牛欄江某水電站樞紐布置優化設計若干問題淺析

趙 艷，尤 林，楊興義，熊先濤

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

某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，其左岸為云南省會澤縣，右岸是貴州省威寧縣。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3.831 2億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、防洪等綜合利用要求。本工程等別為Ⅲ等工程，其永久性主要水工建筑物按3級設計，次要永久性水工建筑物按4級設計，臨時性水工建筑物按5級建筑物設計。

該項目可研階段設計工作并非我公司承擔，并已經完成并通過了政府的核準，業主委托我公司進行可行性研究優化設計及施工圖階段的設計。

對于首部樞紐建筑物，結合壩址區補充地勘資料，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，原可研方案漿砌石重力壩壩型調整為閘壩壩型更為適合，并可減少樞紐建筑物的工程量、降低造價。根據最新地形、地質勘探資料，考慮到工程施工期和運行期的安全、施工難度等，調壓井、廠房的布置也有必要進行調整優化。

1 原樞紐布置方案

大巖洞樞紐布置包括攔河壩、左岸引水系統和發電廠房。攔河壩采用混凝土砌石重力壩壩型，壩軸線直線布置，與下游河道方向基本垂直。攔河重力壩由泄洪沖沙壩段和非溢流壩段組成。壩頂總長142.00 m，壩頂高程1 498.90 m，最大壩高47.90 m，非溢流壩段壩頂寬6.00 m，總長97.00 m。泄洪沖沙壩段長度45.00 m，由一孔開敞式溢流表孔及三孔泄洪沖沙底孔組成。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，放水管出口設DN2 000 mm閘閥兩個。布置采用底流消能型式，消力池長50.00 m，寬41.00 m ，消力池尾部設尾坎，坎后接長15.00 m的護坦。首部樞紐布置見圖1。

圖1 首部樞紐布置示意(原可研方案)

引水系統布置于左岸山體中，由進水口、壓力引水道、調壓室、地下埋藏式壓力鋼管段(岔管、支管)等組成，總長度6 446.76 m，采用1管3機的布置方式。進水口位于攔河壩前的左岸，壩頂高程1 498.90 m。進水口與引水隧洞之間采用直接進洞的方式銜接。引水隧洞長6 189.89 m，圓形斷面，其直徑為6.90 m。壓力管道主管直徑6.0 m，與廠房軸線成90°角，在廠房前經兩次分岔管后分為3條直徑3.20 m的支管連接蝶閥進口。

發電廠房位于大坪子下游側，采用地面廠房。主機間長43.50 m，寬18.50 m，安裝場布置在主機間右側(上游側)，長24.80 m， 寬18.50 m，副廠房(中控樓)布置在緊靠安裝間的靠山一側，尺寸為24.80 m×13.00 m(長×寬)，共三層。GIS室(長43.50 m×寬10.20 m)布置在主廠房的后方。電站發電機層高程1 407.10 m，水輪機層高程1 401.10 m。

2 原可研設計中存在的問題

2.1 首部樞紐

2.1.1 樞紐布置

(1)從首部樞紐模型試驗的效果看，壩前進水口流態不穩定，下泄水流流態較差且消能效果不理想，消力池和護坦長度不夠，消能不充分，對下游河床及岸坡的沖刷較大。

(2)校核洪水位控制壩頂高程，很不經濟。校核洪水位高于正常蓄水位2.80 m，如非受制于天然河床寬度及地形條件限制，出現這樣的情況是不適宜的。從河床寬度及目前的首部樞紐布置方式來看，最寬的孔口為溢流表孔，底坎頂高程過高，大大限制了其過流能力，需要研究加大溢流表孔泄洪能力的可能性，將校核洪水位降至正常蓄水位以下，以降低壩頂高程，節約工程投資。

