牛欄江大巖洞水電站首部樞紐優化設計

尤 林， 趙 艷， 李金洋

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

牛欄江大巖洞水電站首部樞紐優化設計

尤 林， 趙 艷， 李金洋

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

針對牛欄江流域水文泥沙情況、工程區地形、地質條件及工程特點、電站功能要求，從工程的安全、經濟角度出發，提出對可研階段首部樞紐建筑物進行優化設計。考慮壩體對地質條件的適應性、壩型和筑壩材料、引水防沙、消能防沖、施工工藝及施工質量的控制等，將可研階段混凝土漿砌石重力壩壩型調整為混凝土閘壩壩型；同時，可減少首部樞紐建筑物的工程量、降低工程投資。

大巖洞水電站；首部樞紐；優化設計；壩線；壩型；混凝土漿砌石重力壩；混凝土閘壩

1 工程概述

大巖洞水電站工程位于牛欄江中游大巖洞至大坪子河段，地處云南東北部云貴兩省交接處。電站采用引水式開發方式，水庫正常蓄水位1 496.00 m，相應庫容為349.42萬m3，裝機容量為84 MW，多年平均年發電量3.83億kW·h，具有日調節性能。工程的開發任務為單一發電工程，無灌溉、防洪、供水等綜合利用要求。

2013年底，中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司接受業主的邀請，對大巖洞水電站工程在可行性研究階段基礎上進行優化設計。成都院根據可研勘探設計資料及補充地勘資料，進行計算分析后，提出優化設計方案。

2 水文及工程地質

大巖洞水電站壩址控制流域面積8 151 km2，多年平均流量82.8 m3/s，相應多年平均年徑流量為26.1億m3。壩址懸移質多年平均年輸沙量253.8萬t，含沙量0.972 kg/m3，推移質多年平均輸沙量19.6萬t。

電站壩址位于大巖洞峽谷段，河道順直，河谷寬闊、兩岸形態較為對稱。正常蓄水位1 496.00 m時，相應河面寬100～120 m。兩岸地形陡峻，臨河坡高大于500 m，兩岸高程1 680.00 m以下地形坡度一般40°～50°，高程1 680.00～1 800.00 m左右為55°～70°，以上地形變緩，于2 000.00 m高程左右存在一級夷平面。

壩址區地層巖性主要為泥盆系上統(D3)及二疊系下統(P1)的碳酸鹽巖、石英砂巖、頁巖、泥巖及劣煤層等，第四系沉積物主要為河床沖洪積和岸坡崩坡積等。閘址區無Ⅰ、Ⅱ級結構面通過；Ⅲ級結構面16條，其中裂隙密集帶(Mj)7條、溶蝕裂隙(Rx)9條；Ⅳ級結構面大于20條，主要為溶蝕性裂隙(Rx)；其余主要為Ⅴ級結構面的層面裂隙、節理裂隙。

壩址區兩岸及河床下部巖體透水性受巖溶發育程度、巖體完整性等控制。在弱風化巖帶內，巖體內巖溶總體發育，透水性強，巖體透水率均大于10 Lu；在微新巖體內，巖體透水性與局部的巖溶發育程度相關，其巖體透水率小于5 Lu，為相對隔水層。

3 可研階段首部樞紐設計

3.1 首部樞紐設計

首部樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄洪沖沙建筑物、左岸電站進水口及下游消能防沖建筑物等組成。

擋水建筑物采用混凝土砌石重力壩，壩軸線與下游河道方向基本垂直。大壩由泄洪沖沙壩段和非溢流壩段組成，壩軸線長142.0 m，壩頂高程 1 498.90 m，最大壩高47.9 m，最大底寬41.5 m；壩頂上游側設1.2 m高防浪墻，防浪墻頂高程1 500.10 m；壩內設灌漿排水廊道，廊道尺寸為2.5 m×3.5 m。非溢流壩段布置在河床左、右兩岸，壩頂寬6.0 m，總長97.0 m。溢流壩段布置在河床中部，總長45.0 m，由一孔開敞式溢流表孔和三孔泄洪沖沙底孔組成，溢流表孔寬12.0 m，堰頂高程1 486.50 m，堰型采用WES型實用堰；泄洪沖沙底孔孔口尺寸為7.0 m×10.0 m(寬×高)，孔口底高程為1 473.50 m。壩體左側靠近沖砂底孔壩段埋設一根DN2 000 mm的鋼管作為生態用水放水管。考慮到壩頂交通及溢流壩的檢修要求，壩頂布置了公路橋(兼工作橋)，公路橋位于壩頂上游側，橋面寬3.7 m。

進水口采用岸塔式，布置在壩前左岸，中心線與壩軸線平行。進水口頂高程1 498.90 m、底板高程1 476.00 m，取水口閘室寬15.0 m。設置一道事故檢修閘門，孔口尺寸為7.0 m×7.0 m(寬×高)。進水口與引水隧洞之間采用直接進洞的方式銜接。

