基于水利工程樞紐布置方案的選擇

瞿運斌

(貴州省黔東南州水利電力勘察設計院，貴州凱里 556000)

1 水利樞紐工程布置的原則

在對水利工程進行樞紐布置時，應遵循以下3項原則:

1)為使工程能發揮最大的經濟效益，樞紐布置應綜合考慮防洪、灌溉、發電、航運、漁業、林業、交通、生態及環境等各方面的要求。應確保樞紐中各主要建筑物，在任何工作條件下都能協調地、無干擾地進行正常工作。

2)為方便施工、縮短工期和能使工程提前發揮效益，樞紐布置應同時對工程施工的導流方式、導流標準和導流程序、主要建筑物的施工方法及施工進度計劃等進行綜合分析研究。工程實踐證明，統籌得當不僅能方便施工，還能使部分建筑物提前發揮效益。

樞紐布置應做到在滿足安全和運用管理要求的前提下，盡量降低樞紐總造價和年運行費用;如有可能，應考慮使一個建筑物能發揮多種作用。例如，使一條隧洞做到灌溉和發電相結合;施工導流與泄洪、排沙、放空水庫相結合等[1－3]。

3)在不過多增加工程投資的前提下，樞紐布置應與周圍自然環境相協調，應注意建筑藝術、力求造型美觀，加強綠化環保，因地制宜地將人工環境和自然環境有機地結合起來，創造出一個完美的、多功能的宜人環境。

2 水利樞紐布置方案的選定

水利樞紐設計需通過論證比較，從多項樞紐布置方案中選出一項最優方案。最優方案應該是技術上先進、經濟上合理、施工期短、運行可靠以及管理維修方便的方案[4]。需論證比較的內容有以下6個方面:

2.1 主要工程量

如土石方、混凝土和鋼筋混凝土、砌石、金屬結構、機電安裝、帷幕和固結灌漿等工程量。

2.2 主要建筑材料數量

如木材、水泥、鋼筋、鋼材、砂石和炸藥等用量。

2.3 施工條件

如施工工期、發電日期、施工難易程度、所需勞動力和施工機械化水平等。

2.4 運行管理條件

如泄洪、發電、通航是否相互干擾、建筑物及設備的運用操作和檢修是否方便，對外交通是否便利等。

2.5 經濟指標

指總投資、總造價、年運行費用、電站單位千瓦投資、發電成本、單位灌溉面積投資、通航能力、防洪以及供水等綜合利用效益等。

2.6 根據樞紐具體情況，需專門進行比較的項目

如在多泥沙河流上興建水利樞紐時，應注重泄水和取水建筑物的布置對水庫淤積、水電站引水防沙和對不游河床沖刷的影響等[5]。

上述項目有些可定量計算，有些則難以定量計算，這就給樞紐布置方案的選定增加了復雜性，因而，必須以國家研究制定的技術政策為指導，在充分掌握基本資料的基礎上，以科學的態度，實事求是地全面論證，通過綜合分析和技術經濟比較選出最優方案[6]。

3 案例分析

案例分析主要包括以下2個方面:

3.1 工程概況

某水利工程樞紐是為解決工程來水與用水在時間和水量分配上存在的矛盾，而修建的以擋水建筑物為主體的建筑物綜合運用體，工程樞紐由擋水、泄水、放水及某些專門性建筑物組成。

在進行樞紐布置時，主要是研究和確定樞紐中各個水工建筑物的相互位置。該項工作涉及泄洪、發電、通航、導流等各項任務，并與壩址、壩型密切相關，需統籌兼顧，全面安排，認真分析，全面論證，最后通過綜合比較，從多個比較方案中選出最優的樞紐布置方案[7]。

3.2 樞紐建筑物的布置

樞紐建筑物的布置主要包括:擋水建筑物——土石壩、泄水建筑物——泄洪隧洞和水電站建筑物。

3.2.1 擋水建筑物——土石壩

經過比較選擇地形圖所示河彎地段作為壩址，并選擇Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ兩條較有利的壩軸線作為備用壩址的兩個方案通過以下幾個方面定性地加以比較，最終確定壩軸線位置。