2.1.2 壩體結構

(1)壩頂高程僅比校核水位高0.10 m，考慮到壩與進水口相接，壩頂高程偏低。

(2)溢流表孔弧形閘門與檢修閘門的布置不合理，影響壩體的結構設計。

(3)考慮監測設施、操作房等結構的布置，壩頂寬度需要增加，壩頂面積可能需要加大。

(4)進水口處沒有布置清污平臺，靠進水口側壩體全為孔口泄洪，無法排除庫區漂浮物，進水口前漂浮物淤積較嚴重。

(5)右岸開挖深度、開挖方式導致右岸擋水壩壩肩開挖量較大。

(6)前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，施工質量不易控制，工期相對較長。

2.1.3 大壩建基面

河床建基面置于弱風化的二疊系梁山組地層之上，開挖深度25.00 m，并進行灌漿處理。建基面巖體巖性為石英砂巖、泥巖、少量灰巖和煤線，巖性復雜且軟弱，同時位于背斜的核部，地層較為破碎。由于頁巖、泥質砂巖的可灌性較差，泥頁巖開挖暴露之后存在遇水泥化、軟化的現象，也可能存在增加基礎開挖深度的問題。

2.1.4 防滲排水

根據報告描述，壩址區灰巖的巖溶現象發育。從現場勘查情況來看，右岸導流洞和兩岸壩頂高程的勘探平洞在水平埋深100.00 m范圍內，其溶洞發育，現有勘探未找到巖溶發育的水平埋深。鉆孔揭示，壩址區巖層的透水率遠大于設計要求的“小于5Lu”，但是可研報告中防滲帷幕的范圍、厚度、帷幕的滲流穩定性、巖層可灌性，以及帷幕在溶洞、溶穴中的處置措施等方面都沒有相關論證。

2.1.5 壩肩穩定

根據樞紐方案，兩岸壩肩開挖邊坡較高，右岸高達60.00 m，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，高邊坡局部穩定問題突出。可研報告中對此沒有進行深入研究，但可研報告的審查意見要求下階段對壩肩邊坡穩定進行進一步復核。

2.1.6 抗滑穩定

壩基巖層為淺灰、淺棕色石英砂巖、灰質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。

2.1.7 庫 區

上游庫區以及近壩庫岸發育有泥石流溝，且規模較大，但對工程樞紐的影響沒有展開研究，也沒有任何處理措施。可研報告的審查意見明確了水庫淤積問題嚴重并建議進行處理，但是可研報告并無具體處理措施和工程造價。

2.1.8 下游河岸防護

下泄水流對河床及岸坡的沖刷問題突出，需要補充研究防沖加固措施。

2.1.9 地勘工作的深度

大壩建基面的確定及抗滑穩定計算對地勘深度的依賴性較強。地質條件的好壞直接影響到設計方案的成立與否。從原可研報告的成果來看，河床僅有一個鉆孔資料，地勘工作嚴重不足，這會導致后期設計調整與變更的可能性加大。

2.1.10 施 工

由于巖溶發育和基礎開挖深度較大，且河床基礎開挖時涌水較大，施工困難。

2.1.11 運行方式

原可研設計泥沙調度擬定的沖沙條件為：過機泥沙影響機組安全運行時敞泄沖沙，但該條件不具備可操作性，實際運行中并不能準確判斷敞泄沖沙的時間。當流量大于廠房校核標準流量時沖沙，廠房校核標準為200年一遇洪水，所定敞泄沖沙的流量太大，而在實際運行中水庫基本不沖沙，汛期基本常年維持1 490.00 m高程運行，并且由于大巖洞水庫庫容較小，入庫推移質泥沙及懸移質粗砂將很快淤積至電站進水口前。

對于本工程而言，滿足工程設計需要精度的水工及泥沙模型試驗是有必要的。鑒于所擬的水庫運行方式存在上述問題，需要再度進行引水防沙模型試驗確定合理的引水防沙調度方式。

2.2 引水系統

2.2.1 地質資料

按照報告中對圍巖的分類：圍巖Ⅱ類占總長度的84.2%；Ⅲ類占總長度的14.9%；Ⅳ類占總長度的0.2%；Ⅴ類段占總長度的0.7%。根據導流洞、壩址平硐和工程經驗判斷，灰巖地層的圍巖類別基本為Ⅲ類，部分斷層破碎帶、擠壓破碎帶、裂隙發育段和巖溶發育段為Ⅳ～Ⅴ類，所以可研報告判斷的圍巖類別明顯偏高。