消能型式采用底流消能型式，消力池長50.0 m，寬41.0 m，底板高程1 469.00 m，底板厚2.5 m；消力池尾部設尾坎，坎頂高程1 472.00 m，坎后接長15.0 m、厚2.0 m的漿砌石護坦，護坦頂高程1 472.00 m。

大壩建基面放在梁山組中上部位的灰巖層，建基面底高程為1 451.00 m，兩岸壩肩開挖邊坡均為1 ∶0.3，開挖邊坡采取了掛網錨噴處理。大壩基礎采用固結灌漿處理，灌漿深度5.0 m。防滲帷幕采用雙排帷幕灌漿，排距1.0 m，孔距2.0 m，帷幕要求以進入相對隔水層中部進行控制，最大孔深59.4 m；兩岸帷幕灌漿長度按2倍壩高進行控制，兩壩肩帷幕灌漿長度均為96.0 m。

3.2 首部樞紐設計存在的問題

3.2.1 樞紐布置

(1)從水工模型試驗效果看：進水口流態不穩定；下泄水流流態較差、消能不充分，對下游河床及岸坡的沖刷非常嚴重。

(2)校核洪水位控制壩頂高程，顯然不經濟。校核洪水位高于正常蓄水位2.8 m，而壩址區地形不制約泄洪孔口設計，但最寬的孔口為溢流表孔，其孔底坎頂高程較高，制約了其過流能力。

3.2.2 壩體結構

(1)壩頂高程僅比校核水位高0.1 m，考慮到壩與進水口相接，壩頂高程偏低。

(2)壩頂公路作為云、貴兩省間交通路，同時考慮監測設施、操作房等結構的布置，公路橋寬僅 3.7 m，不滿足布置及交通要求。

(3)進水口處沒有設置清污平臺，三孔泄洪沖砂孔全為孔口泄洪，無法排除庫區漂浮物，進水口前漂浮物將較嚴重淤積。

(4)重力壩壩體采用細石混凝土砌塊石外包漿砌混凝土預制塊，上游布置混凝土防滲心墻的形式。該結構型式工藝復雜，不易機械化施工，且施工質量不易控制，工期相對較長。

3.2.3 大壩建基面

大壩建基面巖體巖性為石英砂巖、灰巖、泥巖和煤線，巖性復雜且軟弱，同時位于背斜的核部，地層較為破碎；整體巖性的可灌性較差，而且泥巖開挖暴露之后存在遇水泥軟化的現象。因此，存在基礎處理量大量增加的問題。

3.2.4 壩肩穩定及抗滑穩定

兩岸壩肩開挖邊坡較高，右岸高達60.0 m，而兩岸淺表部巖體風化卸荷強烈，裂隙發育，加之巖溶現象較發育，邊坡局部穩定問題突出。

壩基巖層為石英砂巖、灰巖并夾有煤層及泥巖，同時壩基巖層傾向平緩，從產狀和巖性看，對壩體及深層抗滑穩定不利。

4 首部樞紐優化設計

優化設計主要從以下幾個方面開展工作：壩線、壩型選擇，進水口布置，消能防沖設計及筑壩材料選擇。

4.1 壩線選擇

根據可研研究成果及補充地勘資料：大巖洞壩址未有影響壩址成立的制約因素，優化設計維持可研設計推薦的大巖洞壩址，并基于該壩址進行壩軸線選擇。

壩軸線選擇一般原則是盡可能有利于水工建筑物的布置，壩軸線盡可能短；兩岸壩肩岸坡具有良好的地形地質條件，有利于減少壩肩接頭和防滲工程；有利于樞紐的取水、泄洪、防沙、消能、防沖等建筑物的布置。優化設計在壩址區選擇上、下兩條壩線進行了比選，兩壩線相距27.0 m，上壩線為可研階段重力壩壩軸線。各壩線工程地質條件及主要工程地質問題見表1。

從表1工程地質條件比較看，下壩線優于上壩線；從首部樞紐布置看，上、下兩軸線相距27.0 m，地形、地貌一致，樞紐布置格局基本一致。優化設計擬采用閘壩壩型，上壩線河床覆蓋層物質組成相對較復雜且相對較深，對閘基穩定不利，需加大基礎處理工程量；上壩線左岸壩頭部位出露的卸荷溶蝕松弛巖體，需增加邊坡處理工程量。從工程投資定性上分析，下壩線方案優于上壩線，故優化設計推薦下壩線。

