淺析引子渡峽谷拱橋式泵站創新設計

馬富強，符昌勝，汪 羅

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 概 述

引子渡水電站工程位于烏江上游南源三岔河的下游，是烏江水電基地中的一個梯級電站，工程以發電為主，壩址以上集雨面積6422 km2，水庫正常蓄水位及設計洪水位均為1086 m，死水位1052 m，校核洪水位1091.09 m，總庫容5.31億m3。電站總裝機容量36萬kW，年均發電量9.78億kW·h。

引子渡提水工程是貴陽市和貴安新區供水安全和城市可持續發展的重要配置水源，工程擬在引子渡電站庫區右岸大寨村附近新建兩級泵站[1](一級穿洞泵站、二級楓香田泵站)，從庫內提水至高位水池，自流進入秀洞河，經由秀洞河流入石朱橋水庫后進入紅楓湖(貴陽市、貴安新區重要水源點)。一級穿洞泵站距離引子渡水庫大壩約10 km，位于主河道右側，設計提水流量2.25 m3/s，年可提水量6060萬m3，泵站裝機容量8000 kW，是引子渡提水工程的首部建筑物。

2 泵站型式的確定

綜合考慮引子渡提水工程供水對象的重要性、水質要求、后期擴容要求、施工風險的可控性等，穿洞泵站站址選擇位于引子渡庫區中部右岸水跳巖支流上，緊鄰匯口處。泵站采用庫內取水，水庫消落水深34 m，結合泵站布置和水泵類型，可選擇多種泵站型式[2]，在項目初步設計階段，設計綜合比選了浮船式泵站[3]、庫岸井筒式泵站、岸坡地下式泵站、庫內排架式泵站、庫岸豎井式泵站、峽谷拱橋式泵站6種泵站型式。綜合考慮侵占航道影響、施工難度、投資造價、對自然風景區影響、工程耐久性和運行期的維護管理等多方面因素，最終確定選用峽谷拱橋式泵站(泵型為立式長軸泵[4])。

3 泵站地形地質條件

穿洞泵站所在位置為溶蝕峽谷地貌，河谷走向約N60°W，為橫向“U”形谷，河谷底部高程約1049 m，寬約30 m。底部地形平緩，兩岸地形下陡上緩。河床覆蓋層由湖積淤泥質黏土、沖洪積砂卵礫石、含碎石砂質土及少量崩塌堆積碎塊石組成，成分較雜，推測厚3～8 m左右，兩岸基巖多裸露，覆蓋層零星分布，為含碎石黏土，一般厚0～2.5 m。基巖巖性為二疊系下統茅口組(P1 m)灰色、深灰色中厚層至厚層塊狀夾薄層灰巖、白云質灰巖。未發現較大地質構造通過，為單斜地層，巖層產狀為318°∠21°，傾下游稍偏右岸，節理裂隙發育，隱型溶溝溶槽發育，強溶蝕風化帶、強卸荷帶巖體厚4～8 m，弱溶蝕風化帶、弱卸荷帶巖體厚10～25 m不等。

泵站兩側邊坡為橫向坡，自然邊坡現狀穩定，未發現明顯的不良地質現象，順河谷向卸荷裂隙發育，局部巖體風化較深。地下水類型主要為巖溶裂隙水。

4 泵站設計

4.1 廠區布置

穿洞泵站廠區布置由主廠房、副廠房、主變場、出水管道和進廠公路組成。結合水跳巖支流匯口附近地形地質條件，泵站主廠房布置于穿洞埡口至主河道河谷段的最窄處，距離上游支流匯口約220 m。副廠房位于橋北端左側，基礎面為坡面開挖形成，底板高程1093.50 m，副廠房西北端為主變場，副廠房、主變場與山體之間設4 m運輸通道。進廠公路從附近的大寨村引入，與拱橋北端右側相接。泵站出水管道沿廠房兩側引出，在廠房北側下彎至廠區平臺高程以下采用埋管鋪設，在拱橋北端合并后向東沿山體坡面鋪設，末端接高位水池。