2.2.2 調壓室布置及結構

根據現場踏勘的情況，考慮埋藏式調壓室上覆巖石受風化卸荷的影響，調壓井穹頂上覆巖體厚度較薄(僅幾米厚)且井筒跨度大，施工中穹頂巖體穩定問題突出，穹頂成洞及施工困難；調壓井井筒直徑大，開挖及混凝土施工都較為不便。

2.2.3 開挖底坡設計

引水隧洞全段采用3‰底坡設計。結合地質資料，隧洞下方分布的梁山組層對隧洞結構存在不利影響，導致襯砌厚度加大，這就造成了工程量和投資的增加。

2.3 廠區樞紐

2.3.1 廠房位置

結合可研報告和現場踏勘情況，廠址后邊坡中上部卸荷裂隙發育，規模較大，下部為一凹槽地形，后坡覆蓋層厚8.00～12.00 m，遇暴雨時廠房存在山洪沖涮風險；施工期和運行期還存在危巖體崩塌、掉塊的安全風險。

2.3.2 廠房穩定及地基應力

本電站校核洪水位高，由可研成果可知，廠房水下高度為25.87 m。根據工程經驗，廠房抗浮、抗滑穩定安全及基礎應力問題較為突出，應進一步復核。

2.3.3 邊坡穩定

廠房基礎置于基巖上，開挖坡比1:0.3，后邊坡永久高度約40.00 m，臨時邊坡最大高度約60.00 m。邊坡較陡，邊坡穩定及支護有待進一步復核。

2.3.4 尾水出流及防沙

本電站正常尾水位與下游梯級正常蓄水位重疊約7.00 m，尾水采用正向出流的布置形式，設攔砂坎和疊梁閘進行防沙。該段河道泥沙較多，尤其在下游電站建成后，本電站直接處于庫尾，泥沙淤積將導致尾水出流不暢。

2.3.5 進廠交通布置

廠房從上游側進廠。從現場踏勘情況來看，現場上游側并無公路相通，且臨河側邊坡高陡，與已有公路高程約有50.00 m高差，進廠交通布置存在較大難度。

3 優化布置設計

大巖洞水電站工程可研優化方案和原可研方案樞紐布置總體格局一致，由首部樞紐、左岸引水系統、左岸地面廠區樞紐三部分組成。壩址沿用原可研推薦的上壩址(大巖洞壩址)，對壩軸線和壩型、引水隧洞線路、廠房型式及廠址進行了方案比選。

3.1 壩軸線選擇

壩軸線選擇越短工程量越省。兩岸壩肩岸坡具有良好的地形地質條件，不僅有利于減少壩肩接頭和防滲工程量，還有利于樞紐的取水、防沙、消能、防沖等其它建筑物的布置。在壩址區選擇了兩條壩線進行比選，上下壩線相距27.00 m，上壩線為原可研重力壩壩軸線(見圖2)。各壩線工程地質條件及主要工程地質問題見表1。

圖2 上下壩線比較

結合原可研和補充地勘資料對比分析，從首部樞紐布置看，上下兩軸線相距27.00 m，地形、地貌一致，樞紐布置相同。上壩線河床覆蓋層物質組成較復雜且相對較深，對閘基穩定不利，需加大基礎處理工程量，增加投資。上壩線左岸壩頭部位出露的卸荷溶蝕松弛巖體需工程處理，增加投資。從水工布置及投資定性上分析，下壩線方案優于上壩線。

3.2 壩型選擇

從兩岸壩基的工程地質條件來看，兩岸壩基置于二疊系下統的厚層～巨厚狀灰巖、白云質灰巖上，基巖開挖深度20.00～35.00 m，弱風化下段、弱卸荷巖體。兩岸自然邊坡穩定，采用閘壩壩型對工程邊坡開挖量及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。同時，壩基河床覆蓋層為含泥卵(碎)礫石層(alQ4)，其厚度約為10.00 m，結構單一，允許承載力R在0.50～0.55 MPa間，其承載能力和抗變形能力基本滿足閘壩基礎要求。