4.2 壩型選擇

牛欄江屬山區性多泥沙河流，洪水量大，汛期河水推移質和懸移質泥沙含量較大。壩址區兩岸巖體為二疊系下統的厚層～巨厚狀灰巖、白云質灰巖，兩岸自然邊坡穩定。壩基河床覆蓋層為含泥卵(碎)礫石層，結構單一，允許承載力[R]=0.50～0.55 MPa，其承載能力和抗變形能力滿足閘壩基礎要求。同時，閘壩壩型對工程邊坡開挖量較重力壩小、對邊坡現狀改變較重力壩小、對基礎的處理工程量也較重力壩小。混凝土閘壩結構簡單，混凝土強度高、可靠性高，又易于機械化施工，施工質量能很好地控制。故優化設計推薦采用混凝土閘壩壩型。

表1 各壩線工程地質條件比較

4.3 首部樞紐布置及建筑物

優化設計首部樞紐由擋水建筑物、泄洪沖沙建筑物、左岸電站進水口及下游消能防沖建筑物等組成，見圖1。為保證電站泄洪、沖沙及汛期進水口前的河道漂浮物排泄通暢，泄洪、沖沙建筑物布置在主河道上；進水口緊鄰沖沙閘布置，前緣與壩軸線夾角115°；該布置方式構成“正向泄洪排沙，側向取水”的樞紐體系。

圖1 優化設計首部樞紐布置

4.3.1 擋水建筑物

擋水建筑物由左岸接頭壩段、閘室段和右岸擋水壩段組成，壩軸線長119.2 m。閘頂高程計算成果見表2，考慮地基沉降、安全等因素，確定閘頂高程為1 498.00 m。閘底板高程以盡量不改變原河道水沙運動規律，又能順暢排沙為原則，確定閘底板頂高程為1 473.00 m，此高程與枯水期天然河底高程相當。閘底板厚4.0 m，最大壩高為29.0 m。閘底板上游設置齒槽，齒槽進入基巖。

左岸接頭壩段采用土石回填，頂部布置上壩連接公路。右岸擋水壩段為混凝土重力壩，長48.8 m分為3個壩段，與右岸公路相接；1號壩段為沖沙、泄洪閘檢修門儲門槽壩段，壩頂壩寬17.5 m，上游8.0 m為壩頂公路及人行道，下游布置門機軌道和電纜溝；2、3號壩段為交通壩段，壩頂壩寬8.0 m，下游采用土石回填至高程1 498.00 m，形成9.5 m寬平臺，布置配電房、柴油機房等。閘室段長41.0 m，由三孔泄洪閘和一孔沖沙閘組成。單孔泄洪閘尺寸7.0 m×13.0 m(寬×高)，沖沙閘孔口尺寸3.0 m×8.0 m(寬×高)。在閘室底板及閘墩下部1.2 m范圍內采用12 mm厚鋼板襯砌保護。考慮到壩頂交通及溢流壩的檢修要求，壩頂布置了公路橋(兼工作橋)位于壩頂上游側，公路路面寬6.0 m，兩側各布置1.0 m寬人行道。

表2 閘頂高程計算成果

4.3.2 進水口

進水口由兩孔攔污柵閘、漸變段及進水閘組成，頂高程為1 498.00 m。攔污柵閘寬度按最大引用流量及過柵流速要求確定，單寬8.0 m，順水流方向長為13.0 m，每孔設一道備用攔污柵槽和一道回轉式清污機槽，攔污柵閘基礎置于厚層狀灰巖上，底板頂高程為1 476.00 m，高出沖沙閘底板3.0 m，為防止泥沙躍入進水口內，進水口底板前緣設攔沙坎，進水口底板厚4.00 m。攔污柵閘后為一收縮漸變段，漸變段長為9.0 m，漸變段凈寬由始端的18.5 m漸變至7.0 m，為與攔污柵閘平順連接，其底板頂高程為1 476.00 m。進水閘室長為9.0 m，凈寬為7.0 m，內設一孔口尺寸為7.0 m×7.0 m(寬×高)的事故閘門，以方便檢修引水隧洞。進水閘后緊接引水隧洞。

為改善沖沙效果，在沖沙閘和泄洪閘之間的上游鋪蓋上順水流方向設置一道束水墻，束水墻順水流方向長31.0 m，前段長16.0 m，墻頂高程1 485.00 m，后段長15.0 m，墻頂高程1 490.00 m。攔沙坎與束水墻組成沖沙槽，進水口前加大束水沖沙能力，達到束水沖沙的目的。

由于受左岸地形條件限制，為平順水流，改善進水口水流條件，并防止左岸上游邊坡堆積物在水流作用下進入庫內，在進水口上游靠岸側設一縱向擋水墻。并在進水口上游設清污、檢修平臺，平臺長11.0 m、寬6.5 m，頂高程1 498.00 m。

