坪頭水電站首部樞紐布置設(shè)計

龐明亮，唐 虎

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站位于四川省涼山州美姑河干流上，為單一發(fā)電工程，無灌溉、防洪等綜合利用要求，電站開發(fā)方式為閘壩引水式開發(fā)，主要建筑物由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐三大部分組成。美姑河流域?qū)俳鹕辰蟀兜囊患壷Я鳎l(fā)源于大涼山南麓，干流全長170km，落差2 983m，屬典型的山區(qū)河流。

2 設(shè)計基礎(chǔ)資料

2.1 工程等別、建筑物級別及洪水標(biāo)準(zhǔn)

水庫正常蓄水位913.00m，總庫容62萬m3，調(diào)節(jié)庫容9.77萬m3(扣除淤積)，具有日調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量180MW。根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》，本工程規(guī)模為中型，工程等別為三等，擋水建筑物和引水系統(tǒng)等主要建筑物按3級設(shè)計，次要建筑物按4級設(shè)計。根據(jù)GB50201-1994《防洪標(biāo)準(zhǔn)》及DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》，考慮到水庫庫容較小、下游無重要城鎮(zhèn)，洪水標(biāo)準(zhǔn)采用下限，相應(yīng)建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)為：攔河閘壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。

2.2 水文氣象及泥沙條件

美姑河流域?qū)俅ㄎ鞲咴瓪夂騾^(qū)，具有“冬寒、春干、夏涼、秋潤”的山區(qū)性氣候特點，立體氣候明顯。多年平均氣溫11.3℃，極端最高和最低氣溫分別為32.3℃和-10.7℃。坪頭水電站首部樞紐位于美姑河下段柳洪鄉(xiāng)，集水面積2 468km2，多年平均流量48.8m3/s；洪水由暴雨形成，具有陡漲陡落的特點，年最大洪水多為單峰過程，洪峰形狀尖瘦；50年一遇洪水流量為2 440m3/s，500年一遇洪水流量為3 990m3/s。

根據(jù)對美姑水文站實測泥沙資料的分析，坪頭水電站首部懸移質(zhì)多年平均輸沙量為284萬t, 懸移質(zhì)礦物成分主要為黏土，其次為石英、長石。由實測床沙顆粒級配及水力要素推算，首部樞紐河段各代表年(豐、中、枯水年)的平均年推移質(zhì)輸沙量為4.5萬t。

2.3 工程地質(zhì)條件

2.3.1 區(qū)域地質(zhì)與地震

電站工程場地在區(qū)域構(gòu)造上位于四川省西南部“川滇南北構(gòu)造帶”與四川盆地沉降帶的交接部位，挾持于剎水壩-馬頸子斷裂帶、美姑河斷裂帶、普雄河斷裂帶所圍限的次級塊體內(nèi)，屬涼山拗褶帶東亞區(qū)，區(qū)內(nèi)無區(qū)域性斷裂分布，不具備發(fā)生中強(qiáng)震的地震地質(zhì)條件，其地震效應(yīng)屬工程區(qū)外圍強(qiáng)震活動的波及影響區(qū)，工程區(qū)屬基本穩(wěn)定區(qū)。依據(jù)GB18306-2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》及四川省地震局《美姑河坪頭水電站工程場地地震安全性評價和水庫誘發(fā)地震評價報告》，坪頭水電站壩址區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.127g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

2.3.2 首部樞紐工程地質(zhì)條件

首部樞紐河床覆蓋層揭示厚度一般7.0～16.0 m，最大厚度30.2m，覆蓋層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。進(jìn)水口及左岸閘基置于以粗顆粒為主的第④層含漂(塊)砂卵礫石層上，右岸閘基及擋水壩基礎(chǔ)大部分為基巖，部分為第①層含漂砂卵(碎)礫石層，其承載力基本滿足要求，但左、右岸閘基差異較大。①、④層結(jié)構(gòu)不均勻，厚度變化大，存在地基不均勻變形問題。