經過對河道的上下游地形地質條件和水流特性進行分析，應盡可能減少對原來河道的水、沙運動特性的改變，使汛期泥沙能順利下泄，防止水庫發生累積性淤積。借鑒國內已建類似工程經驗，本工程采用混凝土全閘控制水流，枯水期河流泥沙少，水庫蓄水至正常蓄水位運行；洪水期水量大，推移質、懸移質多，需降低庫水位，大排大泄，并進行溯源沖沙，排除水庫淤積和洪水帶來的泥沙。同時，沖沙閘采用不定期敞泄沖沙，保證進水口“門前清”。該閘壩布置型式能有效解決引水、沖沙問題，保持水庫日調節庫容；在泄洪消能布置上，有利于上下游水流銜接，減小洪水對下游的沖刷。

表1 壩址區比選壩線主要工程地質條件比較

3.3 引水隧洞線路選擇

在可研優化初期，根據2號施工支洞布置調整并結合現場的地形條件，設計人員提出了新的上廠址布置方案。新增上廠址方案位于可研廠址位置上游約900.00 m處，該方案裝機容量不變，具有洞線較短、工程量及水頭損失較小等優點。為此，項目部開展了上廠址方案引水隧洞洞線、調壓井、壓力管道及廠房的布置設計工作，同時進行相應的地勘工作。地質鉆孔資料表明：調壓井選址范圍內均為分布寬廣、深厚的“鈣化臺”，且主體建筑物多位于中下部松散的碎石土層內，其工程性狀差，對于開挖直徑約25.00 m、高45.00 m規模的大型硐室，成洞條件極差，工程處理難度較大；壓力管道上平段及上彎段(或部分豎井段)位于松散的碎石土內，同樣成洞條件差，工程處理難度大，不具備布置調壓井和壓力管道的條件，因此仍然采用可研的下廠址方案。

3.4 廠房型式及廠址選擇

本工程規劃廠區河段內岸坡較緩，具備布置地面廠房的條件。根據工程經驗，地下廠房具有工程投資大、施工難度大的特點，且本工程區為灰巖地形，局部巖溶發育，風險較大，故本階段仍選定地面廠房方案。

本工程可研選定地面廠房(下廠址)位于大坪子村下游側岸邊，相應調壓井布置于后側山體內，施工難度大。經現場踏勘，在上游約900.00 m處二坪子村一帶岸坡前緣較緩，至高程1 500.00 m后，地形變陡，形成近30.00 m的陡坡，坡頂出露平緩臺地，坡度5°～10°。如將廠房布置在岸邊，相應調壓井布置在坡頂平臺，能降低調壓井施工難度，從地形條件看，滿足工程布置需要且施工難度小。故將此處作為比選廠址(上廠址)進行地質勘探和綜合比較。

根據地表調查及勘探揭示，上廠址斜坡部位淺表部出露崩坡堆積物，厚度在1.50～6.00 m之間，下部出露泥盆系上統的灰巖，巖體堅硬較完整；后部陡坡及坡頂平臺部位出露鈣化角礫巖，厚度約21.00 m，以下分布有厚度較大的碎石土層，為早期崩坡堆積物，表現為典型的“鈣化臺”結構類型。

根據地質條件，上廠址廠房基礎置于基巖上，廠房基礎條件尚可，但相應調壓井及壓力管道需布置在后側角礫巖和碎石土層內，成洞條件極差，無法滿足工程需要，故本階段仍將下廠址作為選定廠址。

3.5 優化方案工程總體布置

綜合壩址、壩線、壩型、左岸引水線路、廠址及廠房型式的選擇結論，本工程推薦采用：原可研壩址下壩線閘壩-左岸有壓引水隧洞-左岸地面廠房的工程總布置方案。樞紐主要建筑物由首部樞紐、引水系統和廠區樞紐三大部分組成。