3.2.1.1 地質條件

Ⅰ－Ⅰ壩軸線方案和Ⅱ－Ⅱ壩軸線方案均處在以玄武巖為主，間有少量火山角礫巖和凝灰巖穿過的地層中，地質條件較為相似，但Ⅰ－Ⅰ剖面，河床覆蓋層厚平均20 m，河床中部最大34 m，壩肩除了10 m左右范圍的風化巖外，其余為堅硬玄武巖，地質構造總體良好。

Ⅱ－Ⅱ剖面出與Ⅰ－Ⅰ剖面具有大致相同厚度的覆蓋層及風化巖外，然而底部玄武破碎帶縱橫交錯，滲流比較嚴重，需要進行的地基處理工程量大，從而增加了總體工期和造價。

因此從地質條件來比較Ⅰ－Ⅰ壩軸線方案優于Ⅱ－Ⅱ壩軸線方案。

3.2.1.2 地形條件

Ⅰ－Ⅰ壩軸線方案和Ⅱ－Ⅱ壩軸線方案都位于該江中游地段的峽谷地帶，河床平緩，坡降不大是其主要地形條件。但此樞紐具有過木要求，所以必須在樞紐布置中考慮到是否對過木有利。

Ⅰ－Ⅰ壩軸線方案水流較為平順，壩趾附近無較明顯河道彎曲出現;而Ⅱ－Ⅱ壩軸線方案壩趾以下不遠處緊接河道拐彎處，水流不利于過木。

所以，從地形條件來比較Ⅰ－Ⅰ壩軸線方案優于Ⅱ－Ⅱ壩軸線方案。

建筑材料:因為Ⅰ－Ⅰ壩軸線和Ⅱ－Ⅱ壩軸線附近建筑材料都比較豐富，覆蓋層淺，開采條件較好，而且河谷地地形平坦，采運都比較方便，所以，在建筑材料方面不能區分出兩種方案的優劣。

3.2.1.3 施工條件及工程量

從地形圖上可以看出:Ⅰ－Ⅰ壩軸線方案和Ⅱ－Ⅱ壩軸線方案在布置施工場地、內外交通運輸和進行施工導流等方面沒有明顯的區別，兩種方案都是比較便于施工的。

通過比較兩軸線河寬，發現Ⅰ－Ⅰ壩軸線的河寬比Ⅱ－Ⅱ壩軸線河寬窄，這樣可以減小工程量，降低工程造價。因此，在在施工條件及工程量方面，Ⅰ－Ⅰ壩軸線方案稍優于Ⅱ－Ⅱ壩軸線方案[8]。

3.2.1.4 綜合效應

對于不同壩址與相應的壩址選擇，不僅要綜合考慮防洪、發電、灌溉、航運等部門的經濟效益，還要考慮庫區的淹沒損失和樞紐上下游的生態影響等，要做到綜合效益最大，有害影響最小。

對于Ⅰ－Ⅰ壩軸線方案和Ⅱ－Ⅱ壩軸線方案，通過多方面比較Ⅰ－Ⅰ壩軸線方案稍優于Ⅱ－Ⅱ壩軸線方案。

所以，綜合考慮以上因素，壩軸線選在1－1剖面處。而且擋水建筑物按直線布置，壩軸線布置于河床較窄處，以盡量減少工程量，減低工程造價。

3.2.2 泄水建筑物——泄洪隧洞

經以上分析可知，本工程選用泄洪采用隧洞方案。水工隧洞路線的選定是設計中非常重要的一環，關系到隧洞的造價和運用可靠性。

應在地質勘探基礎上，擬定不同方案進行技術經濟比較優選，爭取得到地質條件良好、路線短、水流順暢以及對水利樞紐其他建筑物無相互影響的洞線方案[9]。

此處從以下3方面定性地比較隧洞布置在左岸和右岸兩種方案:

