簡介
冶勒水電站是四川南椏河流域開發的龍頭水庫電站，大壩高124.5米，採用當今世界最為先進的瀝青混凝土心牆技術，解決了高寒多雨、壩基為深厚覆蓋層、地質條件極為複雜條件下的世界性築壩難題，是亞洲同類型壩中已建成的最高大壩，也是當今世界海拔最高的瀝青混凝土心牆堆石壩（平均海拔2700米）。冶勒水電站安裝2台12萬千瓦水輪發電機組，總裝機容量24萬千瓦。
水輪機組
冶勒水電站總裝機2×120MW，機組為6噴嘴立軸衝擊式，設計最大水頭為644.8米，額定水頭為580米，額定轉速375r/min，轉輪最大直徑3.346米，節圓直徑2.6米，21個水斗。發電機為懸吊式結構形式，推力軸承採用全剛性支撐結構。
壩基勘察研究
壩址位於新生代斷陷盆地邊緣的峽谷河段上,距安寧河東、西支斷裂分別為4km、2km。壩址左岸為晉寧期石英閃長岩,節理裂隙發育,岩體卸荷強烈,卸荷水平深度60～80m。河床及右岸由第四系中、上更新統冰水河湖相沉積層組成,鑽探揭示其最大厚度大於420m,河床下部殘留厚度160m,自下而上分為5大岩組;第一岩組,弱膠結卵礫石層(Q22);第二岩組,塊碎石土夾硬質粘性土(Q13);第三岩組,弱膠結卵礫石層與粉質壤土互層(Q2-13);第四岩組,弱膠結卵礫石層(Q2-23);第五岩組,粉質壤土夾炭化植物碎屑層(Q2-33)。該套巨厚冰水河湖相沉積層各岩組岩相和厚度變化較大、層次較多,物理力學特性各異,含水、透水程度不均一,並有多層承壓水分布。壩址工程地質、水文地質條件複雜。為此,對其築壩建庫工程地質條件進行了長期而大量的地質勘察和深入細緻的研究工作。
勘察過程回顧冶勒水電站的勘測設計工作,是在氣候嚴寒、潮濕多雨和交通運輸極其艱苦的環境下,成勘院通過精心勘測、精心設計和組織管理而完成的。若從開發研究階段算起,歷經壩址選擇、初步設計,到初設審查及諮詢調研後的補充地勘試驗工作,則前期勘察時間基本連續達8年之久。
本工程勘測設計可追溯到70年代初,1971～1972年間對兩岔河壩址曾開展了規劃選點地勘工作,1972年提交“匯報材料”後中斷勘探。1985年5月～1986年8月,隨著南椏河規劃的起動,對本工程進行了開發研究階段的勘測設計,重點對兩岔河壩址建壩條件和水庫滲漏問題做了進一步的地質勘探與論證,於1986年底完成了“四川省南椏河冶勒水電站開發研究報告”。1987年1月,原水利水電規劃設計總院在北京對開發研究報告進行了審查,會議肯定了冶勒水庫作為龍頭水庫的必要性,並要求加快開發進度,決定不經過可行性研究直接開展本工程的初步設計。據此,成勘院首次向總院簽訂了初步設計工作項目承包協定書,為加快冶勒初步設計和南椏河梯級規劃,隨即修建了勘測公路和設定水文站觀測收集水文氣象資料。
1987年7月～1988年12月,圍繞壩址比較與選擇,在多次組織有關專業深入現場查勘的基礎上,先後對兩岔河上、下壩址和三岔河壩址全面開展了地質勘探試驗和相應的設計工作,得出了下壩址的地質條件優於上壩址的初步結論;於1988年底提交了“四川省南椏河冶勒水電站壩址選擇專題報告”。1989年4月在北京,由原水利水電規劃設計總院主持召開了選壩技術討論會,會議著重研究了3個壩址的比較,初步同意成勘院推薦的下壩址;並要求繼續查明作為壩基防滲依託的第二岩組塊碎石土夾硬質粘性土相對隔水層的分布範圍、厚度、性狀和滲透變形穩定情況,研究在高地震烈度區深厚覆蓋層上建高土石壩的壩型及基礎防滲處理措施等問題。
在初步明確壩址、壩型的基礎上,根據選壩技術討論會精神,1989年4月～1991年1月,重點對選定的下壩址各樞紐建築物軸線、壩基岩土物理力學參數,以及築壩材料和水庫滲漏等,繼續深入地開展了地質勘探與試驗研究,於1991年6月完成了“四川省南椏河冶勒水電站初步設計報告”。至此,經各階段大量的地質勘測、試驗工作,壩址主要工程地質問題已查明,達到了初步設計的工作深度和要求。1991年9月在成都,經原水利水電規劃設計總院會同四川省建委、計經委審查通過“初步設計報告”,並於1992年10月和1995年8月由中國國際工程諮詢公司主持,分別進行了諮詢調研與評估。