首部樞紐包括右岸擋水壩段、閘室段、左岸接頭壩段、左岸電站進水口及下游消能、防沖建筑物等。閘室段寬41.00 m，長41.00 m，由3孔泄洪閘和1孔沖沙閘組成，閘底板頂高程1 473.00 m，閘頂高程1 498.00 m。單孔泄洪閘尺寸7.00 m×13.00 m(寬×高)，沖沙閘尺寸3.00 m×8.00 m(寬×高)。右岸擋水壩為混凝土重力壩，分為3個壩段，長48.77 m，壩頂高程為1 498.00 m；左岸接頭壩段采用了土石回填，頂部布置上壩連接公路，公路路面高程1 498.00 m。左岸電站進水口前緣線與閘軸線呈115°夾角，其寬23.50 m，長31.00 m，頂高程1 498.00 m，底板頂高程1 476.00 m。消能防沖建筑物由護坦和海漫組成，護坦長60.00 m，海漫總長50.00 m；海漫前20.00 m為鋼筋混凝土海漫，后30.00 m為鋼筋石籠海漫。生態用水放水管布置在左岸進水口，進口位于高程1 480.00 m，管內徑DN2 000 mm，出口設置兩個閘閥。左岸連接壩段采用土石回填，頂部布置上壩連接公路，公路路面高程1 498.00 m。

引水隧洞采用有壓引水形式，隧洞從進水口至調壓室全長6 216.90 m，隧洞斷面為圓形，斷面半徑為3.45 m。調壓室基本位于原可研調壓室處，由原可研的埋藏式調整為開敞式。調壓室采用阻抗式，井筒斷面采用圓型，直徑23.00 m，調壓室后接地下埋藏式壓力管道，采用一條主管通過兩個非對稱“Y”型岔管分別向三臺機組供水的布置方式，主管內徑6.00 m，總長約206.76 m；支管管徑3.20 m，總長約107.00 m。

廠區建筑物包括主廠房、主變和GIS樓、中央控制樓、尾水閘及尾水渠、進廠公路及回車場等，采用全地面布置型式。主機間與安裝間平行于河流布置，安裝間布置于主機間下游側，其中主機間長度47.40 m，安裝間長度21.80 m，寬度均為19.00 m；主變和GIS樓布置于主機間后側，長度47.40 m，寬10.00 m；中央控制樓布置在安裝間后側，長21.80 m，寬10.00 m。尾水采用斜向出流布置，尾水自機組出流后向河道偏轉約70°，廠房采用下游側平行進廠。

4 優化方案與可研設計方案的比較

4.1 首部樞紐

可研優化方案與原可研方案首部樞紐布置總體格局一致，由左岸進水口、攔河大壩、消能防沖建筑物等組成。主要優化調整如下。

(1)閘壩方案對地質條件的適應性更優。根據重力壩承載及變形的要求，現壩址區地形地質條件較為復雜，巖溶現象較發育，經針對性的工程處理后，具備建壩的地形地質條件。但壩址河床分布的覆蓋層及其下伏淺部基巖，力學性狀差，對抗滑穩定也有不利影響。因此，重力壩方案對地質條件的適應性相對較差，而閘壩方案對工程地質條件的適應性相對較優。

(2)下壩軸線優化調整。優化方案壩軸線在原可研方案壩軸線下游約27.00 m，下移后覆蓋層厚度減少約2.30 m，其組成物相對單一，可避開不利于建基的砂層和黏土層，覆蓋層承載能力增強，滿足建閘需要。下閘線建閘閘基可置于覆蓋層上，底部建基面可抬高18 m左右，可較大幅度減少基礎開挖量及筑壩材料量等，且壩軸線下移后可避開上壩線左岸壩頭部位出露的卸荷溶蝕松弛巖體。結合上下壩軸線地質條件的分析與比較，閘壩方案可較大地節約工程量，降低首部樞紐工程投資。

(3)筑壩材料強度高。原可研方案采用重力壩壩型，材料采用細石混凝土砌塊石，外包漿砌混凝土預制塊；可研優化方案采用閘壩壩型，材料采用常態混凝土。閘壩方案混凝土強度高，可靠性高。

(4)施工方面優勢明顯。從施工工藝看，重力壩方案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，工藝復雜，不易機械化施工，施工質量也不易控制；而閘壩方案采用常態混凝土施工，工藝簡單，易于機械化施工，能把控好施工質量。

