沙灣水電站樞紐設計

摘 要：沙灣水電站為引水式開發，本文介紹了電站的首部樞紐布置、引水系統和廠區樞紐布置及設計特點。

關鍵詞：沙灣水電站；設計；首部樞紐；引水系統；廠區樞紐

中圖分類號：TV73 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）20-0107-02

1 工程概況

木里沙灣電站位于四川省木里縣境內的木里河上，電站采用引水式開發，除發電外尚需兼顧生態環境用水要求。電站安裝4臺單機容量60MW的立軸混流式水輪發電機組，總裝機容量240MW，年發電量12.511億kW·h。閘址位于瓦郎溝溝口下游1.5km處，廠址位于沙灣大橋下游1.5km。閘、廠相距約20km。工程區有216省道與外界相通，距西昌市約400km，交通較為不便。

木里河系雅礱江右岸的一級支流，發源于甘孜藏蔟自治州理塘縣以北的沙魯里山脈。根據木里縣氣象站（高程：2666.6m）1961～1990年資料統計，多年平均氣溫為11.5℃，極端最高氣溫34.1℃（1983年7月3日），極端最低氣溫為-10.6℃（1982年12月31日）。多年平均年降水量為839.9mm，多年平均年降雨天數為133.4d，最大一日降雨量59.9mm（1981年7月25日），多年平均年蒸發量1955.7mm（20cm蒸發皿觀測值），多年平均相對濕度57%，最小相對濕度接近于0，多發生在春季。多年平均風速1.8m/s，最大積雪深度13.0cm。

2 樞紐建筑物設計

沙灣水電站樞紐工程由首部樞紐、引水系統、廠區樞紐等建筑物組成，為低閘引水式電站。

2.1 首部樞紐布置

閘址區覆蓋層結構較為復雜，據鉆孔揭示，河床覆蓋層厚度為22～33m，按其物質組成，結構特征和成因類型，由老至新可分四層：

第Ⅰ層冰水堆積：依其物質組成可分為2個亞層，即①-1漂卵（碎）石層，①-2礫石砂土層，主要殘留于河床底部，埋深19～23m，厚3～12m，滲透性相對較弱。

第Ⅱ層沖積堆積：含漂（塊）砂卵（碎）礫石層，埋深9.5～13m，厚7～12m，結構較密實，滲透性強。

第Ⅲ層沖積堆積：含礫石砂層在閘址區河床中連續分布，頂板埋深一般5～8m，厚度一般3～6m，局部厚達10m，以中細砂為主，含植物碎屑，結構松散。

第Ⅳ層沖積堆積：卵礫石砂層分布于現代河床表層，厚5～8m，局部僅厚1.3m，結構松散，滲透性強。

兩岸基巖裸露，岸坡高陡，物理地質現象主要表現為卸荷與崩塌，據兩岸勘探揭示，閘址區高程（2575m以下）右岸強卸荷帶水平深7～12m，弱卸荷帶水平深15～20m；左岸受小斷層f2、f3的影響，巖體風化、卸荷較強，強卸荷帶水平深達20～40m，弱卸帶水平深達40～60m。

首部樞紐建筑物從右到左由取水口、右岸連接壩段、1孔沖砂閘、3孔泄洪閘及左岸擋水壩組成。建筑物均建于覆蓋層上，閘壩頂部高程為2574.00m，底板頂部高程2553.00m，建基面高程2549.50m，最大閘高24.50m，閘壩軸線長76.20m。正常蓄水位2572.00m，死水位2565.00m。河床覆蓋層最大厚度約為33.00m，采用高壓旋噴樁加固地基，基礎防滲采用混凝土防滲墻結合帷幕灌漿防滲方案，防滲帷幕范圍線深入基巖下1m。基礎加固范圍包括：右岸海曼邊墻及右岸護坦邊墻、閘室段、進水口段。

混凝土防滲墻設計厚度為0.8m，因覆蓋層厚度不大并且滲透性較強，采取封閉式防滲墻，防滲墻伸入基巖1.0m，防滲墻最大深度33m，底部最低高程約為2519.50m，頂部最高高程為2547.00～2553.00m。

帷幕灌漿沿防滲墻中心線布置一排帷幕灌漿孔，防滲墻中心線上游1m布置第二排灌漿孔，間距2.0m，排距1m，孔深根據現場施工情況確定。

左、右岸連接壩段均為混凝土重力壩，左岸連接壩段長為18.30m；右岸連接壩段長為19.90m。

取水口采用胸墻式，胸墻底緣高程為2567.00m，置于河床右岸，為“側向取水，正向泄洪排沙”布置型式。順水流方向，取水口可分為攔污柵段，漸變收縮段和閘室段三段。攔污柵段的底坎高程為2556.00m，單孔孔口尺寸為8.00m×11.00m（寬×高）。進水閘底板高程為2551.50m，孔口尺寸為7.0m×7.0m（寬×高），閘室長度為7.00m，內設一扇平板工作閘門。進水閘后接有壓引水隧洞，設計引用流量為124.08m3/s。

