嘉陵江上石盤電航綜合樞紐總體布置設(shè)計(jì)

鞏 緒 威

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200434)

1 工程概況

上石盤電航樞紐工程位于四川省廣元市境內(nèi)的嘉陵江干流上，是嘉陵江干流廣元至蒼溪段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第一級(jí)，下游與亭子口梯級(jí)銜接。本工程采用河床式開(kāi)發(fā)，水庫(kù)總庫(kù)容6 860萬(wàn)m3，正常蓄水位472.50 m以下庫(kù)容5 825萬(wàn)m3，電站裝機(jī)容量30 MW，主要建筑物包括電站廠房、泄洪閘、船閘及兩岸連接段等。電站主要建筑物為3級(jí)，船閘按Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，有效尺度120 m×12 m×3.0 m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)。庫(kù)區(qū)防洪堤已按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)和滿足樞紐工程蓄水要求建成。

泄洪閘、電站廠房、船閘上閘首、左右岸連接段按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核，消能防沖建筑物按30 年一遇洪水設(shè)計(jì)。閘址區(qū)50年基準(zhǔn)期超越概率10%的基巖水平地震動(dòng)峰值加速度為0.108 g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

2 工程建設(shè)條件

嘉陵江流域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，廣元市多年平均氣溫16.1℃，多年平均風(fēng)速1.7 m/s，最大風(fēng)速14.3 m/s，風(fēng)向NNE。壩址以上集水面積26 542 km2，多年平均年徑流量為202 m3/s，3.33%、2%、0.5%的洪峰流量分別為10 300 m3/s、11 300 m3/s和14 200 m3/s。泥沙以懸移質(zhì)為主，多年平均含沙量4.48 kg/m3，多年平均輸沙量2 783萬(wàn)t，入庫(kù)推移質(zhì)輸沙量為18萬(wàn)t。

樞紐河段從嘉陵江干流袁家壩～廣元千佛崖，屬嘉陵江中游起始段，河谷寬緩，寬度一般350～800 m，枯期河面寬度一般100～200 m，河床平均比降0.9‰。兩岸漫灘、高漫灘極為發(fā)育，零星分布有Ⅰ～Ⅱ級(jí)階地，山體大致順河向展布，屬低山丘陵區(qū)。閘址區(qū)砂卵礫石覆蓋層厚度15～23 m，受長(zhǎng)期采砂影響，松散層厚度2～18 m，下伏基巖由砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖組成。弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖飽和抗壓強(qiáng)度為3.5～6.6 MPa，微風(fēng)化～新鮮粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖飽和抗壓強(qiáng)度8.9～14.6 MPa，砂巖結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較低，弱風(fēng)化～微風(fēng)化巖石飽和抗壓強(qiáng)度6.9～15.4 MPa。壩基巖體為中等～弱透水性，粉砂質(zhì)泥巖透水率一般小于5 Lu，泥質(zhì)粉砂巖透水率一般小于10 Lu。

3 樞紐布置

3.1 樞紐布置格局的擬定

上石盤電航工程規(guī)劃壩址河段為“S”形河段，根據(jù)該河段的地形地質(zhì)與通航條件等綜合分析，擬定上壩址(位于上彎段直段)、下壩址(位于下彎段直段)兩個(gè)壩址(相距約3.5 km)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析，選擇了地質(zhì)及通航條件好，樞紐工程投資少，城市景觀效果好的下壩址。

規(guī)劃壩址河段嘉陵江的洪水具有峰高量大、陡漲陡落的特點(diǎn)。推薦壩址區(qū)河道寬度較狹窄，為了獲得較高的泄流能力和便于汛期排沙，泄水建筑物采用開(kāi)敞式平底板寬頂堰全閘布置。由于本工程具有水頭小、流量大的特點(diǎn)，水輪發(fā)電機(jī)若采用燈泡貫流式機(jī)組則出力效率高，且工程投資省。因此，電站廠房采用燈泡貫流式機(jī)組的布置形式。

由于壩址位于“S”形河段的下段，河床右岸灘地發(fā)育，主河槽位于河床的左岸，船閘若布置于右岸，船閘進(jìn)出上引航道困難，需要較長(zhǎng)的上引航道，同時(shí)，右岸灘地開(kāi)挖范圍較大。左岸是河彎段下游的凹岸，河床主河槽位于左岸有利于船只進(jìn)出引航道。經(jīng)綜合分析，船閘適宜布置于左岸。考慮到宣泄大洪水的需要，泄水建筑物布置于主河床。根據(jù)廠房與船閘的相對(duì)位置關(guān)系，研究了左岸船閘右岸廠房方案、左岸船閘左岸廠房的布置格局。