3.2.2.1 地質條件

左岸的主要巖石構成主要包括:大量的凝灰巖，大量的半風化玄武巖和少量的堅硬玄武巖。

右岸主要巖石構成主要包括:大量的堅硬玄武巖和半風化玄武巖。

凝灰巖成土狀或頁片狀，巖性軟弱，與風化后成為碎屑的混合物近似，遇水崩解，滲透性很小;半風化玄武巖建議采用的抗壓強度為50 MPa，強度不高，力學性質不佳。

堅硬玄武巖一般為深灰色、灰色、含有多量氣孔，為綠泥石、石英等充填，成為杏仁狀構造，并間或有方解石脈，石英脈等貫穿其中，這些小巖脈都是后來沿裂隙充填進來的。

堅硬玄武巖強度高，力學性質出眾，建議采用抗壓強度100－160 MPa。壩址附近無大的斷層，但左右岸露出的巖石，節理特別發育，所以左右岸都常見巖塊崩落的現象。

因此，就地質條件來比較右岸優于左岸[10]。

3.2.2.2 水文地質條件

本地區地形高差大，表流占去大半，缺乏強烈透水層，故地下水不是很豐富，對工程比較有利。但左岸多為凝灰巖和半風化玄武巖，而右岸多為堅硬玄武巖和半風化玄武巖，根據壓水試驗資料，凝灰巖和堅硬玄武巖都是不透水性良好的巖層，而半風化玄武巖則為透水性良好的巖層[11－12]。

所以就水文地質條件不能充分判斷左岸方案和右岸方案的優缺點。

3.2.2.3 路線相關指標

從已給出的地形圖可以看出，若在左岸布置泄洪隧洞則需要相當長的路線，而且中間必然會出現彎段，然而盡量避免出現彎段是水工隧洞布置的1個基本原則。

若在右岸布置泄洪隧洞，隧洞可以直接和主河道相連，不出現較大角度的彎段，從而減少了出現水力不利條件的幾率，從而減少了襯砌等部位的造價，而且隧洞路線長度大大減小，減少了大量的開挖量，所以無論對于施工量和工程造價來說，右岸方案都優于左岸[13]。

因此，為增加隧洞穩定、縮短隧洞長度、減小開挖工程量和降低隧洞的工程造價，泄洪隧洞布置在右岸，這樣水流經隧洞流出直接入主河道，對流態也有利。考慮到電站引水隧洞也布置在右岸，泄洪隧洞布置以遠離壩腳和廠房為好。為減小泄洪時引起的電站尾水波動，以及防止沖刷壩腳，兩者進出口相距80～100 m以上。

3.2.3 水電站建筑物

引水隧洞、電站廠房布置在右岸，在泄洪隧洞與大壩之間;由于風化巖層較厚，廠房布置在開挖后的堅硬玄武巖上，開關站布置在廠房附近。

4 結語

通過上述分析，可知水利樞紐的布置方案的選擇是一項非常復雜的工作，應該根據各個方面的因素，選擇合理、經濟的布置方案。

[1]陳建林，江權，周輝.錦屏二級水電站尾部廠樞紐布置方案研究[J].巖土力學，2008(11):31－36.

[2]李捷，大型水電樞紐工程施工中砂石骨料及混凝土系統布置方案優選研究[D].烏魯木齊:新疆農業大學，2006.

[3]鄭守仁.三峽工程在我國水電可持續發展中的地位及作用[J].人民長江，2012，43(10):1 －6.

[4]陸宗磬.萬家寨水利樞紐布置及設計特點[J].中國水利，1998(11):25－27.

[5]陳志強，侍克斌.水利樞紐工程壩型選擇影響因素的分析[J].中國農村水利水電，2007(08):62 －66.

[6]陳敏，黃維華.小浪底水利樞紐工程的全過程投資控制[J].河南科技大學學報:自然科學版，2006，27(02):63－67.

[7]白建宏.磨盤山水利樞紐工程水土保持監測通報[J].水土保持應用技術，2006(03):46－47.

[8]楊白軍.水利樞紐工程大壩施工填料分區利用研究[J].企業技術開發，2011，30(15):48 －49.

[9]陳建，詹曉群.淺析水利樞紐工程水土保持方案設計[J].江西水利科技，2003，29(03):162 －165.

[10]常志平，李亞萍，鄭世茂.某水利樞紐工程主要施工設備方案研究[J].電力學報，2008，23(05):402 －404.

[11]韋華強.水利水電工程施工布置方案的影響因素分析[J].現代物業:上旬刊，2011(07);78 －79.

[12]魯艷秋.水利工程施工方案的影響因素分析[J].中國新技術新產品，2009(24):118.

[13]紀勇，王曉明.淺談水利工程施工的總體布置[J].中小企業管理與科技:上旬刊，2010(04):126－127.