左岸閘基為覆蓋層，透水性強(qiáng)，兩岸岸坡裂隙較發(fā)育，巖體以中等透水為主，存在閘基及繞閘滲漏問題，需采取相應(yīng)的工程處理措施。

3 首部樞紐布置設(shè)計

首部樞紐位于柳洪溝下游650m附近，建筑物從右岸至左岸依次由右岸擋水壩、三孔泄洪閘、一孔沖砂閘及進(jìn)水口等建筑物組成。攔河閘壩軸線方向為N7°38′30.84″E，閘頂高程915.00m，最大閘高38.50m，閘線總長約115.00m，各建筑物均為混凝土結(jié)構(gòu)。首部樞紐平面布置見圖1。

圖1 首部樞紐平面布置

3.1 進(jìn)水口及左岸擋水壩建筑物

進(jìn)水口布置在河床左岸，其前緣線與攔河閘軸線呈120°夾角，由攔污柵、明渠漸變段和正方形引水隧洞段等建筑物組成。

攔污柵柵孔凈寬根據(jù)引用流量及過柵流速確定，柵孔凈寬為10.00m，分為兩孔，每孔凈寬5.00m，每孔內(nèi)設(shè)有一道攔污柵及一套機(jī)械清污設(shè)施。攔污柵后接明渠漸變段，寬度由13.00m經(jīng)弧形斷面縮窄至5.90m。明渠漸變段后接正方形引水隧洞段，閘孔高5.90m。整個進(jìn)水口段長32.50m，其后為10.00m長的隧洞漸變段與圓形有壓引水隧洞相連。

引水隧洞底板頂面高程由有壓進(jìn)水孔口最小淹沒深度確定，為895.00m。進(jìn)水閘頂板采用圓弧曲線，其后設(shè)一扇平板閘門，孔口尺寸為5.90m×5.90m。

左岸擋水壩與進(jìn)水口連成一體共同擋水，壩頂高程915.00m，下游壩坡1∶0.6，最大壩高32.00m。

3.2 泄洪閘、沖沙閘建筑物

3.2.1 泄洪閘、沖沙閘底板頂高程的確定

閘底板頂高程的確定以盡量不改變原河道水、沙運(yùn)動規(guī)律，又能順暢排沙為原則。根據(jù)河道的沖淤特征及地形地質(zhì)條件，選擇沖沙閘、泄洪閘底板頂面高程分別為886.00m和887.00m，與平均河床高程基本一致，泄洪閘及沖沙閘底板厚度根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算確定為5.00m。

3.2.2 泄洪閘、沖沙閘孔數(shù)及孔口尺寸選擇

為盡量保持原河道特性，泄流前緣寬度與河床寬度基本一致，沖沙閘、泄洪閘盡量布置在河流主河槽內(nèi)。泄洪閘孔數(shù)，考慮閘孔運(yùn)行調(diào)度靈活，泄水時可對稱開啟，不致在下游造成折沖水流和集中水流，泄洪閘選擇奇數(shù)孔。閘孔寬度經(jīng)泄洪消能計算，并考慮水庫沖沙要求及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定孔數(shù)及孔口尺寸為：泄洪閘3孔，單孔尺寸8.00m×15.00m(寬×高)，孔頂(902m高程)以上設(shè)置胸墻；沖沙閘1孔，孔口尺寸3.00m×8.00m(寬×高)，孔頂(894m高程)以上設(shè)置胸墻。

3.2.3 閘壩頂高程的確定

水庫正常蓄水位為913.00m，設(shè)計洪水位為901.82m，校核洪水位為907.92m；水庫最大風(fēng)速20.00m/s，相應(yīng)風(fēng)向ESE，吹程約0.90km，累積頻率1%的波浪高度0.84m，風(fēng)壅水面高度0.38m；3級建筑物安全超高不小于0.40m；同時考慮地基沉降等因素；確定閘壩頂高程為915.00m。