3.2 樞紐布置格局的選擇

(1)左岸船閘右岸廠房布置方案。自左岸至右岸依次布置左岸連接段、船閘、泄洪閘、廠房及右岸連接段，全長(zhǎng)387.8 m，其中左岸連接壩長(zhǎng)40 m、船閘段48 m、泄洪建筑物總長(zhǎng)223.00 m、主機(jī)間段31.3 m，安裝間壩段28.3 m，右岸連接段長(zhǎng)17.2 m。樞紐布置見(jiàn)圖1。

(2)左岸船閘左岸廠房布置方案。自左岸到右岸依次布置左岸連接段、船閘、廠房、泄洪閘、右岸連接段，壩頂全長(zhǎng)386.6 m，其中泄洪建筑物總長(zhǎng)223.00 m、廠房段59.6 m，船閘段48 m、左岸連接段長(zhǎng) 40 m、右岸連接段長(zhǎng)16 m。

圖1 樞紐布置平面示意(單位：m)

(3)樞紐布置格局的比選。

工程地質(zhì)條件：兩個(gè)布置方案主要建筑物基礎(chǔ)均置于弱風(fēng)化的砂巖上，建筑物的抗滑穩(wěn)定及承載力均滿足規(guī)范要求。

工程布置及運(yùn)行：本河段為“S”形河道的下游段河道，左岸為凹岸，河道深泓線偏左岸，兩方案都基本適應(yīng)了原來(lái)的河勢(shì)，可以保證泄洪閘通暢泄洪。左岸船閘右岸廠房布置方案存在枯期主河槽來(lái)水量較小，電站尾水斜向進(jìn)入左岸與下游航道匯合，口門區(qū)及連接段通航水流條件稍差，需要采取一定工程措施；左岸船閘左岸廠房方案將廠房和船閘同岸布置，施工干擾比較大，同時(shí)，電站發(fā)電尾水對(duì)船只進(jìn)出下引航道有一定的影響，需要采取工程措施。此外，電站只能采取垂直進(jìn)廠交通，運(yùn)行管理不便。從工程布置及運(yùn)行方面來(lái)說(shuō)，左岸船閘右岸廠房方案略優(yōu)。

工程施工：兩個(gè)方案均采用分(二)期導(dǎo)流。左岸船閘右岸廠房布置方案河床分期泄流條件好，二期泄水建筑物的泄流能力大，降低了二期施工圍堰高程，對(duì)節(jié)省投資及保證工期有利，且一、二期的施工強(qiáng)度較均勻。兩個(gè)方案施工工期基本一致。

工程投資：右岸廠房方案石方開(kāi)挖工程量比左岸廠房方案少11.56萬(wàn)m3，混凝土少2.232萬(wàn)m3，砂卵石回填少5.64萬(wàn)m3；工程投資少1 428.25萬(wàn)元。

綜上所述，石盤電航樞紐工程樞紐布置采用左岸船閘右岸廠房布置格局。

4 主要建筑物

4.1 泄洪閘

根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，泄水建筑物的基礎(chǔ)處理必須和泄水閘的消能防沖型式相結(jié)合。由于閘基上部為砂卵石覆蓋層，下部為基巖，對(duì)泄水閘砂卵石層的處理研究了大開(kāi)挖巖基建閘、鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)、振沖擠密地基處理和增加閘室底板長(zhǎng)度四個(gè)基礎(chǔ)處理方案，并對(duì)振沖擠密、高壓旋噴樁和靜壓灌漿地基處理方式進(jìn)行了對(duì)比分析。同時(shí)，對(duì)泄水閘的消能防沖型式研究了兩種：

(1)結(jié)合大開(kāi)挖形成的深尾水條件，泄水建筑物消能型式研究了巖基建閘結(jié)合戽流消能方式；

(2)覆蓋層上建閘采用底流消能型式。

從安全可靠性來(lái)看，巖基建閘在防滲和減少閘基變形方面最為可靠，結(jié)合大開(kāi)挖形成的深尾水條件，消力戽消能對(duì)中小流量時(shí)消能效果較好；從施工條件分析，由于采砂后的卵礫石層砂含量小于10%，粗大顆粒集中，穩(wěn)定性差，造孔困難，覆蓋層處理施工工藝要求高，難度大；從工程量及投資方面來(lái)講，巖基建閘結(jié)合戽流消能方案最省。綜合以上技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選用砂卵石層大開(kāi)挖巖基建閘方案，閘室建基面選擇在基巖上。