(5)有利于解決泥沙問題。由于牛欄江汛期泥沙含量大，推移質泥沙多，泥沙問題突出。因此，解決進水口的引水防沙及汛期束水沖沙，并保證水庫沖沙、排沙、控制水庫淤積及進水口“門前清”是本工程的關鍵問題之一。原可研重力壩方案設一孔開敞式溢流表孔及三孔泄洪沖沙底孔，泥沙調度擬定的運行方式在運行中水庫基本不沖沙，入庫推移質泥沙及懸移質粗沙將很快淤積至電站取水口前，進而給工程的正常運行帶來負面影響。閘壩的堰頂與河床同高，相比之下更有利于解決水庫淤積及排沙問題。

(6)進水口布置更合理。原可研方案進水口取水角為90°，而可研優化方案進水口取水角為115°。根據水力學模型試驗成果并類比相關工程經驗可知，在各運行工況下，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，可研優化方案進水口布置更加合理。

(7)消能防沖更有利。根據大巖洞水電站水文、地質條件，結合原可研方案和可研優化方案水力學模型試驗成果得出，可研優化方案消能更加充分，對下游河道沖刷更小。

(8)開挖、基礎處理及筑壩材料工程量大幅減少。優化方案在開挖量、基礎處理及筑壩材料量上較原可研方案少，特別是石方明挖、帷幕灌漿、固結灌漿量可研優化方案較原可研方案分別減少15.66萬m3、0.92萬m、1 520 m，筑壩材料可研優化方案減少5.27萬m3；可研優化方案在鋼材使用上較原可研方案有所增加：鋼筋增加183 t，新增Q345C鋼板132.4 t。

4.2 引水系統

(1)引水隧洞路線的調整。廠址采用原可研的下廠址上移30.00 m的方案，配合施工支洞布置的調整、廠址的調整進行洞線布置的優化設計。其中，電站進水口在原可研方案的基礎上往下游移動了約30.00 m，后續的P2、P3轉彎點轉彎參數也做了調整，使洞線銜接更平順。原可研方案2號施工支洞所處位置為覆蓋層，不利于其布置，現場將2號施工支洞沿河道往下游調整約1 008.00 m，引水隧洞洞線P4轉彎點根據2號施工支洞的調整，往下游移動了約1 008.00 m，并根據隧洞沿線地形往山體內移動約50.00 m；考慮到機組中心線在原可研方案的基礎上往上游移動了約30.00 m，為保證隧洞和壓力管道平順連接，在調壓室上游增設了一個轉彎點P6，P6點位于調壓室上游約50.00 m處。優化洞線長約6 216.90 m。

(2)引水隧洞縱坡優化節省襯砌結構工程量。原可研方案洞線全線采用3‰底坡設計。優化設計階段根據洞線縱剖面的地質條件，結合隧洞下方的梁山組層的分布情況，隧洞部分洞段縱坡調緩，應盡量避開或減小梁山組對隧洞襯砌結構的影響，達到節省工程量的目的。調整后的引水隧洞在(引)0+015.00 m～(引)5+000.00 m段，底坡i為0.067 807%；在(引)5+000.00 m～(引)6+206.40 m段，底坡i為1.294 76%。

(3)隧洞襯砌厚度的優化。原可研設計隧洞不論圍巖類別，均采用0.60 m厚的混凝土襯砌。優化設計對襯砌結構進行優化：Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用0.30 m厚混凝土襯砌；Ⅳ類圍巖采用0.50 m厚混凝土襯砌；Ⅴ類圍巖采用0.60 m厚混凝土襯砌。

(4)調壓室布置型式施工更方便、安全度更高、投資更省。原可研方案采用埋藏式調壓室，由于其上覆埋深不足，井筒附近覆蓋層分布較廣，穹頂施工難度大，井筒施工不便。

針對原可研設計調壓室方案存在的不足，在優化設計時比較了開敞式調壓室和埋藏式調壓室兩種布置方案。考慮調壓室上覆巖石受風化卸荷的影響，為保證施工中穹頂巖體穩定及便于井筒施工等因素，結合總體布置、調壓室以及廠址區的地形地質條件等，考慮降低工程造價，因此優化設計推薦采用開敞式調壓室方案，該方案最大的優點是施工方便，工程量及投資較省。

(5)引水系統開挖、混凝土、鋼材工程量大幅減少。優化方案根據上述調整變化后，較原可研方案節省開挖16 653 m3、混凝土31 678 m3及鋼筋1 288 t。

