围而减少防护范围，有利于发挥碾压混凝土快速施工优势，缩短工期。泄洪底孔出口异型鼻坎体形的设置，可调整水流出流方向和落点，保证泄洪底孔的消能效果和下游流态的稳定，从而减少对下游河道的冲刷。

综上所述，大华桥水电站泄洪建筑物最终采用5个溢流表孔、1个泄洪底孔联合泄洪。

2.3 调压室稳定断面面积优化

大华桥水电站采用首部开发方式，经过计算需布置尾水调压室。调压室稳定断面面积按规范采用托马(Thoma)准则计算并乘以系数K(一般可采用1.0～1.1)决定。即

A=KAth=KLA1/2ga(H0-hw0-3hwm)

(1)

式中，Ath为托马临界稳定断面面积，m2；L为压力尾水道的长度，m；A1为压力尾水道断面面积，m2；H0为发电最小静水头，m；α为自水库至调压室水头损失系数，(包括局部水头损失和沿程摩擦水头损失)，s2/m；ν为压力尾水道流速，m/s；hw0为压力尾水道水头损失，m；hwn为尾水管后延伸段水头损失，m。

经过计算，A=1 382 m2(K=1.05)。根据NB/T 35021—2014《水电站调压室设计规范》条文说明第5.1.1条论述，托马公式是以孤立电站小波动的稳定性确定断面面积的。近年来，随着电力系统容量的增大和电器装置的完善，国内外均有一些水电站，尤其是容量较小或不承担调峰、调频的水电站在设计中考虑系统或调速器的作用等而采用了小于托马公式的调压室断面面积。然而，对于承担调峰、调频容量较大或事故备用的水电站，调压室实际断面积不宜小于托马临界稳定断面面积对于低水头、大流量的水电站，调压室实际断面面积常大于式(1)计算的托马临界稳定断面面积较多，最终应根据水力过渡过程计算确定。大华桥水电站额定水头62.5 m，额定流量413.8 m3/s，属于低水头、大流量电站，但基本不承担调峰、调频任务。可研阶段开展了水道系统整体水工模型试验和过渡过程计算工作，对尾水调压室的有效面积进行了优化。经过充分论证，取单个调压室有效面积为1 266 m2，约为计算面积的85%。大波动和小波动稳定性计算分析验证表明，此面积是可行的，能够满足系统的稳定性和供电品质的要求。优化后，调压室开挖跨度可减少1.5 m，减少开挖量约18 000 m3，不仅节省了工程投资，还缩短了施工工期。

2.4 料源优化

大华桥水电站坝址附近河道为狭窄性“V”形河谷，沿岸没有大面积的河漫滩分布，天然砂砾料料源缺乏，混凝土骨料全部采用人工骨料。

由于工程区岩性主要为板岩及板岩与石英砂岩互层状出露。其中，板岩饱和抗压强度较低且易开裂成碎片状，难以作为混凝土骨料使用。石英砂岩强度较高，质量满足混凝土骨料要求，但嵌夹于板岩之间且层厚仅数米，施工开采比较困难。所以，地下工程开挖料不适宜作为混凝土骨料料源。

预可研阶段开展了料源的必选工作，工程枢纽区30 km范围内可供比选的料源有：花坪河砂岩料场、干笔河砂岩料场、营盘玄武岩料场。花坪河砂岩料场距离坝址4 km左右，可采石料约100万m3；但石料嵌夹于陡倾角的板岩之中，后期开采难度较大，预计弃料率可达38%。料石强度等指标可以满足骨料要求，但石料具潜在碱活性。干笔河砂岩料场位于坝址下游6 km处的澜沧江右岸，仅分布在干笔河的右侧，料场有六库至兰坪三级公路与坝址相通，交通方便。该料场可采石料约126万m3，但料石嵌夹于陡倾角的板岩之中，剥离量较大，随着后期开采深度的增大，预计弃料率可达45%；料石强度等指标可以满足骨料要求，石料具潜在碱活性。营盘料场位于坝址上游约34 km处的澜沧江左岸山体中，料场有营盘至中排简易碎石路通过，营盘至坝址为兰坪通往六库的三级柏油公路，交通条件较便利，该料场储量约2 500万m3，料石强度等指标基本满足骨料要求。根据化学法及岩相法试验成果，岩石不具碱活性。综上所述，预可研阶段推荐选用营盘人工骨料场，岩性为玄武岩。