3.2.4 閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計

泄洪閘、沖沙閘閘室總寬度50.50m，順?biāo)鞣较蜷L度45.00m，閘頂高程915.00m，泄洪閘底板頂面高程887.00m，沖沙閘底板頂面高程886.00m。由于閘室基礎(chǔ)的不均勻性，為適應(yīng)基礎(chǔ)變形，將3號、2號泄洪閘單獨(dú)分設(shè)閘段，1號泄洪閘及沖沙閘共同作為一個閘段。不分縫的中墩厚度5.50m，分縫的中墩厚度6.00m，邊墩厚度3.00m。

3.2.5 閘室建基面高程選擇

考慮3號泄洪閘底板頂高程及閘底板厚度，將閘室建于基巖面上，建基面高程確定為882.00m。可研階段所確定的2號泄洪閘設(shè)計建基面高程為882.00m，1號泄洪閘設(shè)計建基面高程為882.00m，沖沙閘設(shè)計建基面高程為881.00m。經(jīng)地質(zhì)專業(yè)推測該層地基為第④層含漂(塊)砂卵礫石層。該層分布較連續(xù)，承載力與變形模量較高，允許承載力為0.4～0.5MPa，滿足閘室建基要求。但在2號泄洪閘、1號泄洪閘及沖沙閘基礎(chǔ)開挖至882.00m高程時發(fā)現(xiàn)，地基持力層與可研階段預(yù)測情況發(fā)生了較大變化，基坑底面出露④-2層灰黑色含漂(塊)卵(碎)礫石土層，該層結(jié)構(gòu)較松散，多呈“泥包礫”狀結(jié)構(gòu)，粗顆粒未能構(gòu)成骨架，其性狀不能滿足設(shè)計要求。針對施工過程中所揭示的地質(zhì)情況，考慮采用挖除大部分承載力較低的④-2層灰黑色含漂(塊)卵(碎)礫石土層后回填砂卵礫石或素混凝土的方式進(jìn)行換基處理。通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，最終對原設(shè)計建基面高程出露的不滿足要求的土層，采取挖除后回填素混凝土換基的方式處理。

2號泄洪閘882.00m高程以上為結(jié)構(gòu)混凝土保持不變，882.00～876.50m為回填置換混凝土區(qū)，回填置換混凝土的基礎(chǔ)主要為④-3層灰黃色孤漂砂卵礫石層，局部為④-2層灰黑色含漂(塊)卵(碎)礫石土層。1號泄洪閘882.00m高程以上為結(jié)構(gòu)混凝土保持不變，882.00～877.00m間為回填置換混凝土區(qū)；沖沙閘881.00m高程以上為結(jié)構(gòu)混凝土保持不變，881.00～877.00m間為回填置換混凝土區(qū)。1號泄洪閘及沖沙閘回填置換混凝土的基礎(chǔ)為第④-1層灰黃色漂砂卵礫石層及少量的④-2層灰黑色含漂(塊)卵(碎)礫石土層。對勘探、試驗資料的分析和閘室基底應(yīng)力、穩(wěn)定及閘室基礎(chǔ)沉降計算表明，新確定的2號泄洪閘、1號泄洪閘及沖沙閘持力層滿足設(shè)計要求。

因?qū)?號泄洪閘、1號泄洪閘及沖沙閘范圍內(nèi)的一定深度的覆蓋層采取挖除、回填素混凝土換基的方式進(jìn)行了處理，剩余覆蓋層厚度較薄，原設(shè)計的固結(jié)灌漿的基礎(chǔ)處理措施已無必要，故取消。

