1工程设计的难点
(1)枢纽布置受限于相关建筑物材料及结构设计。本工程中砂泥岩能否筑坝，高尾水变幅下如何合理利用水能、水轮发电机组的适应性以及建筑物结构防护等是制约枢纽布置选择的主要技术问题。枢纽布置时，尚需考虑如何利用溢洪道开挖的砂泥岩料筑坝，实现“挖填平衡”的设计。(2)软硬岩料筑坝变形控制难度大。董箐水电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高150m，大坝填筑总方量1025万m3(含上游铺盖料)。坝址区岩体为砂岩、粉砂岩夹泥岩，拟用于坝体堆石料的溢洪道开挖料为砂岩和泥岩互层，其中砂岩占65%～85%，泥岩占15%～35%。砂岩属中硬岩，其干抗压强度一般大于70MPa，饱和抗压强度在46～60MPa之间;而泥岩属软岩，其干抗压强度一般为20～30MPa，饱和抗压强度为10～20MPa。堆石料采用砂泥岩料填筑，坝体变形控制难度是前所未有的。(3)高水头泄洪消能可能发生破坏。在水电水利工程中，泄水建筑物是保证工程安全的关键设施，但是，很多工程泄水建筑物由于结构体型、布置方式等原因，造成泄水建筑物在高速水流条件下发生空蚀或冲刷破坏，严重危及工程安全，且一旦发生事故必定造成重大的经济损失。董箐水电站溢洪道泄量13347.07m3/s，最大单宽流量266.94m3/(s·m)，最大流速37.64m/s，董箐水电站溢洪道在国内外同类工程中，泄洪规模、流速及单宽流量等水力学指标均居前列，具有中高水头泄水建筑物的共性。由于溢洪道开挖料与大坝填筑相辅相成的特殊关系，所以，在高速水流安全控制技术和溢洪道布置方面，尚有较大技术难度。(4)高尾水变幅厂房对结构设计要求高。董箐水电站下一梯级为龙滩水电站，其设计正常蓄水位为400m，建设实施正常蓄水位为375m。因水库淹没影响较大，龙滩正常水位要达到400m高程运行尚有较大难度，同时需要较长的时间。因此，为了合理利用水能资源，获得更大的经济效益，并减少前期工程投资，董箐水电站采取分期建设的设计思路。工程受下游龙滩水库运行方式影响，发电厂房承受的最大水头高达61.8m，厂房整体稳定、应力、变形等要满足规程规范要求，对厂房布置、结构型式及防渗、防裂措施等提出了新的要求，构成了高尾水厂房设计技术难题。(5)施工水流控制需有效规避风险。董箐水电站被贵州省人民政府列为抢救性开发的项目，具有工期紧的特点，因涉及砂泥岩石料筑坝，施工期水流控制较复杂，施工风险较突出，施工期水流控制作为影响工程施工期安全度汛和建设工期的重要因素，在高面板堆石坝工程中具有重要作用。国内外已建多个工程经验证明，提前规划工程施工期的水流控制、施工导流程序，对保证工程施工期安全以及施工工期，规避工程施工期风险都有重要意义。
2工程设计创新技术
2.1紧凑顺畅的枢纽布置
按照水电开发与“生态保护、节能降耗、环境友好”等相适应的设计理念，针对工程砂泥岩筑坝、高尾水变幅、高水头大泄量泄洪消能等设计条件，枢纽布置巧妙利用两冲沟间的有利地形建坝，过水建筑物截弯取直，扬长避短，解决了泄洪消能、引水发电工程布置等关键技术问题，实现了紧凑、顺畅、经济的目标。枢纽布置(见图1)于河道右岸的洗鸭沟和河道左岸的坝坪沟之间，主要有三个特点:一是在平面布置上巧妙利用了两个冲沟有利的地形条件，将大坝布置于上、下冲沟之间，使左岸溢洪道在坝坪沟消能，右岸引水系统及放空洞进口易于布置，且工程量少;二是坝体的下游坝坡采用了1∶1.5，比通常的面板坝下游坝坡略缓，这主要考虑到砂泥岩筑坝是首次使用和放缓下游坝坡对抗震有利而采取的安全措施;三是大坝下游设混凝土挡墙，在满足了坝体渗流监测的同时，防止发电厂房尾水对坝脚的掏刷。
2.2高面板堆石坝筑坝材料和变形控制技术取得重大创新和突破
