南欧江七级水电站施工详图阶段面板堆石坝优化设计

何兆升　喻建清　张新园

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司）

摘　要：南欧江七级水电站混凝土面板堆石坝最大坝高143.5m，坝体填筑总量约为740×104 m3。作为大坝主堆石料的左岸石料场断层及构造发育，存在泥岩和砂岩互层，岩性相变明显，泥质胶结的砂岩失水后表现出有一定的崩解特性，导致碾压后主堆石料和排水体料渗透系数不满足要求。为解决排水问题，紧贴3A区后设置斜向及竖向排水条带，并与底部的排水带连成L形排水体。同时，由于坝料含软岩较多，导致碾后细颗粒含量较高，对坝料分区参数进行适当调整。工程开工后，根据河床前期勘探及施工期补充勘探成果分析，河床冲积无制约冲积层利用的不利因素。因此，坝轴线后保留部分冲积层作为坝体一部分，减少了开挖量和坝体填筑量，节约了投资和工期，经济效益显著。

关键词：老挝南欧江七级水电站；高含软岩筑坝；大坝设计优化；L形排水体；冲积层利用

1　工程概况

南欧江七级水电站位于老挝丰沙里（Phongsaly）省境内，为南欧江梯级规划的最上游一个梯级即第七个梯级。工程采用堤坝式开发，主要枢纽布置由混凝土面板堆石坝、左岸溢洪道、右岸泄洪放空洞、左岸引水系统、坝后岸边厂房和GIS开关站等组成。为满足水电站工程的建设需要，布置了导流隧洞和上、下游围堰等导流建筑物。

该工程混凝土面板堆石坝最大坝高143.5m，坝顶长约591m，装机容量210MW，为Ⅰ等大（1）型工程。水库正常蓄水位635m，相应库容16.94亿m3，死水位590m，相应库容4.49亿m3，调节库容12.45亿m3，具有多年调节性能。主要建筑物（挡水、泄洪和引水发电建筑物）级别为1级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。工程的挡水、泄洪建筑物按1000年一遇洪水设计（P=0.1%），PMF洪水校核；水电站厂房按200年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核；消能防冲建筑物按100年一遇洪水设计。

坝址出露地层主要为三叠系中统，岩性主要为长石石英砂岩及粉砂质泥岩，长石石英砂岩为坚硬岩，粉砂质泥岩为软岩。岩层呈单斜构造斜河向展布，砂岩具钙质溶失现象，泥岩具有软化、泥化现象。坝址区50年10%超越概率基岩水平向峰值加速度为0.11g，50年5%超越概率基岩水平向峰值加速度为0.14g，100年2%超越概率基岩水平向峰值加速度为0.22g，100年1%超越概率基岩水平向峰值加速度为0.25g。坝址设计地震动峰值加速度采用0.25g，对应的地震基本烈度为Ⅶ度。

2　招标阶段坝体断面及分区设计

2.1　坝体断面及分区设计

招标阶段，混凝土面板堆石坝坝顶高程640.50m，河床趾板建基面高程497.00m，最大坝高143.5m，坝顶长约591m，坝顶宽12m。大坝上游坝面坡比为1∶1.4；下游坝坡高程610.00m以上为1∶1.6、以下为1∶1.4。

坝体从上游到下游分区依次为2 A垫层料区、2B特殊垫层料区、3A过渡料区、3B主堆石料区、3C次堆石料区、3D排水体堆石料区。面板上游设1B盖重料区和1 A铺盖料区，下游坝坡设大块石进行护坡。招标阶段混凝土面板堆石坝最大剖面见图1。

趾板采用3种宽度型式，高程560.00m以上趾板宽度6m，厚度0.6m；高程560.00～530.00m趾板宽度8m，厚度0.8m；高程530.00m以下趾板宽度10m，厚度1.0m。面板顶部高程637.50m，厚度0.3～0.789m，从顶部渐变至面板底部。面板垂直缝间距选为12m，共计48块。