大格拉灰岩料场位于大华桥水电站上游约60 km处，是黄登水电站混凝土骨料料源。鉴于大华桥水电站和黄登水电站同期建设，且大格拉料源及黄登水电站砂石加工系统可同时满足黄登、大华桥水电站用料需求，大华桥水电站混凝土料源有条件与黄登水电站的混凝土料源及砂石加工系统统一考虑。

在可研阶段，经过技术经济比较，采用大格拉料源方案具有如下优点：

(1)骨料为灰岩，拌制的混凝土极限拉伸值、干缩等变形性能与玄武岩拌制的混凝土相比具有一定优势。加工过程中的石粉含量可调性较玄武岩好，更有利于拦河坝混凝土温控。

(2)可减少施工占地，有利于环境保护。

(3)与营盘料源方案综合比较，大华桥和黄登水电站综合投资可减少3 616万元。

综合比较确定，采用大格拉料源方案具有混凝土性能较好，可减少施工占地，有利环境保护及节省投资。因此，可研阶段推荐采用大格拉灰岩作为大华桥主体工程混凝土骨料料源，通过黄登电站大格拉砂石加工系统加工，公路汽车运输成品骨料至大华桥，不在工地设置专门料场及砂石加工系统。

3 招标详图阶段完成的主要设计优化工作

3.1 大坝建基面抬高优化

2015年初，根据可研阶段勘测成果，结合上游胶凝砂砾石(CSG)围堰揭露的地质情况，设计人员对大坝建基面抬高的可能性进行了分析，并提出了初步的抬高方案。方案一考虑将河床段坝基建基面从1 375.0 m整体抬高至1 378.0 m，长约84 m，宽约95 m。方案二考虑将河床段坝基局部抬高，其中上游侧37 m维持原建基面高程1 375.0 m不变；下游侧长约47 m，宽约95 m，建基面抬高至1 378.0 m。

2015年4月，坝基建基面根据优化的预案(1 378.0 m)基本开挖到位，地质专业人员及时开展了地质测绘、地质编录，结合物探测试成果对坝基岩体进行工程地质分类，并提出了不同岩体的力学参数指标建议值。设计人员根据建基面岩体力学指标，复核河床坝段的建基面岩体利用标准，对大坝稳定、渗透、变形等进行了复核计算，对河床坝段建基面开挖方案进行设计调整，在满足大坝安全的基础上节省工程投资，最终推荐方案一。该方案共减少开挖量和混凝土浇筑量各约36 000 m3，节省投资约2 000万元。

结合现场施工道路布置，通过优化大坝水平建基面，方便了大坝、进水口、胶凝砂砾石围堰开挖及后期混凝土浇筑，减少了坝基范围内开挖及混凝土工程量，设计优化后的坝基消除或减少了坝体建基面前高后低现象，改善了坝体稳定和应力条件；并有较明显的经济效益，有利于加快工程建设进度。根据大坝坝基开挖后揭示的地质条件，调整了岩体力学参数，开展了各坝段抗滑稳定及应力复核计算工作，确保大华桥大坝安全稳定运行；同时，加快了工程施工进度，为Ⅰ枯末由基础开挖向混凝土浇筑转序提供了有力保障。

3.2 大坝度汛缺口优化

大华桥水电站可研阶段控制首台机组发电工期的关键项目为地下厂房，拦河坝基坑及缺口过流并没有延长首台机组发电工期。根据工程实际施工进度，引水发电系统将可能较大坝工程提前具备发电条件；因此，研究如何加快拦河坝施工进度，对缩短拦河坝建设工期，使工程提前发挥效益具有重要意义。原施工导流方案预留缺口位置为表孔坝段，而表孔溢流面常态混凝土、门槽二期混凝土、闸门安装等工序及工艺复杂，缺口坝顶施工为整个拦河坝施工的关键线路。为此，设计人员通过科研立项，联合四川大学、武汉大学，于2012年至2017年进行了大华桥水电站大坝预留缺口布置方案优化研究工作，分别开展了大坝预留缺口布置优化方案水力学试验研究和大坝预留缺口布置优化方案温控研究，在此基础上对缺口具体布置方案进行优化研究，并提出优化后的设计方案。推荐大坝预留缺口布置方案为：Ⅱ汛大坝预留缺口布置在④号至⑦号坝段，宽70 m，高程为1 405.0 m。Ⅲ汛大坝预留缺口布置在④号至⑧号坝段，宽67.5 m，高程为1 449.5 m。该方案水力学条件较好，大坝总体施工组织、进度方面安排合理，Ⅳ枯工程量小，生产相对均衡，按期发电的保证率高。推荐的优化方案在保证工程安全、施工强度合理的前提下，加快了坝体施工进度，为电站提前发电、增加收入创造了条件，电站提前至2017年12月底具备下闸蓄水条件，为导流隧洞封堵预留出更长时间，增加了2018年工程度汛的安全度。首台机组发电工期提前至2018年5月，与可研成果比较，首台机组发电时间提前7个月，可增加发电量约13.95亿kW·h。