泄水閘共布置13孔，單孔凈寬均為14 m，其中，靠近廠房3孔兼作沖砂閘。泄水閘邊墩厚度2.5 m，中墩厚度3 m，閘頂高程為476.00 m。閘基置于下伏弱風(fēng)化基巖上，閘底板頂高程457.00 m，順 水流向與消力戽連成整體，長(zhǎng)37 m，自堰頂457.00 m以半徑為1 m的圓弧段與1 ∶1的下游坡直線段相接，下部消力戽半徑為7.5 m，挑坎挑角45°，戽底高程446.95 m，坎頂高程449.15 m。消力戽下游水平開(kāi)挖長(zhǎng)度40～45 m，其中坎后設(shè)長(zhǎng)度為15.64 m、厚1.5 m的C20鋼筋混凝土護(hù)坦，后接8 m長(zhǎng)混凝土海漫，水平開(kāi)挖區(qū)下游以1 ∶4斜坡與下游河床高程455.50 m相接。泄水閘每孔設(shè)工作閘門一扇，為平面定輪鋼閘門；檢修門共一扇，為平面疊梁鋼閘門，交通橋布置在閘室上游側(cè)。閘室結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 泄洪閘閘室結(jié)構(gòu)剖面示意

4.2 電站廠房及開(kāi)關(guān)站

廠區(qū)建筑物包括進(jìn)口建筑物、主廠房、副廠房、尾水渠、開(kāi)關(guān)站及進(jìn)廠交通等。

進(jìn)口建筑物包括攔沙坎、上游廠閘導(dǎo)墻、進(jìn)水前池等。攔沙坎坎頂高程462.00 m，平面呈橢圓線型布置，與上游廠閘導(dǎo)墻相連，將推移質(zhì)泥沙導(dǎo)入沖砂閘并排至下游，導(dǎo)墻為半重力式混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)34 m，墻頂高程473.00 m。前池最低高程446.44 m，向上游以1 ∶3坡比至457.00 m，岸坡采用貼坡式鋼筋混凝土擋墻或護(hù)坡結(jié)合錨桿支護(hù)。

廠房與進(jìn)水口、尾水平臺(tái)形成整體，建基面高程436.50～444.44 m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)58.05 m，河床式布置，正向進(jìn)水，分2孔，每孔凈寬7.9 m，進(jìn)水口底板高程設(shè)為448.44 m，電站水頭范圍為10.3～16.0 m，額定水頭為13.4 m，安裝2臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組，水輪機(jī)安裝高程448.61 m。主機(jī)間段長(zhǎng)31.3 m，安裝間段長(zhǎng)28.3 m，兩者并排布置；副廠房布置在主機(jī)間下游側(cè)。尾水管采用平直管，出口設(shè)2扇平面鋼閘門，出口處底高程為445.05 m。檢修平臺(tái)高程463.00 m。

尾水渠前段采用1 ∶5反坡由445.05 m高程過(guò)渡至454.50 m高程，平坡段長(zhǎng)50 m，其后以1 ∶40的緩坡過(guò)渡到455.50 m下游河床相接。為減少泄洪閘下泄洪水對(duì)尾水渠及右岸岸坡的影響，尾水渠與沖砂閘消力池之間布置鋼筋混凝土廠閘導(dǎo)墻；右岸岸坡采用衡重式混凝土岸墻、鋼筋混凝土護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)。

開(kāi)關(guān)站布置在安裝間下游側(cè)岸上，主變室、GIS室平面尺寸為15.74 m×11.24 m，室外地面高程473.70 m。廣房橫剖面如圖3所示。

