新疆狹窄河谷當地材料壩關鍵技術研究

王恩輝

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概況

1.1 工程簡介

新疆SMTS水電站位于河流出山口狹窄河谷段，正常蓄水位1930 m，總庫容1.298×108m3，為不完全年調節水庫，屬大(2)型工程，壩址區地震基本烈度為Ⅷ度。擋水壩采用混凝土面板砂礫-堆石壩，最大壩高101 m，其中底部高趾墻最大高度31.5 m，壩長141.3 m，寬高比1.3，為1級建筑物；樞紐布置利用左岸Ⅴ級階地凸出山脊分高程分別布置導流兼深孔泄洪洞、發電洞和岸邊表孔溢洪道；發電廠房布置于壩軸線下游約780 m處的Ⅱ級階地上。設計洪水標準為500 a一遇，校核洪水標準為1000 a一遇。

1.2 地形、地質條件

壩址區位于河流出山口的峽谷河段，河谷呈基本對稱“V”形，長約1.0 km，為河流深切Ⅴ級階地形成，兩岸地勢南高北低，峽谷上游段300 m左右范圍，兩岸地勢均較高，左岸高程在1935.00 m～1940.00 m之間，右岸高程在1955.00 m～1970.00 m之間；上游300 m之后左岸地勢驟降，右岸雖地勢較高，高程在1945.00 m～1965.00 m之間，但河谷已逐漸變寬，并且兩岸覆蓋層較厚。壩址區域左岸山體雄厚，岸坡較陡，坡度多在40°～80°，局部為陡坎，基巖裸露，山頂高程1915.00 m～1936.00 m；右岸山體高陡，坡度多在50°～85°，局部近直立，基巖裸露，山頂高程1965.00 m～1970.00 m；壩址現代河床寬8 m～16 m，正常水位1930 m高程處，谷寬約116 m。出露巖性單一，巖性為華力西中期第二次侵入次黑云母花崗巖類。

2 混凝土面板堆石壩

本工程為降低河谷底部趾板開挖和澆筑難度，將壩體底部約1/3高度岸坡趾板采用河床高趾墻代替，同時借鑒瀝青心墻壩設計理念，將上游圍堰與上游壩體相結合，高趾墻兼作圍堰防滲墻。高趾墻最大高度31.5 m，頂寬3 m，最大底寬8 m，上游側為垂直坡，下游坡度1∶0.172，墻體縱向10 m設一條垂直伸縮縫，縫內設銅止水，基礎位于基巖上[1]。并對底部基巖進行固結和帷幕灌漿，帷幕控制標準為3 Lu。在趾墻頂部與趾板之間設置3.0 m寬水平連接板，以協調高趾墻與趾板間的不均勻沉降[2]。

上游圍堰與壩體結合在縮短混凝土面板向上游的延伸距離，解決狹窄河谷中趾板布置的復雜性同時，增強施工期導流調蓄能力并降低了場內道路布置難度。

3 泄水建筑物體型設計

泄水建筑物布置軸線、消能方式、水流入河角度等條件決定著建筑體型的結構型式。本工程結合壩址區地質地形條件，將導流兼深孔泄洪洞和岸邊溢洪道均布置在壩體左岸，導流兼深孔泄洪洞采用一次建成，施工期承擔導流，運行期承擔泄洪、沖砂和應急放空功能。由于泄洪水頭高、泄量大，泄洪建筑物均采用挑流消能型式，同時由于河谷狹窄，挑流水舌如何不對岸坡基巖造成破壞和充分消能后不對下游發電廠房造成影響，成為工程設計的關鍵。

3.1 溢洪道體型設計

溢洪道設計泄量402.75 m3/s，校核泄量537.78 m3/s，受岸坡地形限制進口控制段軸線與壩軸線夾角90°，緊挨大壩左岸布置。為使溢洪道泄洪水流不對導流兼泄洪洞的泄洪造成影響，控制段后利用水平緩坡段(流速較低)設置彎道將泄槽段軸線盡量隨地形走勢布置，出口緊貼面板壩壩踵，使溢洪道出口和導流洞出口之間形成150 m原始河道，避免了對導流兼泄洪洞的泄洪造成影響。挑流入河采用大角度扭曲后順應河道走向[3]。

(1)緩坡彎道段：緩坡坡度1/200，總長70.27 m，其中轉彎段長13.663 m，轉彎半徑50 m，轉彎角度為15.66°，經模型試驗測算最大流速7.6 m/s，如不采取措施輔助措施存在凸岸水流小流量溢出邊墻現象。通過設置凸岸貼角、底板設置斜向導向坎和正向導向坎試驗對比，確定在彎道末端底板寬度一半設置3道正向導向坎，間隔5.0 m，導向坎頂寬0.3 m，高0.6 m，上游垂直，下游坡比1∶1。