生態用水放水管布置在左岸進水口內，進口位于高程1 480.00 m，管內徑DN2 000 mm，出口設置兩個閘閥。

4.3.3 消能防沖建筑物

消能建筑由下游護坦和海漫組成，將過閘水流采用急流銜接方式導向下游河床。護坦采用鋼筋混凝土材料，長60.0 m，按抗沖、抗浮穩定要求計算確定厚為3.0 m，底板頂高程1 472.00 m，護坦下設縱、橫向反濾排水軟管。護坦下游設50.0 m長海漫，前20.0 m為鋼筋混凝土海漫，后為鋼筋石籠海漫。

為使海漫末端的下泄水流歸槽效果好，防止對兩岸的淘刷，近壩兩岸采用漿砌石護坡體歸順沖刷岸坡的下泄水流，并用大塊石對兩岸護坡坡腳進行保護，左岸防護約70.0 m，右岸防護約50.0 m。

4.3.4 開挖、支護及基礎處理

兩岸壩頂以上自然邊坡整體穩定，但分布規模不等的危巖體，需進行清除及安全防護。開口線以內開挖永久邊坡采取系統掛網錨噴處理，對護坦、海漫兩岸邊坡采用混凝土框格梁進行支護，臨時邊坡采用隨機掛網噴護。根據工程地質條件、基礎開挖設計及進水口、閘室段和右岸擋水壩段的應力、穩定計算成果，基礎開挖后需對局部進行地質缺陷采取開挖置換或固結灌漿處理，以滿足其基礎承載力要求。

大壩防滲以滿足滲透穩定、控制滲透破壞、盡量減少滲漏量為目的。根據閘址區水文地質條件，結合閘壩布置特點，基礎防滲以垂直防滲為主。左岸帷幕灌漿平洞長144.0 m、右岸長122.0 m，主要利用原勘探平洞擴挖形成。帷幕灌漿平洞內帷幕施工采用分期進行，先期實施洞口段的帷幕灌漿左岸55.0 m、右岸75.0 m，在運行期進行觀測，若滲漏量在可控范圍內，則可不進行處理，否則應采取第二期的處理，以確保滲漏量可控為處理原則。河床部位布置兩排帷幕，帷幕布置在閘底板上游齒槽部位，孔距2.0 m、排距1.2 m，閘基部位帷幕底高程設為1 436.00 m，兩岸抬升至1 478.00 m高程；兩岸采用一排帷幕，孔距2.0 m，最大孔深26.0 m。

4.3.5 水工模型試驗

優化后水工模型試驗表明：

(1)樞紐泄流能力滿足要求，閘孔尺寸和閘頂高程合適；

(2)電站進水口、沖沙閘及泄洪閘前水流流態良好，沒有明顯的立軸漩渦出現；

(3)墩后沒有明顯的水翅現象，護坦內流速分布均勻，消能充分，沒有明顯的回流、旋滾，水流流態平順；(4)護坦出口下游水流左岸流速大于右岸，在海漫出口后至轉彎段，需要進行必要的岸坡防護。

4.3.6 優化設計主要成果

根據牛欄江流域水文泥沙情況、工程區地形、地質條件及工程特點、電站功能要求，從工程的安全、經濟角度出發，對大巖洞工程首部樞紐建筑物進行優化，主要成果為：壩軸線下移約27.0 m，漿砌石重力壩調整為混凝土閘壩，建基面最低高程較可研設計方案上抬18.9 m，最大壩高由47.9 m調整為29.0 m。兩階段首部樞紐建筑物的土建工程量比較見表3，在工程投資上優化較可研減少了2 315.70萬元。

閘壩方案從地質條件、筑壩材料、施工工藝、機械化施工、施工質量的控制、進水口的布置、首部淤積及排沙問題的解決、下游消能防沖及工程量等方面都優于重力壩方案，同時減少了開挖避免引起高邊坡穩定等。

表3 可研與優化設計工程量比較

5 結 語

水電站樞紐布置應綜合流域水文、泥沙情況、工程區地形、地質條件及工程特點、電站功能要求等，確定樞紐中應有的水工建筑物；從工程的安全、可行、經濟角度等出發，確定水工建筑物型式。

大巖洞水電站首部樞紐優化設計后，閘壩壩型更能適應該流域水文特點，壩址區地形、地質條件；大壩施工工藝簡單、施工質量能更好地得到控制；進水口的調整，水流流態更好；減小了因高邊坡開挖引起的邊坡穩定問題；減少樞紐建筑物的工程量、降低了工程投資。

[1] NB/T 35023-2014 水閘設計規范[S].北京：中國電力出版社，2014.

[2] 水工設計手冊：第5卷 混凝土壩[S].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3] 水工設計手冊：第7卷 泄水與過壩建筑物[S].北京：中國水利水電出版社，2014.

2016- 11- 04

尤林(1978-)，男，四川什邡人，高級工程師，從事水電站大壩設計工作。

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1003-9805(2017)04-0001-04