沿趾板全线进行基础固结灌浆。坝基防渗帷幕沿趾板线布置，高程530.00m以下为双排、以上为单排，排距1.5m，孔距1.5m，帷幕深度按伸入基岩单位吸水率ω≤0.03L/（min·m·m）地层5m和不小于坝高的1/2倍控制。

2.2　坝体填筑设计标准及级配要求

根据前期坝料室内试验成果并参考类似工程，招标阶段各分区填筑料设计标准和级配要求分别见表1和表2，其坝料设计级配曲线见图2。

3　施工详图阶段大坝优化设计

3.1　料场基本地质条件及料源优化

3.1.1　坝料料源优化

本工程可行性研究阶段选定左岸石料场作为大坝堆石料、部分排水棱体料及护坡块石料料场，左岸下游11km的哈欣石料场作为混凝土骨料及大坝垫层料、过渡料及部分大坝排水棱体料料场。随着工程进场公路贯通，又对公路沿线分布的地层岩性进行了查勘，分析比较了K85+820、改线段K90附近分布的砂岩料源，并开展了勘察工作。经综合比较，推荐K90石料场替代哈欣石料场，即混凝土骨料、大坝垫层料、过渡料和所有的排水体料由K90石料场开采。K90石料场替代哈欣石料场，坝料质量能满足要求，储量还有部分富余，运距缩短约7km，节约了投资和工期，经济效益显著。

3.1.2　料场基本地质条件及利用原则

左岸石料场主要地层为三叠系中统第四层：上层岩性为杂砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，岩体多呈互层状，局部呈厚层状结构；下层岩性为灰白色、紫红色长石石英砂岩、含砾长石石英砂岩夹粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及钙质泥岩，岩体多呈互层状—中厚层状结构，局部呈厚层状结构。

室内岩石物理力学性试验成果如下：弱风化—新鲜长石石英砂岩比重为2.67～2.74g/cm3，平均为2.71g/cm3，干密度为2.56～2.63g/cm3，平均为2.60g/cm3，干抗压强度为27.5～111.5MPa，平均为73.7MPa，湿抗压强度为19.7～59.6MPa，平均为32.6MPa，软化系数为0.34～0.70，平均为0.47。岩石湿抗压强度偏低，软化系数较小，料场分布的弱风化—新鲜长石石英砂岩总体应属中硬岩—坚硬岩。

左岸石料场断层及构造发育，存在泥岩和砂岩互层，岩性相变明显、砂岩“砂化”、均一性较差，尤其是部分泥质胶结的砂岩，长期日晒雨淋，表现出有一定的崩解性。左岸石料场的利用原则是将泥岩集中带和相对较大的断层剥离，相对较好的用于3B2，其余的用于3C区。

K90料场距离坝址约3.6km，主要地层为三叠系中统，按岩性组合可分为2层：第一层紫红色泥岩，岩体多呈薄层状—互层状；第二层紫红色长石石英砂岩夹少量泥岩，岩体多呈互层状—中厚层状，部分厚层状，岩体完整性较好。

在室内岩石物理力学性质试验成果如下：弱风化上带砂岩比重为2.65～2.71g/cm3，平均为2.69g/cm3，干密度为2.40～2.50g/cm3，平均为2.45g/cm3；干抗压强度为28.1～59.9MPa；平均为45.7MPa，湿抗压强度为13.3～44.5MPa；平均为25.8MPa；软化系数为0.43～0.73，平均为0.54。弱风化上带砂岩根据钙质溶失程度不同，应属软岩—中硬岩，弱风化下带砂岩砂岩比重为2.66～2.71g/cm3，平均为2.69g/cm3；干密度为2.64～2.67g/cm3，平均为2.65g/cm3；干抗压强度为66.2～234.9MPa，平均为169.8MPa；湿抗压强度为93.2～205.3MPa，平均为136.8MPa；软化系数为0.69～0.97，平均为0.81属坚硬岩。

