在20世纪80年代以前,中国大坝建设以数量多而突出,现在不仅数量上仍居首位,在坝高上也明显增长。如1996年统计,世界正建高于100m的坝共有76座,中国有23座,约占30%。其中最高的二滩双曲拱坝,高240m,是中国唯一超过200m的高坝,居世界第九位,在拱坝高度上居第四位。虽然高坝建设已经积累了比较丰富的实践经验,但是复杂环境条件下的高坝,还不多见。坝愈高,对应的库容愈大,加上地基条件差,建坝的风险性也愈大,尤其是在地震高烈度影响地区,往往还伴随高烈度的水库诱发地震,这时坝型比较和选择的难度就更大了。
二十一世纪初期,随着“西电东送”、“南水北调”等战略的实施,200m以上的高坝将会逐渐增加。目前中国在建和计划开工的有:小湾混凝土双曲拱坝(坝高292m)、水布垭面板堆石坝(坝高233m)、龙滩碾压混凝土重力坝(坝高216.5m)、溪洛渡混凝土双曲拱坝(坝高273m)。
一、小湾混凝土双曲拱坝
小湾水电站位于云南省西部澜沧江中游河段,系澜沧江中下游河段规划八个梯级电站中的第二级。小湾水电站是以发电为主,兼防洪、灌溉和库区水运等综合效益的水利枢纽。总库容151亿m3,总装机容量4200MW,年发电量189亿kW.h。其拦河大坝采用混凝土双曲拱坝,最大坝高292m,为目前世界上拟建中的最高拱坝(见图1)。
小湾水电站调节性能好,补偿效益十分显著,可使下游漫湾、大朝山、景洪三电站的保证出力增加110万kW;年发电量增加25.75亿kW.h(均是枯期电量),并将15.65亿kW.h的汛期电量转变为枯期电量,使三电站的枯期电量增加41.4亿kW.h;汛期电量与枯期电量的比例由无小湾时的63.1:36.9改变为48.5:51.5,保证电量占年电量的比例由无小湾时的46.4%提高到85.6%。
小湾水电站工程规模巨大,技术问题复杂,在各设计阶段邀请过国内外知名专家到小湾进行实地考察和咨询。小湾拱坝的体型设计首先采用多拱梁法做方案初选,然后用有限元法进行优化。对于选定体型,采用传统的、与现行规范相配套的多拱梁法进行计算,其结果表明,坝体在各种荷载组合工况下的动、静应力均满足规范要求。并采用线弹性和非线性有限元详细地分析研究了坝体的动、静应力状态,并按强度进行坝体混凝土等级分区。对于目前规范尚未涉及到的高拱坝坝踵开裂问题以及在高裂度地震作用下坝体横缝的开合问题,采用国内外最新发展起来的多种分析方法和模型试验,从不同角度作了深入地研究。在此基础上,提出了小湾拱坝防止或减少坝踵开裂的工程措施以及抗震工程措施。
1996年以来,国家电力公司昆明勘测设计研究院又围绕高拱坝工作性态、坝肩稳定和基础处理、水库诱发地震、枢纽总布置优化等5个专题进行了深入研究。同时结合国家“八五”、“九五”科技攻关项目对高拱坝坝肩稳定、高拱坝抗震等12个子题进行了攻关。
目前,小湾电站的前期筹备工作已经取得较大进展,力争2002年主体工程开工。小湾水电站将在西部大开发这个历史机遇中,为“西电东送”做出其应有的贡献。
二、水布垭面板堆石坝
水布垭水电站位于湖北省恩施州巴东县境内,是清江流域梯级滚动开发的最上一级龙头工程。大坝为混凝土面板堆石坝,最大坝高233m,为目前世界最高的面板堆石坝,坝顶长584m,总填筑方量1666万m3,混凝土面板的面积12.7万m2,坝的典型剖面和坝体分区如图2所示;电站采用引水式地下厂房,设计安装4台40万kW水轮发电机组,总装机160万kW,年发电39.2亿kW.h。
工程开发主要任务是发电和防洪。工程设计蓄水位400m,相应库容43.12 亿m3,是一座多年调节水库。水电站保证出力310MW,年平均发电量39.2亿kW.h,在电网中担负调峰调频任务。电站建成后还可增加下游2个电站的保证出力70MW和年发电量2.37亿kW.h。汛期在正常蓄水位以下预留有5亿m3防洪库容,以便在长江和清江遭遇大洪水情况下拦蓄清江洪水,以减轻长江荆江河段的防洪压力。
水布垭坝址区蕴藏着丰富的石灰岩,堆石料主要取自建筑物的开挖料,部分取自采石场。为了研究堆石料对高坝的适应性,在坝址区用爆破开采的石料进行了大量现场碾压试验。同时结合“九五”国家攻关对水布垭面板止水方案等关键技术问题进行了多方案比较和科学研究。
2000年元月,国家批准项目建议书,目前正在进行招标设计和施工前期准备工作。工程计划2002年主体工程开工,2006年首台机组发电,2008年4台机组全部投产。
三、龙滩碾压混凝土重力坝
