吳義航，鄧毅國，蘇 巖，王毅鳴

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內牛欄江上，為中下游兩庫十級開發(fā)的第七個梯級，壩址位于魯?shù)榭h翠屏鄉(xiāng)與巧家縣鉛廠鄉(xiāng)境內，距昭通市80 km，是一座以發(fā)電為主的水電工程。天花板水電站主要由碾壓混凝土拱壩、右岸引水隧洞及地面發(fā)電廠房等建筑物組成。水庫正常蓄水位1 071.00 m，死水位1 050.00 m，總庫容0.787億m3，最大壩高107.0 m。電站總裝機容量180 MW，保證出力43.5 MW，多年平均年發(fā)電量8.295億kW·h。工程為三等中型工程，主要建筑物按3級建筑物設計。

2 自然條件

2.1 水文氣象

牛欄江位于云南省滇東北地區(qū)，是金沙江右岸較大的一級支流，河流發(fā)源于云南省昆明市嵩明縣楊林鎮(zhèn)，流向大體為由南向北，在昭通市的麻耗村附近匯入金沙江。牛欄江干流全長440 km，流域面積13 672 km2，天花板水電站壩址以上控制流域面積12 711 km2，多年平均流量143 m3/s，年徑流總量45.1億m3，多年平均懸移質年輸沙量1 403萬t，多年平均含沙量3.11 kg/m3。

牛欄江流域大部分屬于暖濕帶高原季風氣候，年溫差大、日溫差小，干濕季節(jié)明顯，徑流主要由大氣降水補給，多年平均年降雨量881.8 mm。流域內的洪水主要由暴雨形成，暴雨多集中在6月～9月，占全年的97.6%，以7月份出現(xiàn)暴雨的機會多、強度大。由于河流的走向為由南向北，而暴雨走向大多為由北向南，因此下游水文站的洪峰出現(xiàn)時間有時會早于上游水文站。多年平均氣溫12.1℃，月平均氣溫以7月份最高，為20.1℃，1月份最低，為2.8℃，極端最高氣溫33.0℃，極端最低氣溫-11.5℃。多年平均相對濕度76%，多年平均風速2.2 m/s，最大風速21.3 m/s，風向NE，多年平均年蒸發(fā)量1 780.9 mm。

2.2 工程地質

天花板水電站樞紐區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。壩址位于天花板峽谷進口段，兩岸地形陡峻，平均坡度為60°～80°， 河谷呈 “U” 形。 壩址基巖為震旦系東龍?zhí)督M粉晶白云巖和富藻粉晶白云巖，巖層平緩，傾向上游，單軸飽和抗壓強度為36～70 MPa，屬中硬巖，滿足拱壩建基要求。右壩肩主要發(fā)育有陡傾角斷層f11、f15，對抗滑穩(wěn)定不利，需進行工程處理；左壩肩巖體相對較完整，巖石為弱～微風化，結構面分布較少，主要為順河向垂直裂隙，主要斷層裂隙有f5、L27、L28等等，需進行處理。引水系統(tǒng)位于牛欄江右岸山體內，滿足上覆及側覆巖體厚度要求，圍巖巖性前半段為震旦系東龍?zhí)督M粉晶白云巖，后半段為震旦系澄江組長石石英砂巖夾粉砂質頁巖，圍巖以Ⅳ類為主，滿足成洞要求。地面廠房位于牛欄江右岸38°～40°岸坡上，覆蓋層厚15～20 m，下伏基巖為震旦系澄江組長石石英砂巖夾粉砂質頁巖，滿足廠房承載要求。

3 樞紐布置研究

天花板樞紐區(qū)位于牛欄江西坪村羅家梁子下游至曹家渡上游長約5.5 km的河段內，河底比降平均約為0.7%。上游河段長1.8 km，為天花板峽谷，兩岸地形陡峻，岸坡平均坡度在60°以上，為 “U”形峽谷河段，地層巖性為震旦系東龍?zhí)督M粉晶白云巖和富藻粉晶白云巖；峽谷出口處左岸有較大支流清水河匯入牛欄江；下游河段長3.7 km，河谷稍寬，兩岸岸坡平均坡度在40°左右，為 “V”形河谷，地層巖性為震旦系澄江組長石石英砂巖夾粉砂質頁巖。