K90料场主要三叠系中统第二层，岩性为长石石英砂岩夹少量泥岩，岩石总体产状为N20°～40°W，NE∠35°～45°，顺坡倾向坡外，采运条件较好。岩体多呈互层状—中厚层状，部分为厚层状，岩体完整性较好。弱风化下带—新鲜的砂岩主要用于混凝土骨料、大坝垫层料、过渡料、排水体料和部分主堆石料。

3.2　河床冲积层利用

根据勘探钻孔揭露情况，河床冲积层厚度约3～13m，主要由砂、砾石及粉土组成，卵石、漂石含较少结构松散，承载力和压缩模量均较小，部分钻孔揭露的冲积层中含有细砂或粉土、粉质黏土夹层。河床冲积层总开挖量约28万m3，坝轴线以下开挖量约12万m3，坝轴线以下开挖量不大。因此，可研及招标阶段考虑将河床冲积层挖除。

大江截流后，分别补充了4个勘探钻孔和四个勘探坑。颗分级配试验表明，平均最大粒径分别约为400mm，级配良好。平均干密度值为2.12g/cm3，平均相对密度值为0.73，平均渗透系数约为5.04×10-3cm/s。根据河床前期勘探及施工期补充勘探成果分析，河床冲积层主要成分为卵砾石、砂夹块石，局部夹粉细砂层，未见淤泥层，粉细砂层呈透镜状，不连续，且仅局部分布，无制约冲积层利用的不利因素。因此，施工详图阶段，考虑将冲积层部分加以利用：将坝轴线上游25m之前的河床冲积层全部清除、之后的河床冲积层清至505.00m。根据现场碾压试验成果，采用33t的自行式振动碾10遍后，沉降趋于收敛。因此，现场使用33t的自行式振动碾对保留部位的河床冲积层碾压10～12遍。通过河床冲积层的充分利用，减少了开挖量和坝体填筑量，节约了投资和工期。

3.3　坝体断面设计优化

3.3.1　主要优化

由于左岸石料场含有软岩，K90料场部分砂岩砂化，导致坝料细颗粒含量偏高。从大坝坝料现场碾压试验成果可知：3C次堆石料渗透系数未作具体要求，2A垫层料渗透系数为i×10-4cm/s，能满足设计要求；3A过渡料的渗透系数为i×10-3cm/s，渗透系数均小于设计值，为强—中等透水体，平均渗透系数大于2A垫层料，基本符合渗透性由小到大的要求。K90石料场和左岸石料场3B料铺料厚度80cm，26t自行式振动碾碾压8遍，总体渗透系数在i×10-3～i×10-4cm/s之间，不完全满足强透水要求；3D料来源于K90料场，渗透系数i×10-1～i×10-4cm/s之间，不能满足自由排水要求。

3.3.2　坝体断面调整

招标阶段大坝上游坝面坡比为1∶1.4；下游坝坡高程610.00m以上为1∶1.6、以下为1∶1.4，下游综合坡比为1∶1.5。工程开工后，由于左岸石料场软岩存在泥岩和砂岩互层，部分泥质胶结的砂岩具有失水崩解特性，碾压后细颗粒含量偏高，料源较为复杂。同时，考虑老挝雨季长，降雨量大，为保证大坝填筑强度、施工质量和填筑形象面貌，在坝后增设之字形上坝路。增设上坝路后，大坝上游坝面坡比维持1∶1.4不变；下游综合坡比从招标阶段的1∶1.5变为1∶1.78，增加了大坝的安全储备。大坝的填筑总量约为740×104m3。

3.3.3　大坝分区优化调整

从现场碾压试验成果可知，主堆石料不能满足强排水要求，排水体料不能满足自由排水要求，因此需要设置专门的强排水条带：紧贴3A区后设置排水条带，并与底部的排水带连成“L”形排水体。并对相关的3A、3B和3C和区一起进行调整。同时，由于坝料含软岩较多，导致碾后细颗粒含量较高，需要对坝料分区参数适当调整。具体调整如下：