推荐的缺口布置方案已在大华桥电站大坝施工过程应用，并经历了Ⅱ汛、Ⅲ汛缺口过流的考验。

3.3 上游围堰堰型优化

可研阶段上游过水围堰推荐采用碾压混凝土(RCC)过水围堰，围堰顶高程1 426.0 m，围堰建基面高程为1 377.0 m，最大堰高49.0 m，堰顶宽7.0 m，围堰上游面垂直，下游面堰顶至1 390.0 m高程坡比1∶0.7，在1 390.0 m高程设置宽12 m挑流平台，1 390.0 m高程至基础建基面垂直坡布置。围堰碾压混凝土工程量约7.35万m3。主体工程及上游围堰碾压混凝土骨料均采用上游梯级黄登水电站大格拉石料场灰岩骨料作为料源，公路里程约60 km。

由于混凝土骨料运距较远，上游碾压混凝土围堰投资达6 000万元以上。根据近年胶凝砂砾石技术的发展及大华桥水电站基坑天然砂砾料的储量、级配及开采条件，施工图阶段，设计以科技攻关及试验研究做支撑，开展了大华桥水电站胶凝砂砾石围堰堰型研究工作，发明了新型的大流量高水头防冲刷、防渗过水的围堰结构，为世界最高与堰上水头最大的胶凝砂砾石围堰。

上游CSG过水围堰顶高程1 426.0 m，围堰顶宽为7.0 m，堰顶长约125.0 m。围堰基础建在基岩上，堰体最大高度57.0 m。围堰上游迎水面边坡1∶0.5，下游背水面边坡1∶0.6，在1 390.2 m高程设置一平台，1 390.2 m高程至基础建基面垂直坡布置。围堰堰顶浇筑1.0 m厚C20常态混凝土，上游迎水面与堰基设变态CSG作为防渗层，迎水面变态CSG厚度为1～2 m，堰基变态CSG厚度为0.6 m，围堰下游背水面根据施工需要设1 m厚变态CSG。

CSG围堰自2014年11月开始备料，2015年3月开始浇筑，于2015年6月初施工完毕，共浇筑CSG工程量约12万m3。2015年8月CSG围堰实现第一次过流，最大过堰流量2 390 m3/s，2016年8月实现第二次汛期过流，最大过堰流量3 670 m3/s，2015年、2016年及2017年汛期CSG围堰经历了多次洪水的考验，围堰运行状态良好。

与可研阶段(RCC)围堰相比，CSG围堰就地取材，施工简便，施工速度较快，技术经济优势明显。实施后验证，在保证工程安全的前提下，CSG围堰较RCC围堰节省工程直接投资约2 480万元。

3.4 进水口布置形式优化

大华桥水电站进水口处的边坡陡峻，自然坡度60°～70°，出露基岩为石英砂岩与板岩互层，基本无强风化层分部，弱风化层水平厚度20～30 m，岩体风化和卸荷不明显。可研及招标阶段选择岸塔式进水口，前缘基本沿河道水流方向布置，基础面全开挖而成。4个进水口呈“一”字形并排布置，单管单机引水，每个进水口顺水流方向长26.5 m，宽29 m，均由拦污栅框架与闸室两大部分组成，依次布置拦污栅、检修闸门和事故闸门。进水口底坎高程为1 449.0 m，建基础面高程1 446.0 m，塔顶高程同坝顶高程为1 481.0 m。进水口后边坡开挖坡比为1∶0.3，最大临时边坡高度约130 m，最大永久边坡高度约90 m。