在該河段內，根據地形地質條件和水文條件，進行了壩址、壩型、泄洪方案、引水線路、廠址的樞紐布置比較研究。

3.1 壩址選擇

對天花板峽谷至銀槽子彎道中部3.8 km長河段內擬定的3個壩址進行了比選。上壩址位于天花板峽谷進口段，該處河谷狹窄，岸坡陡峻，兩岸坡基本對稱，平均坡度在65°以上，河床高程為989～991 m，河床寬30～40 m，河谷底寬約60 m，正常蓄水位高程河谷寬110 m，寬高比1.363，巖性為東龍?zhí)督M富藻白云巖、粉晶白云巖，巖層傾向上游，雖斷層、裂隙發(fā)育，但巖石完整性好，以拱壩為代表性壩型，采用混合式開發(fā)方式。中壩址位于天花板峽谷出口段，該處河谷稍寬，兩岸坡不對稱，左岸陡峭，平均坡度在65°以上，右岸下緩上陡，平均坡度在50°以上，河床高程在985～988 m之間，河床寬約40～70 m，河谷底寬約100 m，正常蓄水位河谷寬約220 m，寬高比2.39，壩肩為富藻白云巖、粉晶白云巖，壩基為澄江組長石石英砂巖、泥質粉砂巖夾粉砂質泥質頁巖，位于白云巖和石英砂巖角度不整合接觸帶上，且壩基砂巖傾向下游，為減少工程量，以右岸重力墩接拱壩為代表性壩型，采用混合式開發(fā)方式。下壩址位于銀槽子彎道中部，該處河谷較寬，左岸平均坡度43°，右岸平均坡度53°，河床高程955.20 m，河床寬約30～50 m，河谷底寬約100 m，正常蓄水位河谷寬320 m，寬高比2.61，壩肩壩基均為長石石英砂巖、泥質粉砂巖夾粉砂質泥質頁巖，巖體較破碎，以重力壩為代表性壩型，采用壩式開發(fā)方式。經綜合技術經濟比較，上壩址地質地形條件、工程量和經濟指標明顯優(yōu)于中、下壩址，故上壩址為推薦壩址。

3.2 壩型選擇

上壩址河床狹窄呈 “U”形，河床寬度僅30～40 m，正常蓄水位河谷寬約110 m，山體雄厚，岸坡陡峻，兩岸無布置溢洪道的有利地形條件，并且牛欄江洪水較大，校核洪峰流量為5 650 m3/s，若采用當?shù)夭牧蠅巫鳛閾跛ㄖ?，對工程工期和工程投資等方面明顯不利，因此對混凝土拱壩與混凝土重力壩進行了比較。上壩址雖兩壩肩斷層、裂隙發(fā)育，右壩肩還存在對壩肩穩(wěn)定不利的較大陡傾角斷層f11、f15，但經工程處理后能夠滿足拱壩壩肩穩(wěn)定要求。從安全性分析，由于該地區(qū)多地震，拱壩作為一種特殊殼體結構超載安全度大，抗震性能較好，安全性高。雖然拱壩壩肩處理工程量大，但土建投資仍低于重力壩方案8 574.2萬元，具有明顯的經濟優(yōu)勢。經綜合比較，推薦拱壩壩型。

考慮到天花板壩址兩壩肩持力巖體不甚雄厚，尤其是左壩肩下游側卸荷裂隙較發(fā)育，地形呈倒喇叭形，為使拱端推力更好地向山里偏轉，應選擇較小的拱端推力角，使拱形偏扁平化，讓壩肩能獲得更好的穩(wěn)定性和不敏感性。經對拋物線、橢圓、對數(shù)螺旋線三種拱壩拱圈形式進行比選，最終采用拋物線拱。

3.3 泄洪方案比較

天花板水電站壩址處兩岸山體雄厚，岸坡陡峻，無布置岸邊泄洪建筑物的地形條件，汛期洪水只能通過壩體宣泄；壩址處河谷狹窄，正常蓄水位的河谷寬約110 m，水庫調蓄后最大下泄流量為5 046 m3/s，泄洪最大水頭69.57 m，泄洪功率約3 500 MW，具有典型的窄河谷、大流量特點；僅靠布置表孔難以滿足泄洪要求，還需要考慮布置其他泄洪設施。

因擋水建筑物采用碾壓混凝土拱壩，為避免壩體開孔較多，影響壩體快速澆筑，結合壩址處地形地質條件，首先考慮壩身表孔和壩外布置泄洪洞的泄洪方案。該方案有導流洞和岸邊泄洪洞兩種布置方式。通過分析比較，采用導流洞方式存在保庫排沙效果不好、改造后的導流洞檢修困難、出口消能布置復雜、導流洞封堵施工壓力大、工程風險大等問題；岸邊泄洪洞方式雖然采取分流措施，對減輕下游消能負擔有一定作用，但泄洪洞進口遠，保庫沖沙效果差，且工程量增加較多，不經濟。因此選擇壩身集中泄洪方案。

經多方案比選，采用 “3個表孔＋2個中孔相間布置”方案。該方案水流分散，有利于泄洪消能布置，鼻坎形式相對簡單，泄洪沖沙運行較方便，對下游沖刷程度低，防護工程量小，壩體應力好。通過水工模型試驗，選定中孔采用窄縫使水流縱向拉開，表孔采用前后高低錯落及不同的挑角橫向擴散但不沖刷兩岸的泄洪方式，很好地解決了天花板壩址河谷狹窄、單位消能功率較大的問題。

攔河壩采用雙曲拱壩，由于受河谷地形條件影響，拱壩中心線與主河道中心線不重合，存在4.3°夾角，選擇泄洪中心線走向與河道走向一致，為NW300°。泄洪軸線半徑取為311.5 m，并且定位于1、2號表孔堰頂處。