進水口左側設1孔沖沙閘，采用胸墻式，胸墻底緣高程位2563.00m，孔口尺寸為4.00m×10.00m（寬×高）；主河槽設3孔泄洪閘，位于沖沙閘左側，采用胸墻式，孔口尺寸6.00m×7.00m（寬×高），胸墻底緣高2560.00m。

閘前布置10.00m長的混凝土鋪蓋，閘后接混凝土護坦，護坦全長為60.00m，護坦底板厚度為2.50m。兩岸重力式邊墻頂高程為2562.00m。護坦后設置柔性混凝土海漫，長25.00m，寬約44.00m。

2.2 引水系統布置

引水建筑物由進水口、有壓引水隧洞、調壓井、壓力管道組成。

引水隧洞布置在木里河右岸，隧洞穿越區山體渾厚，地質構造復雜，發育4條斷層-圓寶山、尼都、機落、茶布朗斷層，破碎帶一般寬約20～40m，機落斷層寬達100～200m，斷層內為裂隙密集帶、碎裂巖、糜棱角礫巖、石英、少量斷層泥，可見層內錯動帶及板巖、千枚巖地層中揉皺發育。隧洞沿線地層為板巖夾變質石英砂巖、千枚巖或變質石英砂巖夾板巖、千枚巖及板巖夾千枚巖、砂巖，成洞條件較差。根據圍巖條件，隧洞開挖支護階段，采用錨噴、型鋼拱架、大小管棚、超前錨桿等多種支護型式。

隧洞全長18775.723m采用高壓引水，縱坡i=5.1883‰，開挖尺寸為7.2～8.2m，襯砌后為圓形斷面，其襯砌后半徑為3.6m，Ⅲ類圍巖混凝土襯砌厚度30cm；Ⅳ類圍巖隧洞低壓段襯砌厚度40cm；Ⅳ類圍巖隧洞高壓段襯砌厚度50cm；Ⅴ類圍巖襯砌厚度80cm。根據施工布置，洞線平面上共設7個轉點，轉彎半徑均為30m，引水隧洞共設置8條施工支洞，為便于隧洞檢修及清理，在1#、3#、5#、7#施工支洞設置永久檢修門，對0#、2#、4#、6#施工支洞進行永久封堵。

調壓井為開敞式，鋼筋混凝土圓形斷面。井身開挖直徑16.50m，混凝土襯砌厚1.20m，井高140.00m；連接管開挖直徑5.20m，混凝土襯砌厚0.60m，井高50.50m。調壓井最高涌浪水位2313.10m，最高靜水位2572.00m，最低涌浪水位2507.42m。

根據調壓井和地面廠房的布置，壓力管道為雙管埋藏式，在調壓井后分為二條主管，在每條壓力主管道末端分別設置一個對稱“Y”形月牙肋岔管分為兩條支管向二臺機組供水。壓力管道由上平段、斜井段、下平段、蝶閥室及其交通洞組成。壓力管道上平段長83.43m，中心高程2477.6m，縱坡ⅰ=0；斜段長約192.00m（含上、下彎管段），考慮施工方便，斜井傾角為60°；下平段兩條主管分別為208.56m和218.86m，中心高程2309m，縱坡ⅰ=0；壓力管道主管轉彎半徑均為15.0m，主管內徑4.20m，開挖直徑5.40m，兩條主管長度分別為500.77m和511.07m。管道全線采用WDB620高強鋼板襯砌，襯砌外回填混凝土。在上平段設置事故檢修蝶閥室。支管直徑2.80m，最長支管長約28.79m，為適應地基不均勻沉陷，在主管分岔管前及支管進廠前分別設有波紋管，波紋管外部設發泡材料。

2.3 廠區樞紐布置

廠址位于沙灣大橋下游1.5km的Ⅰ級階地上，階地后緣為50～70°的陡坡。覆蓋層厚度為37～43m，按其物質組成，結構特征和成因類型，至下而上可分四層：第Ⅰ層為沖積堆積含漂卵（碎）礫石層，第Ⅱ層為堰塞堆積粉（砂）土層，第Ⅲ層沖積堆積含砂卵（碎）礫石層，第Ⅳ層（碎）礫石土層。

廠房樞紐建筑物由主廠房、副廠房、GIS樓、尾水渠等組成。主機間與安裝間平行于河流呈“一”字型布置。安裝間布置于主機間下游側，GIS樓布置于主機間后側，副廠房布置于安裝間后側，尾水布置在主機間正前方與木里河斜接。如圖1廠房樞紐平面布置圖。