圖3 廠房橫剖面示意

4.3 船閘

船閘由上引航道、上閘首、閘室、下閘首和下引航道組成，總長(zhǎng)度1 056 m，設(shè)計(jì)最大通航流量為Qp=33.3%=4 820 m3/s，上、下游最高通航水位分別為472.50 m和465.30 m，最低通航水位分別為461.62 m和458.05 m。上引航道位于庫(kù)區(qū)，底高程458.62 m，寬40 m，直線進(jìn)閘、曲線出閘，外引墻長(zhǎng)155 m呈折線布置；內(nèi)引墻布置在左岸，導(dǎo)航段長(zhǎng)120 m，呈直線布置，調(diào)順段長(zhǎng)200 m，停泊段長(zhǎng)120 m順岸布置7個(gè)靠船墩。上、下閘首口門寬度均為12 m，采用人字鋼閘門為工作門。上閘首順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)30 m，內(nèi)外邊墩寬度均為15 m，墩內(nèi)設(shè)有輸水廊道、工作閥門井、檢修閥門槽、啟閉機(jī)械及控制室等，墩頂高程為476.00 m；閘室長(zhǎng)120 m，底高程455.05 m，閘墻內(nèi)布置有輸水廊道，墻頂高程474.10 m；下閘首長(zhǎng)30 m，內(nèi)外邊墩寬度均為12 m，墩頂高程為474.10 m。下引航道寬40 m，底高程455.05 m；外引墻平行于船閘軸線呈直線布置，長(zhǎng)120 m；內(nèi)引墻導(dǎo)航段長(zhǎng)120 m，呈折線布置，調(diào)順段161 m，停泊段長(zhǎng)120 m順岸邊布置7個(gè)靠船墩。

船閘分二期實(shí)施，在本工程二期導(dǎo)流期間，完成上游航道導(dǎo)墻、上閘首及閘門、啟閉機(jī)安裝，具備蓄水條件，其余船閘工程后期實(shí)施，實(shí)施前閘室及下閘首段長(zhǎng)150 m所在范圍開(kāi)挖成穩(wěn)定岸坡，并采取防護(hù)措施，防止下泄洪水沖刷。

5 水工整體模型試驗(yàn)

為驗(yàn)證樞紐工程是否滿足行洪、下游消能防沖、閘門運(yùn)行方式等的要求，本工程做了樞紐水工模型試驗(yàn)。試驗(yàn)采用正態(tài)模型，模型比尺1 ∶100，模擬河段為閘上游700 m、下游2 000 m。主要結(jié)論如下：

(1)在同一水位條件下，實(shí)測(cè)泄流能力大于計(jì)算泄流能力，泄洪閘的泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求；

(2)戽式消能的下游水位銜接較好，水面線較為平穩(wěn)，能滿足消能設(shè)計(jì)要求，不會(huì)給工程帶來(lái)明顯的不利；

(3)科學(xué)合理的調(diào)度對(duì)減少航道和閘壩下游淤積作用明顯。具體調(diào)度方案應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)進(jìn)行調(diào)整；

(4)通過(guò)控制閘門的開(kāi)啟方式和不同開(kāi)度分別進(jìn)行了下泄流量Q為2 000 m3/s、3 000 m3/s、5 000 m3/s、11 300 m3/s四級(jí)流量情況下，船閘進(jìn)出口存在一定范圍的回流，上、下游引航道最大泥沙淤積厚度約1.4 m和1.6 m，基本滿足通航要求，必要時(shí)采用疏浚或輔以高壓水槍等途徑來(lái)處理。

5.1 泄洪閘下游消能防沖設(shè)計(jì)及單體模型試驗(yàn)

可行性研究階段在泄洪閘消力戽下游設(shè)置長(zhǎng)20 m、厚3 m的鋼筋混凝土護(hù)坦，其后以1 ∶5逆坡與下游河床高程455.50 m相接，并采用1.5 m厚鋼筋混凝土或鋼筋籠卵礫石海漫防護(hù)，長(zhǎng)度為55 m。施工圖設(shè)計(jì)階段，原設(shè)計(jì)護(hù)坦及海漫范圍砂礫石層大部分被開(kāi)采或挖除，下游水深加大，對(duì)消能有利。經(jīng)消能防沖專題研究，補(bǔ)充了泄洪(沖砂)閘單體模型試驗(yàn)，并參照《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》(第二版)關(guān)于消力戽計(jì)算相關(guān)公式進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。復(fù)核計(jì)算表明，隨下泄流量增加，流態(tài)基本呈臨界戽流-穩(wěn)定戽流-淹沒(méi)戽流，產(chǎn)生穩(wěn)定戽流及淹沒(méi)戽流所對(duì)應(yīng)的下游水位范圍較寬，且較穩(wěn)定；下游河床為基巖時(shí)，消力戽下游沖坑深度為0～6 m，距戽坎大于26 m，滿足允許沖坑后坡ik=1/2.5～1/5沖刷影響范圍要求。因此，坎后長(zhǎng)度15.6 m范圍河床采取末端帶齒墻的鋼筋混凝土短護(hù)坦保護(hù)，其下游除兩岸岸坡外對(duì)河床不再進(jìn)行專門防護(hù)。單體模型試驗(yàn)采用正態(tài)模型，比尺1 ∶50，試驗(yàn)成果表明：