4.3 廠區樞紐

可研審查基本同意廠區樞紐及主要結構布置。鑒于本電站處于象鼻嶺電站庫尾，要求復核廠房各特征水位，重視廠區防洪及排水設計；為減小庫區淤積對尾水出流的影響，建議適當減小水位重疊。針對可研審查意見及本工程實際情況，根據原可研及優化階段的水文、地質、動能及機組資料，開展了廠區樞紐布置、廠房尺寸及內部布置、尾水出流及防淤、廠區防洪及排水等方面的研究及優化設計。

(1)廠區樞紐布置更安全、方便。現場踏勘發現原廠房處于大坪子村平臺凹槽地形末端，后坡下部分布有崩坡積物(col+dlQ4)，且結構松散，后坡中上部分布有危巖體，在施工期和運行期存在危石崩塌、山洪沖刷的可能。為降低風險、優化方案，將廠區建筑物向上游平移了約30.00 m(見圖3)。

圖3 廠房位置調整前后示意

原可研采用上游進廠，進廠公路與廠壩連接路銜接。本階段由于業主營地施工和場內交通已基本形成，廠壩連接路已修建至業主營地(廠房上游約200.00 m)。如維持原有上游進廠方案，進廠公路需布置的上游陡坎岸坡地段工程難度和投資均較大。故結合現場交通和地形地質條件，調整成下游側進廠，相應調整主機間和安裝間布置，廠區樞紐各建筑物也進行了相應調整。

原可研階段回車場和主變場布置在不同高程上，高差約8.00 m，主變運輸和檢修難度大，為方便主變運輸及運行檢修，調整為同一高程布置。

(2)開敞式開關站(方案1)和GIS開關站(方案2)方案比選。從工程投資看兩方案差別并不大。開敞式方案的經濟性稍好，工程土建和機電投資較GIS方案少了218萬元。 但該方案需新增開關站及進站道路征地面積約4 000 m2，并且涉及房屋拆遷及移民，需拆除房屋960 m2，搬遷居民29人，其他林木及基礎設施等投資合計181.9萬元，兩方案相差僅36.1萬元。GIS方案在技術先進性與可靠性、抗震性能、運行維護等方面明顯優于開敞式布置方案。

(3)尾水出流及防淤設計更合理。根據可研成果，本工程尾水與下游電站水位重疊約7.00 m，且處于下游電站庫尾，泥沙淤積嚴重。為滿足河床低水位時機組吸出高的要求，需設尾水堰雍高尾水位。原可研采用正向出流，尾水渠與河道呈90°夾角，并在尾水堰上設疊梁閘以便在尾水河道淤積時封堵淤積物。

根據工程經驗，該方案存在如下缺點：尾水疊梁閘操作困難，運行維護難度大；受下游河道淤積頂托影響，易造成尾水出流不暢等。鑒于此，類比同類工程，優化方案將尾水出流調整為斜向出流，尾水渠向下游偏轉約70°，臨河側設導墻，取消疊梁閘。調整后尾水出流順暢，尤其在河道淤積后，尾水渠出口在一定范圍內由于水流沖刷形成“門后清“，降低了河道淤積對尾水出流的不利影響，同時更便于河道清理，降低河道淤堵風險。

(4)根據最新地質資料對邊坡開挖支護進行調整。本工程廠房永久邊坡高約60.00 m，為基巖和覆蓋層的混合邊坡，邊坡大部土體巖性為巖溶角礫巖，其上為岸坡崩坡積物(col+dlQ4)，結構多松散。根據原可研地質剖面，覆蓋層較淺，邊坡上部采用清除表面覆蓋層的方案，其余永久開挖坡比1：0.3，采用“錨索+框格梁+網噴混凝土”的支護方案。根據最新地質資料，邊坡覆蓋層深度較可研方案增加較多，如按可研開挖方案存在施工期邊坡穩定性差、支護量大和施工困難等風險。

根據現場地形地貌，廠后為平臺地形，采用較緩開挖，邊坡高度增加有限，但卻能有效增加邊坡的穩定性，減少支護量，進而提高施工期的安全性，降低錨索施工難度。故本階段將開挖坡比調整為1:0.5～1:1，坡面采用網噴+錨桿支護，下部采用錨索+框格梁固腳。