鑒於壩址工程地質、水文地質條件的複雜性,根據初設審查和諮詢調研提出的意見與建議,1992年以來對壩址地震危險性分析、壩基各岩組物理力學參數與滲透變形指標、地下水動態特徵等,又進行了全面覆核和補充勘察論證;並在大壩右岸開展了100m深混凝土防滲牆和100m深帷幕灌漿的現場試驗,為本工程的立項、建設,奠定了可靠基礎。
冶勒電站壩址主要工程地質問題是對深厚覆蓋層壩基滲漏、滲透變形穩定研究,以及對地基不均一沉降變形和粉質壤土抗振動液化的評價。為此,在前期勘察工作中採用多種勘測、試驗方法進行了系統的論證:
3.1 工程地質測繪
利用溝谷露頭剖面測制詳細地層柱狀圖,採集炭化植物碎屑、鈣質膠結物進行14C法、TL法年齡測試,根據岩性組合、沉積韻律和含水、透水特徵,再結合深孔鑽探取芯資料,確定地層層序和時代,建立水文工程地質岩組;開展壩區1∶2000綜合工程地質測繪,對壩址左右岸或下游滲流出逸部位,以及可能滲漏進出口地段,進行了重點調查和研究。
3.2 物探
勘察初期階段,在庫壩區大範圍內進行了地震勘探和電法勘探,以探查覆蓋層厚度、結構、地下水位、基岩頂板埋深與起伏狀態等,亦為防滲線勘探布置提供了信息。
3.3 勘探
根據壩址地形地質特點,結合樞紐建築物布置和防滲需要,勘探手段以鑽探為主,輔以井探、洞探。勘探範圍自壩軸線向上、下游延伸各1.5～1.8km,沿防滲線長約1.3～1.5km;鑽孔深度以深孔為主,深孔(200～250m)與淺孔(80～150m)相結合,最深達420m。為獲取深厚覆蓋層原狀樣岩芯,鑽進工藝普遍採用了成勘院研製的SM沖洗液金剛石鑽進與取樣新技術。通過93個鑽孔計6887m的鑽探和物探綜合測井,查明了各含水或透水岩組與相對隔水岩組的埋深、厚度、岩性岩相變化和空間分布範圍,以及深部承壓水和淺層承壓水的水頭、水量和埋藏條件。
3.4 水文地質試驗
進行鑽孔抽、注水試驗或承壓水揚水試驗和試坑滲透試驗,以及室內滲透試驗,獲取了各岩組水文地質參數,為滲透性分級和防滲設計提供了依據。138段(組)水文地質測試成果表明:第一、三、四岩組弱膠結卵礫石層滲透係數K=6.6×10-3～1.58×10-4cm/s,屬弱透水岩組;第三、五岩組之粉質壤土K=2.3×10-5～1.4×10-6cm/s,為微透水層;第二岩組塊碎石土夾硬質粘性土為壩基防滲的相對隔水層,K=3.51×10-5～5.6×10-9cm/s,屬微～極微透水岩組。
3.5 滲透變形試驗
開展現場(室內)滲透變形試驗和反濾試驗,獲取各岩組水平向與垂直向的抗滲坡降值,以合理選擇滲控參數和確定壩基防滲形式與範圍。19組試驗結果均反映出壩基各岩組具有較高的抗滲強度特點。第二岩組塊碎石土結構緊密,臨界坡降ic=3.81～5.94,破壞坡降if＞11.11,約高出一般塊碎石土的4～5倍;第三岩組之粉質壤土呈超固結狀態,ic=7.1,if=12.2(平行層面);第三、四岩組弱膠結卵礫石層,ic=1.1～2.1,if=5.7～10.0以上(平行層面),當採用土工布作反濾時,坡降值大為提高(ic=1.94～4.45),為未加反濾時的1.76倍以上,而滲透係數K降低為9.35×10-5cm/s。
3.6 土體物理力學性能試驗
針對壩址區巨厚冰水河湖相沉積層在堆積過程中經歷了較長時間(約6.0～3.2萬年)不同程度的泥鈣質膠結和超固結壓密(最大先期固結壓力達4.5～6.0MPa)作用的特點,為研究其工程地質特性、獲取物理力學參數,分別利用地表露頭點、豎井、平洞和鑽孔,開展現場密度、載荷、剪力、旁壓試驗和動力特性試驗。大量試驗成果表明,壩基各岩組具有密度大、壓縮性低、承載力和強度均高的特點。第二岩組塊碎石土的乾密度ρd=2.24g/cm3,現場載荷試驗比例界限荷載pkp=1.4MPa,變形模量Eo=44.3MPa(已卸荷),飽和固結快剪φ=39.52°,C=0.14MPa;第二岩組的硬質粘土和第三岩組粉質壤土,ρd=1.78～1.88g/cm3,Pkp=0.8～1.1MPa,E0=44～68MPa(已卸荷)。飽和固結快剪φ=33.27°～35.94°,C=0.125～0.21MPa;第三、四岩組弱膠結卵礫石層,Pkp=1.4～3.6MPa以上,E0=133.58～253.4MPa,天然固結快剪φ=41.98°～42.96°,C=0.22～0.35MPa。