4.2 主廠房結構設計

4.2.1 主廠房上部拱橋結構設計

泵站主廠房結構型式設置為拱橋式，下部采用拱橋結構，拱上結構采用空腹式結構，腹孔布置為拱式。泵型采用長軸深井泵，共8臺(6用2備)，裝機容量8×1000 kW。泵站長軸深井泵泵軸長度超過40 m，為了保證水泵安全運行，設計采用外套鋼管對泵管進行保護，頂部采用止推環固定在主拱結構上，下部采用折線拱進行水平約束。

參考《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)[5]3.4.3條第4款的規定，無鉸拱拱腳允許被設計洪水淹沒，本橋單跨跨徑62.5 m，屬于大橋(規范JTG D60—2015中1.0.5條)，參考規范JTG D60—2015中3.2.9條，設計洪水頻率取1%(與穿洞泵站洪水頻率一致)。引子渡電站水庫洪水頻率1%時的水位為1086.860 m，拱橋拱腳高程1077.811 m，拱腳洪水埋深9.049 m<2/3凈矢高9.260 m，拱頂底面高程1091.700 m，距洪水位4.84 m，符合規范JTG D60—2015中3.2.9條第4款拱腳被洪水淹沒的要求。結合拱橋淹沒要求，同時兼顧水庫正常蓄水位時橋下通過小型游船的需求，穿洞泵站主拱拱底高程取1091.700 m，加上1.5 m拱厚和0.3 m鋪裝層厚，泵站平臺高程1093.500 m。

對于泵站拱橋結構采用了有限元進行結構靜力和動力計算，根據《三岔河引子渡提水工程穿洞泵站拱橋結構計算與研究報告》[6]計算分析，考慮到上部泵站機組運行的振動，拱橋橋體采用C40鋼筋混凝土板拱，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數1.7，主拱凈跨62.5 m，凈矢高13.889 m，矢跨比1∶4.5，主拱厚1.5 m，主拱寬度結合上部主廠房結構取17.0 m。拱上結構采用空腹式結構，腹孔布置為拱式，腹孔跨徑為3 m，腹孔混凝土采用C30。根據動力結構計算分析建議，主拱圈與拱上結構采用簡支結構[7]，因此拱上泵站平臺采用橡膠支座置于拱身支撐之上，每個支承面面積為2 m×17 m，布置8組橡膠支座。

穿洞泵站采用長軸深井泵取水，水庫死水位1052 m，目前取水位置淤積高程約為1049 m(已淤積14 a)，根據相關規范水庫再運行50 a，計算其淤積高程為1050.37 m。根據水機專業要求，水泵最低點位于取水最低水位以下1.5 m，因此水泵底部高程取1050.5 m，高于50年淤積高程，滿足取水要求。

主廠房長78.155 m，寬17 m，布置8臺長軸深井泵，采用兩排布置，排間距5 m，出水管分別向兩側伸出主廠房后接出水管道。為了在水庫高水位時為穿過拱橋的游船留出通道，靠近河床中線的機組間距取11 m，靠兩岸坡方向機組間距取5 m。結合水泵安裝位置，廠房主安裝間布置與副安裝間分別布置在主機間兩側，且對稱布置，對下部拱橋結構受力有利。

為適應下部拱橋結構變形，廠房縱向不設聯通的縱梁，同時為了保證結構一定的縱向剛度，縱向18榀排架均勻布置7組雙排架頂部連接。泵站位于斯拉河省級風景區，為融入斯拉河省級風景區自然環境，泵站墻外立面及屋頂結構外觀均采用了具有少數民族特色的建筑風格，泵站與自然景觀渾然一體，很有可觀賞性。