(1)敞泄工況下流態(tài)穩(wěn)定、水面波動(dòng)小；局開(kāi)工況下閘后河道底部存在漩渦區(qū)；各工況下最大臨底流速為1.1～5.3 m/s，最大平均流速為1.6～6.2 m/s。

(2)在正常水位閘門局開(kāi)1 m工況下，堰面斜坡直線段上切點(diǎn)處存在2.35 kPa的負(fù)壓，其余測(cè)點(diǎn)均為正壓，溢流面流速約8 m/s，出現(xiàn)空蝕破壞的可能性很小。

(3)在校核、設(shè)計(jì)及正常水位閘門開(kāi)度小于5 m工況運(yùn)行，下游沖坑均未到達(dá)基巖。

5.2 電站取水防沙及排水廊道水工模型試驗(yàn)

閘址處多年平均懸移質(zhì)輸沙量為2 783萬(wàn)t，多年平均含沙量4.48 kg/m3，入庫(kù)推移質(zhì)輸沙量為18萬(wàn)t。攔沙坎設(shè)置在進(jìn)水渠的上游，攔沙坎將大量推移質(zhì)導(dǎo)入沖砂閘，排至下游。為減少過(guò)機(jī)泥沙，可行性研究階段進(jìn)水口底板首部設(shè)置沖沙廊道，斷面尺寸為2.0 m×4.0 m(寬×高)，經(jīng)彎段轉(zhuǎn)入左邊墻內(nèi)，漸變?yōu)?.5 m×4.0 m的沖沙孔，設(shè)置檢修閘門和工作閘門各一扇，將淤沙通過(guò)沖沙孔排入泄洪閘消力池內(nèi)。

電站取水防沙試驗(yàn)表明：設(shè)置攔沙坎能有效地阻隔沿床岸運(yùn)動(dòng)的泥沙進(jìn)入攔沙坎內(nèi)。廊道排沙效果試驗(yàn)表明：口門附近局部區(qū)域的最大拉沙率不超過(guò)45%，僅依賴于廊道單獨(dú)運(yùn)行來(lái)拉沙，則其淤積的泥沙僅能部分地被拉走；在排沙廊道進(jìn)口上方設(shè)立懸梁板的試驗(yàn)表明：拉沙范圍雖有所增大，但相對(duì)于電站前池的總面積來(lái)說(shuō)仍然很有限。

根據(jù)新店子水文站1966～2007年(其中1968年、1969年和1996年缺測(cè))實(shí)測(cè)懸移質(zhì)顆粒級(jí)配資料，壩址懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配計(jì)算成果見(jiàn)表1。施工圖階段考慮到入庫(kù)泥沙較細(xì)，閘前水位較高，結(jié)合模型試驗(yàn)成果以及水庫(kù)運(yùn)行方式，取消了沖沙廊道，必要時(shí)，采用機(jī)械清淤方式清除電站前池內(nèi)的淤積泥沙。

表1 壩址多年平均懸沙級(jí)配成果

6 結(jié) 語(yǔ)

上石盤電航樞紐工程于2013年10月正式開(kāi)工建設(shè)，2015年12月31日水庫(kù)下閘開(kāi)蓄水，2016年2月全部機(jī)組并網(wǎng)成功。目前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明各建筑物運(yùn)行良好。

受河道水流條件和河勢(shì)等影響，樞紐各建筑物的設(shè)計(jì)布置不可能盡善盡美，但通過(guò)水工模型試驗(yàn)論證達(dá)到改善樞紐工程各建筑物的運(yùn)行條件，以取得較佳的布置方案和運(yùn)行流態(tài)。泄洪閘采用覆蓋層大開(kāi)挖巖基建閘結(jié)合消力戽消能方案，適應(yīng)閘址自然條件和樞紐的運(yùn)用要求，節(jié)省投資；泄洪閘啟閉機(jī)大梁采用型鋼混凝土梁，減少自重，有利于排架抗震，又方便了施工。

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