(5)優化方案工程量比較及分析。優化后廠區建筑物工程量與原可研方案存在較大差距，主要原因分析如下：

①本階段廠房防洪特征尾水位較可研方案變化大，造成廠區建筑物防洪工程量有較大差異。

②根據水機機組參數確定的廠房安裝高程、寬度及長度較原可研有一定差異；同時由于業主要求，本站需增設梯級調度中心，副廠房面積增加較多，故廠房混凝土和鋼筋量有所增加。

③根據地質資料，廠房基覆界限高程降低，導致廠房開挖支護工程量有所差異。其中，覆蓋層增加約13.09萬m3，基巖減少約5.3萬m3，同時錨索減少了74根；混凝土增加1.55萬m3，土石回填減少1.23萬m3，原可研方案未見帷幕灌漿工程量，本階段帷幕灌漿2 310 m。

5 結 語

根據牛欄江流域水文特點、泥沙情況、大巖洞工程區地形、地質條件，結合《牛欄江大巖洞水電站可行性研究階段樞紐工程方案評審意見》，從安全、經濟角度出發，設計人員對原可研方案首部樞紐、引水及發電系統樞紐布置和建筑物進行了優化設計。主要結論如下：

鑒于閘壩方案對工程地質條件的適應性較好，原可研方案壩軸線下移，將漿砌石重力壩調整為閘壩，建基面最低高程上抬18 m，壩高由原來的47.90 m調整為29.00 m。從地質條件、使用材料、施工工藝、機械化施工、施工質量把控、進水口布置、首部淤積及排沙問題的解決及下游消能防沖及工程量等方面，閘壩方案均優于原重力壩方案。可研優化方案在開挖量、基礎處理及筑壩材料量上較原可研方案減少，特別是土石開挖、帷幕灌漿、固結灌漿量的可研優化方案較原可研方案分別減少71%、46%、48%，可研優化方案在筑壩材料上也減少了42%。首部樞紐建筑物在土建工程投資上較原可研方案減少2 315.70萬元。

引水隧洞優化方案與原可研方案相比，縱坡、襯砌厚度優化使得石方洞挖、混凝土和鋼筋量均有大幅減少；調壓室由原可研方案的埋藏式調整為開敞式，施工方便，且開挖量減少4%、混凝土減少32%、鋼材減少17%；引水工程在土建工程投資上較原可研方案減少528.22萬元。

廠址進行了上移，避開了后坡凹槽地形和較厚的覆蓋層區域，降低了廠房直接受危石崩塌、山洪沖刷的風險，廠區建筑物更安全可靠。進廠交通由上游進廠調整為下游進廠，廠區樞紐各建筑物進行相應調整，降低了進廠公路的邊坡高度、施工難度和投資，統一了回車場和主變場布置高程。調整優化后，樞紐布置緊湊、合理，主變運輸道與廠區地坪同高布置后，方便主變安裝和運行檢修。尾水出流由正向出流調整為斜向出流，尾水出流順暢，在河道淤積后，尾水渠出口形成“門后清”，降低了淤積對尾水出流的不利影響；斜向尾水更便于河道清理，降低河道淤堵風險。優化方案將開挖坡比及支護方式進行了調整，增加了邊坡的穩定性，降低了施工難度和風險，可研優化設計較原可研方案相比，總體上工程量有所增加。發電廠工程在土建工程投資上較原可研方案增加1 892.14萬元。

綜上所述，可研優化設計在首部樞紐和引水系統建筑物方面，及在大幅提升施工期及運行期安全度的基礎上，工程量有較大程度地減少，有效降低了造價，直觀體現了可研優化設計的成果。由于地質資料的變化；廠房防洪特征尾水位的變化；水機機組參數確定的廠房安裝高程、尺寸帶來的變化；因工程需要而增設的梯級調度中心導致的副廠房面積增加等原因，導致廠區樞紐工程量有所增加，在對原設計方案進行優化補充和完善后，提高了工程施工期和運行期的安全度。

2018年3月，大巖洞水電站下閘蓄水，至今已安全運行1年多，取得了較好的經濟效益和社會效益。