(2)陡坡泄槽段：根據地形走勢確定陡坡泄槽坡比1∶1.25，長140 m(斜長)，底寬9 m，槽深10.0 m～5.0 m，采用C25矩形槽整體式結構。為防止發生水流空蝕及出口水流影響導流洞出口泄流等問題，采用臺階消能，階高1 m，寬1.25 m。模型試驗中測定出泄槽及臺階陡槽段出現微小負壓，最大負壓值不過-0.69×9.81 kPa，各斷面平均流速不足20 m/s，臺階的摻氣特性良好，不致產生空蝕破壞。

(3)出口挑流段：壩踵下游至發電廠房尾水渠入河口段，河谷底寬不足20 m，為使挑坎水流不沖刷岸坡，對挑流坎部位進行轉角扭曲，挑流坎采用折線形分流墩直墻挑坎，在泄槽反弧段末端將出口分成兩孔，其中的水流均導向40余度，形成兩個縱向拉開水舌，在空中兩水舌又交匯重疊，落入極其狹窄的河道[3]。

3.2 導流兼深孔泄洪洞體型設計

導流兼深孔泄洪洞除滿足施工期導流度汛要求外，還需滿足運行期泄洪、排砂、放空的要求。根據壩址區的地形地質條件，進行左岸無壓洞方案、右岸有壓洞方案和左岸龍抬頭式三個方案的布置比選。通過布置的合理性、經濟性、運行管理便利性等方面綜合比較，選取左岸無壓洞方案，由引渠段、岸塔式進水閘、洞身段、出口挑流段組成，全長589.363 m。導流兼深孔泄洪洞進口底板高程1843 m，最大水頭近90 m，閘井工作弧門存在局開震動問題、洞身段存在高速水流空化、空蝕等問題，同時由于出口河床狹窄，挑流水舌影響兩岸山體的關鍵問題。

(1)進水閘井：閘井長度30 m，布置平板檢修閘門和弧形工作閘門，閘井底板高程1843.00 m，閘頂平臺高程為1934.50 m，閘井高91.50 m。根據水工模型試驗成果，0+029處設置通氣槽，深0.45 m，寬1.0 m。檢修閘門孔口尺寸b×h=4 m×6 m，采用平板門，進水口前部采用三向收縮。工作閘門采用弧形港閘門，孔口尺寸為滿足施工期導流要求需設置為b×h=4 m×4.0 m，但運行期由于閘前水深大，為滿足泄洪規模和洞身段無壓要求需對閘門進行局部開啟運行，開啟范圍在0.1～0.7之間。疆內已建類似工程閘門水彈性試驗得出開度在0.2、0.6、0.8局開時，均會發生較嚴重閘門振動，對閘井運行非常不利。為此決定在施工期維持4.0 m×4.0 m孔口尺寸運行，在下閘蓄水之后對壓坡段及弧門孔口進行改建，將工作弧門孔口尺寸4 m×2.5 m，寬度不變，高度方向壓坡段及弧門頂眉進行改建，對已建壓坡段下部增設鋼襯，采用錨筋將原上部壓坡混凝土與鋼襯進行連接，鋼襯與原壓坡之間空腔采用泵送自密實微膨脹混凝土回填。弧門采用全開、全關的運行方式，事故平板門采用動水關閉，靜水開啟運行方式。

(2)出口挑流段：由于下游河谷狹窄，為滿足挑流水舌挑人河床中心，經模型試驗分析采用Y型窄縫挑流消能，長12.5 m。底板迎水面首部接隧洞出口設0.8 m平直段，后部由兩段圓弧組成，前段圓弧半徑22.427 m，后段圓弧為挑坎反弧段半徑5.0 m，尾部為0.5 m長1∶1降坡段。斷面由起始端的b×h=4.0 m×8.0 m矩形斷面漸變為底寬Y型束窄斷面。Y型束窄斷面底部1.386 m高度為寬1.5 m矩形斷面，上部8.0 m為底寬1.5 m，頂寬4.0 m梯形斷面[3]。

4 結語

大壩于2010年初開始填筑，2011年11月30日大壩填筑到頂。水庫于2012年7月28日下午下閘蓄水，目前已運行6年，根據壩體埋設監測儀器監測數據得知，壩體最大沉降發生在壩軸線下游40 m范圍，最大沉降量為492 mm，不足壩高1%，壩體填筑料順軸線方向最大位移量僅為25 mm，壩體滲水量不足20 L/s，河谷高趾墻斷面選擇合理，壩體填筑質量、防滲效果良好。

溢洪道臺階混凝土表面基本完好，無空蝕破壞，泄洪時分流墩將水流拉成兩條水舌，空中交疊，消能充分，未對岸坡及下游導流洞泄洪造成影響。

導流兼深孔泄洪洞閘門運行正常，未發生震動破壞和閘體混凝土開裂破壞，出口Y型挑坎對水流控制較好，未對岸坡及下游廠房運行造成影響。

通過對本工程壩體及泄水建筑物布置及體型的研究，不僅為該工程的設計、施工提供了可靠依據，其研究成果也加深對類似面板砂礫堆石壩壩體結構及岸邊泄水建筑物體型選擇的深入研究。