3.4 引水線路選擇

天花板壩址峽谷段雖然巖性為東龍?zhí)督M富藻白云巖、粉晶白云巖，巖石條件較好，但兩岸斷層、裂隙發(fā)育，左壩肩發(fā)育的斷層裂隙主要有f5、L27、L28等，右壩肩主要有f11、f15等，不適合布置地下廠房；并且兩岸山勢陡峻，河谷狹窄，無布置地面廠房的合適位置。天花板樞紐區(qū)河谷平均比降為0.7%，有利于混合式開發(fā)。

對于選定壩址，進行了左、右岸引水線路的比較。左岸引水線路總長3 186 m，由于左岸岸坡陡峻，進水口只能布置在距壩較遠的上游，排沙廊道較長，運行管理不方便；跨過左岸較大支流清水河時，上覆巖體厚度不夠，需明挖，存在兩側高邊坡及清水河河底斷層破碎帶處理問題，工程量大；廠房處邊坡較緩、較低，但地下水埋藏淺，施工難度較大。右岸引水線路可 “裁彎取直”，總長2 732 m，進水口距壩較近，僅35 m，排沙廊道短， “門前清”效果好，運行管理方便；引水線路全線滿足上覆巖體及側覆巖體厚度要求；廠房處邊坡較陡、較高，但地下水埋藏較深，施工方便。右岸引水線路方案投資比左岸引水線路方案低5 707.74萬元。因此，推薦右岸引水線路。

3.5 廠址方案選擇

在清水河與牛欄江交口下游3.6 km長河段內，選擇了上、下兩個廠址方案。因清水河以下主要為石英砂巖夾粉砂質泥質頁巖，巖石破碎，完整性差，故采用岸邊地面廠房形式。

經對兩個方案進行技術經濟比較認為，上廠址方案引水線路短，水頭損失小，施工支洞短，工程量省，調壓井施工難度小，投資比下廠址方案低5 260.94萬元；并且因兩廠址間河道比較平緩，落差小，雖然下廠址裝機容量增加了1萬kW，但年發(fā)電量僅增加0.336億kW·h，且總費用現(xiàn)值比上廠址方案高390.16萬元。因此，推薦上廠址方案。

3.6 推薦的樞紐布置方案

天花板水電站樞紐布置采用混合式開發(fā)方式，大壩采用拋物線型碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1 076.80 m，最低建基面高程969.80 m，最大壩高107.0 m，壩軸線長159.87 m，拱冠梁頂寬6.005 m，拱壩最大中心角93.3°，拱冠梁底寬22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。

泄洪建筑物采用壩身泄洪方式，表孔、中孔和排沙孔相間布置，3個開敞式溢流表孔堰頂高程1 062.50 m，WES堰型，孔口寬度10.0 m；2個泄洪中孔進口底板高程1 020.00 m，孔口尺寸5 m×6.5 m（寬×高）；表孔采用挑流消能方式，壩后設混凝土短護坦。泄洪軸線處溢流前沿總長度67.50 m。為保證電站進水口 “門前清”，在3號表孔右側設置了1個排沙孔，接進水口前的排沙廊道，排沙孔進口底板高程為1 025.00 m，孔口斷面尺寸為2 m×4 m（寬×高），采用挑流消能方式。

發(fā)電引水建筑物采用一洞兩管式布置，由岸塔式進水口、引水隧洞、調壓井和壓力管道等組成。引水隧洞全長2 514 m，引用流量232.4 m3/s，圓形斷面，內徑8.2 m，采用鋼筋混凝土襯砌，隧洞縱坡為0.5%。調壓井采用露天阻抗式，圓形斷面，內徑23 m，井筒高72.32 m。壓力管道主管長137.24 m，支管長分別為36.58、25.24 m，采用鋼板襯砌；主管內徑6.7 m，支管內徑4.3 m。壓力管道主管與廠房斜交，采用一管兩機引用方式，鋼岔管為 “Y”型內加強月牙肋板形式。

發(fā)電廠房采用地面廠房布置形式，主廠房尺寸為 68.5 m×22.2 m×47.5 m (長×寬×高)， 其中主機間長43 m，安裝間長25.5 m，安裝場高程974 m，發(fā)電機層高程968 m，安裝2臺90 MW混流式水輪發(fā)電機組；副廠房布置于主廠房右端，主變室及運輸軌道布置在主機間上游側，GIS和出線塔架位于主變室屋頂；廠區(qū)地坪高程為974.00 m。

4 結語

（1）天花板水電站根據樞紐區(qū)實際地形地質條件和水文條件，通過科學分析計算和水工模型試驗，對壩址、壩型、泄洪方案進行了詳細研究，選擇了拋物線型碾壓混凝土雙曲拱壩，和 “三表兩中”的壩身泄洪消能方案，使首部樞紐布置更好地適應工程特點。

（2）引水發(fā)電系統(tǒng)避開不利的跨溝布置，巧妙地利用河流彎道 “裁彎取直”，有效縮短了引水線路長度，并根據廠址處實際地質條件，選擇了岸邊地面廠房，起到縮短工期、降低施工難度、確保工程安全的重要作用。

（3）天花板水電站于2007年底實現(xiàn)大江截流，2010年底主體工程完工，2011年3月正式并網發(fā)電。