3.2.6 引水防沙、沖沙措施設(shè)計

由于入庫懸移質(zhì)含沙量較大，為解決懸移質(zhì)粗沙過機(jī)問題及節(jié)省工程投資，設(shè)計中采用 “以庫代池”方案。為保證電站所需日調(diào)節(jié)庫容不被泥沙侵占，又要保持一定的調(diào)節(jié)庫容，使水庫有較好的沉沙效果，在水工布置時設(shè)置了導(dǎo)、攔、沉、沖相結(jié)合的工程措施：

首先，將進(jìn)水口位置選擇在河流的凹岸(左岸)，以利用河流彎道的環(huán)流作用把大量泥沙推向凸岸，由泄洪閘排往下游。其次，進(jìn)水口底板頂面高程較沖沙閘底板頂面高9.00m，以阻擋閘前的泥沙進(jìn)入進(jìn)水口。另外，在沖沙閘與1號泄洪閘之間的上游鋪蓋上設(shè)置2道束水墻，束水墻將大量推移質(zhì)導(dǎo)入泄洪閘，排至下游。同時，由束水墻形成的狹窄沖沙槽，可束水攻沙，將沉積在進(jìn)水口前的泥沙，由沖沙閘排向下游。

3.3 右岸擋水壩建筑物

在泄洪閘右側(cè)采用混凝土重力壩與右岸岸坡相連接。右岸擋水壩壩頂高程為915.00m，壩踵建基面高程為882.50m，壩趾建基面高程為884.50m，最大壩高32.50m。壩頂長約41.00m，壩頂寬度16.00m，下游坡比為1∶0.6。考慮泄洪閘、沖沙閘檢修閘門的存儲要求，在右岸擋水壩上設(shè)置泄洪閘及沖沙閘的檢修閘門儲門槽。為優(yōu)化右岸擋水壩的抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力條件，在其下游采用砂卵石回填至905.00m高程。為適應(yīng)地基變化、減小不均勻沉降對擋水壩結(jié)構(gòu)的影響，將右岸擋水壩設(shè)置一條橫縫，分為1號擋水壩段及2號擋水壩段。其中1號擋水壩段緊靠3號泄洪閘邊墩，建基于基巖面上；2號擋水壩段緊靠右岸岸坡，建基于覆蓋層中的第①層含漂砂卵礫石層上，通過上壩公路與S307省道相連通。

3.4 消能防沖設(shè)計

為盡量減小汛期泄洪時出閘水流對下游河床及岸坡的沖刷破壞，須選用合理的消能方式，布置可靠的消能防沖設(shè)施。經(jīng)分析計算及水工模型試驗驗證，最終確定在閘室下游采用挖深式消力池進(jìn)行底流消能。閘室下游設(shè)長88.00m的鋼筋混凝土護(hù)坦。護(hù)坦包括斜坡段和水平段，斜坡段長度26.25m，泄洪閘段坡度1∶3.5，沖沙閘段為1∶4.04，護(hù)坦水平段底板頂面高程為879.50m。護(hù)坦下游設(shè)20.00m長的鋼筋混凝土柔性海漫。

3.5 基礎(chǔ)防滲設(shè)計

根據(jù)閘基和兩岸滲透特性以及首部樞紐建筑物布置情況，按照滿足閘基、兩岸滲透穩(wěn)定及控制滲流量要求進(jìn)行防滲設(shè)計。

為減小施工干擾、縮短工期，并有利于延長滲徑、降低閘基滲透壓力，對閘基采用水平防滲及垂直防滲相結(jié)合的防滲方案。結(jié)合進(jìn)水口布置特點，水平防滲采用鋼筋混凝土鋪蓋，鋪蓋順?biāo)飨蜷L度20.00～67.58m；垂直防滲采用封閉式混凝土防滲墻結(jié)合帷幕灌漿，防滲墻深入基巖1.00m，防滲墻體深度約2.00～20.00m，設(shè)置于閘室上游鋼筋混凝土鋪蓋下和右岸擋水壩及右岸公路下古河床段的覆蓋層中。河床與兩岸基巖防滲采用帷幕灌漿，帷幕灌漿要求深入巖體相對隔水層(Lu<5)內(nèi)，灌漿孔孔深約15.00～67.00m。