3.7 水同位素測試
採集不同含水介質的地下水與地表水,進行水化學分析和同位素(氘、氚、18O)測定,從水化學場研究地下水與地表水的補徑排關係。據208組水同位素測定結果,庫壩區地下水、地表水的同位素組成存在明顯的差異,特別是埋藏於第一岩組弱膠結卵礫石層深部承壓水δD、δ18O值最低,其氚含量(≤5.0Tu)與河水氚含量(22.31～29.39Tu)相差甚大,表明該承壓水補給的源遠流長,徑流緩慢,排泄不暢,水交替較弱,為50年代以前進入地下的“古水”。
3.8 地下水動態觀測
利用鑽孔進行地下水動態長期觀測,同時設定河床水文斷面開展水文測驗,從動態與均衡研究地下水與河水補排關係。據地下水長期觀測結果,深部承壓水測壓水位一般保持在2570～2572m高程,承壓水通過鑽孔往上噴射,高出壩址河水位28～30m,且動態穩定。
3.9 電模擬試驗
根據已獲取的水文地質參數,結合樞紐布置進行三維電阻網路滲流試驗,研究築壩建庫前後的滲流場,求解了不同邊界條件下的滲流量,給出了滲控工程措施建議,為大壩防滲方案的確定提供了依據。
通過上述工作,對冶勒深厚覆蓋層壩基工程地質問題作如下評價:
(1)河床壩基及其右岸由第四系中、上更新統卵礫石層、粉質壤土和塊碎石土層組成的五大岩組,在較長地質歷史時期里經歷了不同程度的泥鈣質膠結和超固壓密過程,結構密實,透水性較弱,抗滲穩定性較好,力學強度和變形指標較高,對高土石壩有較好的適應性。
(2)壩基河床下部埋深18～24m以下的第二岩組塊碎石土夾硬質粘性土,厚31～46m,具有較好的隔水與抗滲性能,向上、下游延伸長度均可達1.3～1.5km,往右岸壩肩延展寬度約600m逐漸減薄為上覆第三岩組Ⅲd粉質壤土層替代,共同組成較完整的相對隔水層。因此第二岩組可以作為壩基防滲工程的基礎。
(3)壩基深部的第一岩組卵礫石承壓含水層,呈泥鈣質膠結狀態,透水性較弱,承壓水徑流緩慢,排泄不暢,含水層封閉條件較好,築壩建庫無防滲措施時,沿第一岩組的滲漏量不大,僅0.285～0.298m3/s,可不進行防滲處理。水庫蓄水後雖然壩下游第一岩組的承壓水頭將有所增高,滲透壓力較大,但不易擊穿上覆隔水、抗滲性能較好的第二岩組而影響壩基穩定。
(4)壩基粉質壤土夾炭化植物碎屑層,沉積時代為Q23,沉積過程中曾受到高達4.5～6.0MPa的先期固結壓力作用,呈超固結壓密狀態,結構密實,動、靜強度指標和標準貫入擊數均高,經評判和動剪應力對比法計算,在9°地震設防烈度或地面最大水平加速度為0.322g與0.273g情況下,壩基不同深度飽和狀態的粉質壤土均不會發生液化破壞而影響壩體穩定。
(5)壩基及右岸壩肩分布的泥鈣質膠結卵礫石層和粉質壤土,天然狀態下具有較高的抗滲強度、易?鹽含量低;且庫壩區地下水和地表水均屬弱鹼性低礦化度碳酸鹽類水體,不具侵蝕性。預測築壩建庫後水質和?解性不會發生重大改變,沿第二、三、四岩組內部及其接觸面產生管道式的機械、化學管涌的可能性極小。
右岸壩肩2650m高程至河床壩基下部深18～24m範圍內的第三、四岩組中,地下水位較低,建壩後是壩基及繞壩滲漏的主要途徑(約占總滲流量0.95～0.957m3/s的70左右),需進行防滲工程處理。左岸壩肩石英閃長岩卸荷岩體採取帷幕灌漿處理也是十分必要的
冶勒水電站經各階段大量地質勘探和試驗研究,主要工程地質問題已查明。壩址工程地質水文地質條件雖然複雜,但經相應的防滲、抗滲工程處理,興建125.5m高的瀝青混凝土心牆堆石壩是可行的。壩址右岸100m深防滲牆和100m深帷幕灌漿的現場試驗已取得可喜的成果,其它一些築壩關鍵技術問題亦基本解決;自108國道從栗子坪接口,經廠區到大壩兩岸進場公路已建成。目前,我院正在配合業主四川省電力局及南椏河流域水電開發有限責任公司開展招標設計工作。