龙滩水电站是红水河上的“龙头”电站。该工程以发电为主,兼顾防洪和航运,其装机容量占红水河可开发容量的35~40%,具有巨大的调节蓄能作用。工程按正常蓄水位400m设计,初期按正常蓄水位375m建设,相应总库容前后期分别为162.1亿m3和272.7亿m3,有效库容分别为111.5亿m3与205.3亿m3,具有年调节与多年调节能力,大大提高了下游各个梯级电站的保证出力和年发电量。电站装机容量4200MW(后期5400MW),年电量为156.7亿kW.h(后期187.1亿kW.h),保证出力为1234MW(后期1680MW)。龙滩水电站预留防洪库容50亿m3(后期70亿m3)。电站建成以后,可使下游沿江两岸和西、北江三角洲的防洪标准大大提高。此外大大改善航运条件,使红水河成为勾通黔、桂、粤三省区通江达海的航道。龙滩水电站具有巨大的综合利用与规模经济效益,技术经济指标优越,对地区经济发展具有极其重要的意义。
龙滩工程为一等大(1)型工程,挡水建筑物洪水标准按500年一遇洪水(Q=27600m3/s)设计,万年一遇洪水(Q=35500m3/s)校核。根据发电、防洪、航运等综合利用要求,龙滩水电站枢纽主要由拦河大坝、泄洪建筑物、发电厂房和通航建筑等组成。拦河大坝采用碾压混凝土重力坝,正常蓄水位375m时,坝顶高程382m,最大坝高192m,坝顶长741.0m,正常蓄水位抬高至400m时,坝顶高程406.5m,最大坝高216.5m,坝顶长836.5m。
龙滩水电站的规划、勘测、设计、研究工作历时40余年,工程方案及工程重大技术问题均已落实,招标设计及标书编制已基本完成,水库淹没处理设计及移民规划基本落实。自1992年起,龙滩水电站前期筹备处就开始进行施工前期准备工作。主体工程已于2001年6月正式开工。
四、溪洛渡混凝土双曲拱坝
溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县相接壤的溪洛渡峡谷段,是一座以发电为主,兼有拦沙、防洪和改善下游航运条件等综合利用效益的巨型水电站。该工程发电、拦沙和防洪效益显著,动能经济指标优越,水库库容大,控制水沙能力强,水库淹没损失小,工程建设条件好,是“西电东送”的十分理想的电源点,也是开发金沙江最适宜的启动工程。
溪洛渡水库正常蓄水位600m,死水位540m,水库总库容122.3 亿m3,调节库容64.6 亿m3,可进行不完全年调节,电站总装机容量12000MW。电站建成后,通过水库的调节作用,可增加下游三峡水电站、葛洲坝水电站的保证出力402MW,枯水期电量161.41亿kW.h,使部分汛期电能转化为枯水期电能。溪洛渡水库利用金沙江输沙量高度集中在汛期的特性,合理调度水库运行方式,使大部分入库泥沙淤积在死库容内,达到拦淤泥沙,而不影响电站的效益和淤积年限的目的。
273m的拦河大坝,抬高水位约230m,总库容达122.3 亿m3,其中调洪库容43亿m3,如加强洪水预报,汛前降低水库运行水位,防洪库容可增至70亿m3左右。通过水库调洪,可将下游宜宾市的防洪标准从20年一遇提高到50年一遇,还可与三峡水库联合调度,充分发挥溪洛渡水库的拦洪和滞洪作用,分担三峡水库的防洪任务,减轻长江中下游的洪水威胁。
溪洛渡电站由拦河大坝、泄洪设施、引水发电建筑物等组成。拦河大坝为双曲混凝土拱坝,坝顶高程605m,最大坝高273m,坝顶弧长683.85m,拱冠顶厚13.5m,底厚74m,厚高比0.271,弧高比2.5,坝体混凝土707万m3。泄水建筑物洪水标准按千年一遇洪水设计,万年一遇洪水校核,相应洪峰流量43700m3/s和52300m3/s。
施工期采用河床一次断流,隧洞导流,全年施工的导流方式。施工准备自第1年7月至第5年2月完成,施工工期44个月。主体工程自第5年3月至第10年2月,直线工期60个月。从工程开工至第一批机组发电工期8年零8个月。
五、二滩双曲拱坝
二滩水电站位于中国四川省西南攀枝花市境内的雅砻江下游,是雅砻江干流上规划建设的21座梯级电站中的第一座。二滩水电站是一座以发电为主的大型水力发电枢纽,双曲拱坝最大坝高240m,是中国目前已建成的最高坝。
二滩水电站1991年9月14日开工,1993年11月大江截流,1998年8月18日第一台机组投产,11月第二台机组投入运行,1999年4月拱坝工程基本完工,其余4台机组在1999年内投产。二滩水电站自工程正式开历时8年零3个月全部建成投产。