（1）过渡区（3A）。3A过渡料主要来源于K90石料场弱风化下带砂岩爆破料。除原设计的上游4m过渡料外，在坝轴线下游保留的河床冲积层上面设置厚1.2m的过渡料区。

过渡料渗透系数由原设计的i＞1×10-2cm/s调整为i＞1×10-3cm/s，其他技术参数不变。

（2）主堆石区（3B）。由于主堆石区的坝料来源于K90料场和左岸石料场，两个料场的岩性有一定差异，因此，将3B区分为3B1区和3B2区。3B1区主要分布于竖向排水体以上和高程517.00～527.00m水位变动区，坝料来源于K90料场开采的弱风化下带及以下的石料；3B2区位于竖向排水体下游除3C区以外的范围，坝料来源于左岸石料场开采的弱风化下带及以下的石料。

3B1增模区：右岸趾板受4号和6号冲沟影响，地形起伏较大；左岸坝基岸坡较陡，趾板后形成明显的临空面，这两个部位坝体可能存在不均匀沉降，为避免坝体不均匀沉降导致面板脱空和开裂问题，在这两个部位设置主堆石增模区。设置范围：左岸岸坡高程560.00m以上（趾板“x”线控制点X1～X3围）较陡部位和右岸6号冲沟高程517.00～560.00m。

由于设置L形排水体，3B主堆石区渗透系数不再要求，小于5mm颗粒含量由原设计的小于20%调整为小于25%，其他技术参数不变。

（3）排水体堆石区（3D）。3D排水体堆石料主要来源于K90石料场开采的弱风化下带及以下的砂岩石料，要求具有足够的透水性。

根据碾压试验成果和料源性质，3B主堆石料渗透系数偏小。为保证坝体排水通畅，在3A过渡区和3B主堆石区之间设斜向3D排水体，在高程570.00～517.00m之间设竖向排水区，等宽6.0m；在高程517.00～506.20m区域设水平排水体堆石区，高10.8m，宽40m，形成L形排水体。

3D排水体堆石料小于5mm颗粒含量由原设计的小于20%调整为小于15%，其余主要技术参数不变。

（4）下游次堆石区（3C）。3C次堆石料主要来源于左岸石料场的弱风化上带砂岩料，部分来源于工程开挖有用料K90石料场弱风化上带料。

下游次堆石区位于坝轴线下游侧，上游侧坡比1∶0.2，顶部高程620.00m，顶部宽度25m，底部高程527.00m。

下游次堆石料小于5mm颗粒含量由原设计的小于20%调整为小于30%，其他主要技术参数不变。

优化后的坝体分区剖面见图3。

3.4　坝体填筑设计标准及级配设计优化

大坝主要各分区填筑料设计标准见表3，设计级配曲线见图4。

4　结语

老挝南欧江七级水电站混凝土面板堆石坝最大坝高143.5m，坝体填筑总量约为740×104m3。作为大坝主堆石料的左岸石料场断层及构造发育，存在泥岩和砂岩互层，岩性相变明显，均一性较差，分泥质胶结的砂岩失水后表现出有一定的崩解特性，导致碾压后主堆石料和排水体料渗透系数不满足要求。为解决排水问题，紧贴3A区后设置斜向及竖向排水条带，并与底部的排水带连成L形排水体。同时，由于坝料含软岩较多，导致碾后细颗粒含量较高，对坝料分区参数进行适当调整。工程开工后，对河床冲积层进行了补充勘探，根据河床前期勘探及施工期补充勘探成果分析，河床冲积层主要成分为卵砾石、砂夹块石，无制约冲积层利用的不利因素。因此，适当处理后对冲积层加以利用，减少了开挖量和坝体填筑量。南欧江七级电站左岸石料场岩性复杂，坝料软岩含量高，碾压后细颗粒含量高，通过设置排水带，调整坝料分区，克服了坝料挑选困难等问题。同时，充分利用河床冲积层，减少了坝基开挖及坝体填筑量，节约了投资和工期，经济效益显著，可为其他类似工程提供成功的借鉴经验。