在施工图阶段，考虑到在如此陡峭的地形情况下，开挖如此高的边坡，不仅开挖量和支护量较大，而且施工难度和风险也较大。为此，计算和分析论证后将进水口位置适当前移，将1号、2号进水口基础开挖面高程由1 446.0 m调整至1 430.0 m，将3号、4号进水口基础开挖面高程由1 446.0 m调整至1 437.0 m，进水口底板高程1 449.0以下采用混凝土基础+悬挑牛腿结构，其他结构保持不变，可有效降低进水口后缘开挖坡度的高度约30 m，降低了施工难度。

3.5 左岸坝肩及进水口开挖坡比优化

左岸坝肩岩石为砂岩、板岩互层结构，板岩属较软岩石，抗风化性较弱。可研阶段左岸坝肩设计最高开挖高程约1 608.0 m，施工期临时边坡高度约230 m。

进水口边坡岩性组合为板岩与石英砂岩互层状出露，以层状结构为主。施工图阶段临时边3坡约100 m，塔顶高程以上永久边坡高度约65 m。

在边坡准备开挖时，由于左岸天然边坡陡峻，施工道路布置困难，施工难度巨大，出于方便施工、减少施工难度、加快施工进度的考虑，根据“高清坡、低开口、陡开挖、强支护”的开挖支护原则，经设计计算和分析论证后，将进水口及左坝肩1 480.56 m高程以上边坡由1∶0.3开挖边坡调整为直立开挖，并结合开挖后揭示的地质情况也加强了相应的支护。

为确保施工期坝顶道路畅通，方便施工设备及材料运输，将进水口1 465.00～1 480.56 m高程边坡也调整为直立边坡，保证施工期坝顶道路7 m的宽度。

优化后，进水口1 480.56 m以上永久边坡最大高度由65 m减少为30 m，左坝肩1 480.56 m以上永久边坡最大高度120 m减少为不足20 m，减少了开挖及支护工程量；大大降低了施工难度，缩短了左岸坝肩及进水口边坡开挖支护的施工工期，为大坝的提前浇筑以及电站的提前发电奠定了良好的基础；左岸坝顶公路的拓宽方便了坝肩及进水口开挖支护的施工，加快了施工进度，减少了工程投资。

经过开挖过程及运行期边坡监测资料数据显示，边坡变形收敛，边坡稳定。

3.6 地面副厂房布置优化

地面副厂房位于地面开关站左侧，两建筑物之间设置结构缝，宽度为18 cm。原地面副厂房平面尺寸为23.6 m×21.0 m，共分7层布置，结构高度同地面开关站为30.0 m，开关楼与地面副厂房屋顶设置4回出线构架。施工中，根据华能澜沧江水电股份有限公司整体安排，明确大华桥水电站暂按一回出线考虑，另外三回暂不考虑建设，为加快工期，节约工程投资，同时充分利用前方营地闲置建筑物，对地面副厂房布置及结构进行优化，具体如下：

(1)取消地面副厂房首层以上各楼层，结构高度由30 m调整为5.1 m；

(2)原地面副厂房二层的通信设备室和通信电源室合并，与通信蓄电池室均移至前方营地值守楼；

(3)原地面副厂房四层的二次盘室移至地面开关楼二层盘室移至地面开关楼二层；

(4)原地面副厂房二层蓄电池室移至前方营地值守楼；

(5)消防水箱挪至地面开关楼楼梯顶板上；

(6)为满足建筑消防要求，原地面副厂房5.1 m标高以上设室外钢楼梯至开关楼14.20 m标高和30.0 m标高，总高度24.9 m。

上述优化满足机电设备布置要求，加快了施工进度，确保了电站提前发电目标的按期实现，同时直接节约工程投资220万元。

4 结 语

大华桥水电站自可研、招标详图阶段开始，每个设计阶段均非常注重设计优化工作，结合地勘工作的不断深入，对枢纽区地质认识的不断提高，在确保工程安全的前提下，深入细致地开展设计优化工作。除了以上介绍的设计优化之外，在大华桥水电站施工总布置、施工道路布置、地下洞室开挖支护、厂房排水、大坝混凝土分区、大坝灌浆等方面还开展了大量的设计优化工作，充分体现了动态设计的理念。这些设计优化工作虽然增加了不少设计工作量，但有效降低了施工难度，加快了施工进度，节省了工程投资，也为电站提前发电奠定了良好的基础。由于开展设计优化工作，实际上是一种创新，改变了某些设计人员传统的设计思路和习惯，有利于开拓设计视野，创新设计思路，提高设计水平。