3.6 邊坡加固處理

3.6.1 閘首左岸自然邊坡防護(hù)設(shè)計

閘首左岸自然邊坡陡壁，由中厚～厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、灰綠色頁巖夾粉砂巖組成，現(xiàn)狀整體穩(wěn)定，但受結(jié)構(gòu)面切割及淺表部卸荷影響，在首部樞紐建筑物范圍內(nèi)大致有8處危巖體，對工程和施工安全構(gòu)成較大的威脅，需進(jìn)行加固處理。

根據(jù)危巖體發(fā)育的工程地質(zhì)條件和危巖體的地質(zhì)特征、可能變形失穩(wěn)模式，采用宏觀的地質(zhì)判斷來確定危巖體的穩(wěn)定性。結(jié)合危巖體的大小、危巖體失穩(wěn)可能對樞紐區(qū)建筑物及人身安全的影響程度，對首部主要危巖體分布的大部分陡崖區(qū)域巖體采用主動防護(hù)網(wǎng)加錨桿進(jìn)行防護(hù)。主動防護(hù)網(wǎng)采用FSS-JG-250-G型，錨桿采用高強(qiáng)鋼繩錨桿，主動防護(hù)網(wǎng)和錨桿為一整體，聯(lián)合受力。

在首部主要危巖體分布的大部分區(qū)域陡崖頂部斜坡上，分別在1 061.00m和1 085.00m高程布置2道被動防護(hù)網(wǎng)，防止陡崖頂部以上斜坡的地面危石、滾石下落對進(jìn)水口、左岸閘室、護(hù)坦等主要建筑物的破壞。被動防護(hù)網(wǎng)為FSS-PD-500型柔性被動防護(hù)網(wǎng)，高5.00m，長155.00m。

3.6.2 柳洪溝下游側(cè)變形土體加固設(shè)計

在進(jìn)水口上游30.00～40.00m處基巖陡壁溝槽的上部為柳洪溝古滑坡堆積體，受沖溝的侵蝕，滑坡體表層已發(fā)生牽引式拉裂和下錯，部分土體已下滑至溝槽內(nèi)。柳洪溝下游側(cè)變形土體目前已存在明顯的拉裂縫，穩(wěn)定性較差，在暴雨工況下，有可能失穩(wěn)。因此，對柳洪溝下游側(cè)變形土體進(jìn)行了工程處理。經(jīng)方案論證比選，柳洪溝下游側(cè)變形土體加固方案首先考慮地表截、排水措施，在此基礎(chǔ)上，采用錨索加混凝土框格梁來加固變形土體。錨索加混凝土框格梁護(hù)坡范圍為高程1 067.50～1 095.50m，寬73.00m。預(yù)應(yīng)力錨索采用750kN級拉力分散型無粘結(jié)錨索，布置在混凝土框格梁結(jié)點上，間、排距6.00m×6.00m，深15.00～30.00m，穿過變形土體，錨入完整基巖。

4 結(jié)束語

坪頭水電站首部樞紐為集引水與泄洪于一體的具有較大壩高的閘壩工程，樞紐布置充分考慮了引水防沙與泄洪消能相結(jié)合的原則。為實現(xiàn)“以庫代池”的目標(biāo)，閘前設(shè)置了“導(dǎo)、攔、沉、沖”等工程措施，將入庫泥沙經(jīng)沖沙閘、泄洪閘排向下游，為山區(qū)河流上的引水式電站的首部樞紐布置提供了一種典型而實用的參考方式。電站首臺機(jī)組于2011年5月28日并網(wǎng)發(fā)電，近一年的運(yùn)行監(jiān)測表明，首部樞紐布置的方案是合理可靠的。

[1] SL265-2001水閘設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

[2] 陳寶華，張世儒.水閘[M].北京：中國水利水電出版社，2003.