拱橋兩端拱座置于中厚層至厚層塊狀夾薄層灰巖、白云質灰巖的強風化底部至弱風化上部，基礎開挖高程1074.500 m，長19.0 m，左岸拱座寬7.0 m，右岸拱座寬8.0 m，高均為6.7 m，采用C25鋼筋混凝土，拱端部分設C35鋼筋混凝土C25拱座臺帽。

按照《烏江索風營、引子渡、小興浪、阿珠四庫區航運建設工程環境影響報告書》[8]通航標準，支流航道通航60客位客船尺度為20.0 m×3.4 m×1.0 m(長×寬×吃水)，100 t貨船船型尺度為38.0 m×5.0 m×1.2 m(長×寬×吃水深)。因此在泵站水泵布置設計時，中部取水泵之間設 9 m寬的小型游船通道，以滿足游船通航要求。考慮到洪水期間暫不設游船旅游，因此根據結構布置游船正常水面高度需小于4.7 m，預留1 m安全超高。

4.2.2 主廠房下部折線拱結構設計

穿洞泵站長軸深井泵泵軸長度超過40 m，經方案比選采用折線拱進行水平約束。結合水跳巖支溝埡口地面高程，折線拱拱頂高程取1062.50 m，同穿洞埡口高程，因此不會因折線拱增加阻航水位范圍。斜拱段坡比取1∶3，左側拱座基礎高程1057.30 m，左側拱座基礎高程1058.000 m。折線拱采用板形結構，板厚0.8 m，寬7.8 m，采用C40鋼筋混凝土。護管穿過折線拱部分采用柔性材料填充鋼管與開孔之間的間隙。

4.3 副廠房結構設計

副廠房長度34.98 m，寬10.6 m，為兩層結構，層高均為5 m。副廠房設8副排架，采用“二四”墻分隔，下層為0.4 kV低壓配電室、無功補償裝置室和35 kV高壓開關柜室(含10 kV高壓開關柜室)、二層布置中控室、通信室、資料室和休息室。主變場位于副廠房靠北一端，與副廠房直線布置，副廠房和主變場靠山一側布置4 m寬道路，主變場地坪高程1093.5 m，長度16.97 m，寬度8.01 m。

4.4 出水管設計布置

穿洞泵站出水管道由主廠房引出，沿主廠房兩側布置，至橋北端并攏后沿坡面鋪設，管長787 m，雙管布置，管材經比選采用成品鋼管[9]。考慮到高洞泵站出水管道位于斯拉河風景區內，因此出水管道采用埋管型式，以減少景觀影響。

管道混凝土包管，混凝土回填厚度0.6 m，管槽坡度>30°部分，表面設臺階凹槽，便于后期植被覆蓋，在管槽坡度<30°部分采用土石回填上部土石回填厚度≥0.7 m，穿過耕地部分另外增加耕植土回填厚度；管道穿越公路部分，采用鋼筋混凝土包管，上部按原標準路面恢復。根據管道鋪設施工要求，管槽開挖底寬4.2 m，兩側邊坡1∶0.75，鋼管底部距離管槽0.6 m，鋼管凈距0.8 m，中心距1.9 m。鋼管壁厚在下部高水頭部分取12 mm，上部水頭較低部分取10 mm，鋼材為Q345C。根據光面管抗外壓穩定計算，滿足抗外壓0.2 MPa要求，但根據結構布置加勁環，間距6 m。出水管道末端接高位水池。

5 結 論

綜合考慮了多種因素，引子渡提水工程一級穿洞泵站，采用了拱橋式泵站結構，避免了其他類型泵站帶來的侵占航道、施工難度大、項目風險高、工程耐久性差、運行管理復雜和對斯拉河省級風景區影響程度大的諸多現實性問題。另外拱橋式結構對地形地貌的適應能力強、跨越能力大，構造簡單，節省材料和空間，且能耐久、易養護、外形美觀,對于類似建設條件的工程項目，具有廣泛推廣使用價值。