(1)提出了用于高面板堆石坝填筑的软硬岩混合材料。在传统使用硬岩料、局部软岩料、砂砾石料填筑高面板坝的基础上，创造性地提出了软硬岩混合料做为高面板堆石坝的筑坝材料，其中软岩含量达35%左右，该种筑坝材料占大坝填筑量的2/3。(2)研发了一种软硬岩混合料填筑的面板堆石坝结构(见图2)。该种面板堆石坝是由中硬岩与软岩的混合堆石料填筑而成，其堆石料的料源选择空间更大，可以满足就地取材的原则，不需要选择运距较远的料场进行运输，这样运距短，投资省，经济可行，而且面板坝堆石料的结构较稳定，突破了面板坝在常规料源选择上的局限性。(3)丰富和发展了高面板堆石坝的变形控制技术。在已有的变形控制技术基础上，根据软硬岩的堆石料的特性，提出了采用堆石体模量控制坝体变形、蓄水过程控制坝体变形以及有害变形控制坝体变形的新思想。从董箐坝的蓄水过程分析，通过蓄水前长约8个月的沉降周期，使20cm的有害变形转化为无害变形，坝体变形87%均在蓄水前完成。通过蓄水过程的缓慢加载，又削减了15cm的有害变形，使坝体有害变形又降低了60%左右，最终的残余变形仅为10cm，为坝高的0.07%。坝体总沉降变形205cm，为坝高的1.37%。另外，还发展了高面板堆石坝挠度、渗漏量等监测技术，拓展了冲碾压实技术的应用范围。
2.3高面板堆石坝大泄量溢洪道泄洪消能安全控制取得重大发展
(1)创新提出了高速水流结构变形缝处理技术，提出了新型消能防冲结构，通过对消力池的水力学条件、消能指标综合分析，消力池消能效果较好，满足溢洪道在各种工况下的泄洪要求，结构安全可靠。(2)发展了HF抗冲耐磨混凝土的应用范围，研发了高掺粉煤灰高性能混凝土(HVFAC)抗冲磨材料，并在溢洪道中应用和检验。
2.4创新了高尾水变幅发电厂房设计
受下游龙滩水库运行水位不确定性的影响，为充分利用水能资源，发电厂采取近期、远景结合的设计思路和设计理念，通过研究成功地解决了制约工程的水轮机和厂房结构的技术难题，充分利用了水能资源，避免了远景的重复性投资和资源浪费。主要成果有:(1)创造性地提出“近、远结合利用水能资源”的设计思路和设计理念。(2)研究提出了“近期、远景采用同一转轮同一转速的水轮机组型式”。(3)研究提出了高尾水变幅作用下保证水轮机稳定运行和防止水轮机转轮产生裂纹的方法。(4)研究提出了适应高尾水变幅的“两台机组段上分下连的机组分缝”等厂房结构型式和防裂抗渗混凝土材料。(5)研发了在混凝土内掺入MgO和PSI－400的组合外掺材料，大幅地提高了混凝土的防裂防渗性能。3.5高面板堆石坝施工水流控制技术取得重要进步施工期水流控制作为影响工程施工期安全度汛和建设工期的重要因素，在高面板堆石坝工程中具有重要作用。董箐水电站为“抢救性”开发工程，建设工期极为紧张，施工也几乎没有筹建期，工程在建设过程中的不可预见性因素较多，常规的水流控制规划已不能满足工程进度要求。通过对高面板堆石坝施工过程中的水流控制风险、施工进度措施、汛期下闸蓄水风险等进行了系列的研究和实践。取得的主要成果有:(1)提出了高堆石坝工程在汛期下闸蓄水的风险、研究思路，以及风险控制措施和应急预案。(2)提出了能适应多种导流方案、规避度汛风险的研究思路和研究方法。(3)提出了一种新的导流洞堵头封堵施工工艺，改善了传统的导流洞堵头封堵过程中存在的施工工期慢、作业环境差等不利影响，对加快导流洞堵头封堵施工，规避风险、改善施工环境具有重要意义。
3新技术、新材料、新工艺应用
董箐工程在常规设计和计算基础上，大量采用现场试验、模型试验、有限元计算和仿真分析等方法，开展创新设计，大量采用新技术、新工艺、新材料。从工程开工后，在工程中开展的设计创新及推广应用的新技术、新工艺、新材料达21项，见表1。实践证明，新技术、新工艺、新材料的应用解决了多项工程技术难题，使工程建设质量更好、进度更快、投资更省，并且进一步地说明，科技创新是工程建设的灵魂，为工程建设提供了坚实的技术支撑。
4工程应用效果
董箐水电站工程已经过了近3年工程运行的实践检验，2010年1月水库接近正常蓄水位，2011年8月水库达到或超过正常蓄水位，工程没有出现任何设计和施工质量问题，各项监测数据稳定、正常。2012年5月监测数据表明，坝体最大沉降2053.2mm，占坝高的1.37%，坝体87%的沉降变形在蓄水前完成，近期月沉降率仅为1mm/月，蓄水后沉降为247.2mm，仅占总沉降量的13%，稳定渗漏量约14～30L/s。由此可见，董箐大坝经受了正常蓄水位的考验，其有害变形量和渗漏量在国内外已建同类面板坝中都是较小的。溢洪道和放空洞均已经受了泄洪运行的检验。引水发电系统及厂房新结构运行良好。水库渗漏量很小，防渗帷幕可靠。各项主要监测指标均处于目前国内已建、在建工程的前列。通过设计创新、新技术及新材料等的应用，由于工程量的节约，按2008年下半年物价水平计算，共节约直接工程投资3.34亿元，提前工期6个月;多项科研成果和新技术在同类工程中得到借鉴和应用。
作者：湛正刚 单位：中国水电顾问集团 贵阳勘测设计研究院