主機間長63.5m，寬21.0m，高22.50m，共安裝四臺60MW立軸混流式水輪發電機組，機組間距14m，兩機一縫。機組安裝高程2309.0m，主機間建基面高程2298.11m，主機間從上至下共分四層布置：發電機高程2320.45m，布置有機旁盤、勵磁柜和吊物孔等。電氣夾層高程2315.7m，發電機從上游側出線，引至高壓開關柜，該層主要布置調速器及吊物孔。水輪機層高程2311.7m，布置有油壓裝置、調速器及吊物孔等。蝶閥層高程2305.5m，布置有蝶閥及檢修排水泵。廠內安裝一臺200t/50t跨度17m的橋式起重機，軌道高程2331.13m。

安裝間長22.02m，寬21.0m，高22.50m，共分上下兩層布置，上層為安裝場，供機組安裝和檢修。上層樓板高程和發電機層同高，為2320.45，進廠大門設在安裝間中部。下層為空壓機層，空壓機層地面高程和電氣夾層同高。布置有空壓機室、透平油庫室、轉子支墩、油處理室和烘箱室等。

GIS樓在主機間后側，長69.5m，寬11m，由電纜夾層、主變層、GIS層、通風等組成。建筑結構為鋼筋混凝土框架結構，框架抗震等級二級，抗震設防烈度為Ⅶ度，使用年限為50年，混凝土強度等級C30。±0.00以上建筑總高度23.8m，建筑總面積2580m2，每層面積860m2。其中主變層與主機間地面同高，GIS層高程為2332.00m，屋面為220kV出線場，高程為2343.00m，各層間通過設于GIS樓一端的樓梯和副廠房一端的樓梯上下聯系。

副廠房布置于安裝間后側與GIS樓呈“一”字型，四層現澆鋼筋混凝土框架結構，每層面積216.6m2，總建筑面積891.1m2，地面高度17.2m，使用年限為50年。地面絕對標高為2320.5m，基礎為笩板基礎。建基面高程2312.50m，地下層為電纜夾層及工具間高程為2315.0m，第一層為低壓配電屏室，高程為2320.45m和安裝間同高。第二層為通訊層（包括辦公室、會議室、值班室、通訊電源室、電氣試驗室和通訊室），高程為2324.80m，第三層為電纜夾層和蓄電池室，高程為2328.8m，第四層為中控室，高程為2332.00m，與GIS樓GIS層同高。

廠房后坡處理：坡面多處可見危巖分布，可能影響下部廠房的正常運行，首先對后坡危石進行清撬，并在陡巖上部設置一道SNS柔性被動防護網，對山頂上部可能下滾的危石進行攔截，對廠區巖石邊坡采用？準28，L=6m的錨桿，￠8@20×20鋼筋網片，噴C20，δ=12cm，間排距2m×2m的系統錨桿進行淺層支護。對于覆蓋層邊坡采用L=60m，1200kN預應力錨索進行深部支護，為增強邊坡整體穩定性，錨索間設置框格梁。框格梁節點均設R51N，@300×300cm，L=5m自鉆式中空注漿錨桿。另外在廠房開挖邊坡開挖線以外范圍設置一道截水溝，防止暴雨沖刷邊坡，同時減少雨水進入廠區，在沿廠房地坪高程上設置排水溝，將廠區散水引入下游排至河中。

廠區基礎處理：為解決廠房地基承載力不足問題，在主機間基礎，尾水擋墻基礎采用高壓旋噴樁加固地基，旋噴樁直徑1.20m，間距2.5m，梅花形布置。

3 主要設計特點

（1）木里河為典型高山峽谷地貌，山區多泥沙河流，為解決好引水、防沙問題，該工程設計借鑒了國內已建類似工程經驗，采用“側向取水，正向泄洪排沙”，組成“導、截、排”多道防線的結構布置。

（2）首部樞紐利用水庫沉沙解決工程泥沙問題，設置了沖沙閘、攔沙坎等必要的引水防沙設施。

（3）由于受地形地質條件的限制，為提高地基承載能力和滿足變形要求，首部樞紐、廠房樞紐基礎采用了高壓旋噴樁加固地基，局部基礎采用了置換方式。

（4）首部樞紐基礎防滲采用混凝土防滲墻結合帷幕灌漿防滲施工方案。

（5）因工程區地質條件原因，巖石屬軟巖，隧洞開挖支護階段采取了型鋼、鋼釬維、超前錨桿、膨脹式錨桿、大小管棚、塌方體空腔回填混凝土等多種支護型式。

（6）廠房后緣邊坡采用了SNS柔性被動防護網和錨桿、錨索、自鉆式中空錨桿、框格梁等加固處理。

（7）為適應地基不均勻沉陷，在主管分岔管前及支管進廠前分別設有波紋管，波紋管外部設發泡材料。

主要文獻

[1]《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）.

[2]《水工建筑物》（中國水利水電出版社）.2004.

收稿日期：2018-6-12

作者簡介：湛建華（1972-），男，四川廣漢人，工程師，大學本科，從事水利水電施工管理工作。