金安橋水電站樞紐布置研究

洪永文

（中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650051）

1 工程概況

金安橋水電站是金沙江中游河段 “一庫八級”水電規(guī)劃的第五級電站，工程主要開發(fā)任務(wù)是發(fā)電。壩址以上河長2 426 km，落差4 106 m，河道平均坡降0.169%，控制流域面積23.74萬km2，多年平均流量1 640 m3/s。水庫正常蓄水位1 418.0 m，死水位1 398.0 m，正常蓄水位的相應(yīng)庫容為8.47億m3，調(diào)節(jié)庫容為3.46億m3，具有周調(diào)節(jié)性能。電站裝機容量2 400 MW （4×600 MW），單獨運行時保證出力473.70 MW，年發(fā)電量110.43億kW·h；龍盤水庫投入后，金安橋電站的保證出力為1 351.3 MW，年發(fā)電量為129.02億kW·h。

2 影響樞紐布置的主要工程問題分析

（1）壩址河道形狀及地形條件。樞紐區(qū)金沙江的總體流向為由北向南，在左岸9號沖溝口上游的河道較為順直，下游金沙江水流轉(zhuǎn)向為S24°W。樞紐區(qū)河段的左岸屬凹岸，右岸屬凸岸，河道呈弧形分布?？菟谒娓叱? 294 m，寬60～100 m，深約10 m。河谷呈 “V”形，為縱向單斜谷，山體雄厚，兩岸地形基本對稱。兩岸無深切沖溝，地形相對完整。右岸岸邊在1 320～1 350 m高程之間因凝灰?guī)r夾層t1c剝蝕形成長約1 500 m，寬100～170 m的平緩臺地，適宜布置溢洪道及消力池，并有利于下游水流歸槽。

（2）左岸崩塌堆積體的影響。左岸大壩上游分布有B1崩塌堆積體，體積約276萬m3，距離Ⅱ勘線（壩軸線）約490 m，前緣分布高程為1 400 m。左岸大壩下游分布有B2崩塌堆積和卸荷松馳巖體，其中松馳巖體沿t1c凝灰?guī)r夾層產(chǎn)生蠕滑拉裂，形成卸荷松動巖體，體積約52萬m3，其上部覆蓋有厚約15～25 m的崩塌坡積層，體積約32萬m3，B2距離Ⅱ勘線約250 m，分布高程1 370～1 495 m。B20崩塌堆積體緊鄰B2下游分布，距壩軸線450～650 m，體積約226萬m3，前緣最低點已延伸至江邊。因左岸崩塌堆積體存在邊坡穩(wěn)定問題，樞紐建筑物宜布置在B1與B2堆積體間約740 m的巖體裸露河道范圍。導(dǎo)流洞及地下廠房等大型地下洞室受進出口邊坡穩(wěn)定限制，不宜布置在左岸。

（3）凝灰?guī)r夾層的影響。壩址分布的基巖主要為玄武巖、杏仁狀玄武巖及火山角礫熔巖，其間夾有t1a、t1b、t1c及t2等層凝灰?guī)r夾層。凝灰?guī)r順層分布，緩傾右岸偏下游。t1c、t2順層錯動擠壓，在淺表部有泥化現(xiàn)象，對右岸壩基局部有影響，對樞紐布置方案的比選不太敏感。t1c在左岸B2范圍的寬度約為1～2 m，泥化現(xiàn)象嚴重，但向上游其地表出露分布高程逐漸抬高，寬度變窄，形狀變好，Ⅱ勘線位置t1c在建基面出露高程為1 413.0 m，隨壩基的開挖已基本被挖除。由于越向上游t1c的性狀越好，相應(yīng)的對建筑物布置的影響也減小，僅就t1c而言壩軸線靠上游布置有利。河床部位分布有t1a、t1b兩層凝灰?guī)r夾層。其中，t1b埋藏在建基面以下30～50 m，t1a埋藏深度大于85 m，經(jīng)勘探均未發(fā)現(xiàn)泥化及失水易崩解現(xiàn)象，且t1b完整性好，強度高，與其相鄰層玄武巖接觸緊密。兩凝灰?guī)r夾層順水流方向傾向下游，越向下游移埋藏越深，故壩軸線越向下游對壩體深層抗滑穩(wěn)定越有利，樞紐偏下游布置相對有利。綜合對四層凝灰?guī)r的影響評價，左岸t1c對樞紐布置的影響較敏感，即從左岸角度考慮，樞紐建筑物偏的上游布置相對有利。

（4）裂面綠泥化巖體的影響。河床部位基巖主要分布裂面綠泥化巖體，破裂面充填綠泥石膜。河床沖積層厚約5～9 m，沖積層底部至t1b之間分布有厚約30～50 m的裂面綠泥石化巖體，遇水易卸荷松弛，另受爆破開挖擾動影響，巖體破碎，整體強度降低。由于裂面綠泥石化巖體較厚，不可能全部挖除，故對大壩的抗滑穩(wěn)定及變形有影響，但對壩軸線位置的影響不明顯。

（5）兩岸巖體卸荷的影響。樞紐區(qū)巖層呈單斜構(gòu)造，玄武巖流層呈舒緩波狀，其總體產(chǎn)狀傾向右岸略偏下游，傾角12°～30°。左岸為順向坡，右岸為逆向坡。左岸除t1c上盤局部地段風化卸荷較深（一般為40～60 m）外，河床卸荷深度為10～15 m；右岸為20～50 m。相對左岸右岸巖體卸荷較淺，加上水工建筑物的進出口邊坡穩(wěn)定及水流歸槽等問題，大型地下洞室布置在右岸有利。

（6）巖體構(gòu)造的影響。樞紐區(qū)無區(qū)域性Ⅰ級斷層分布，分布有3條Ⅱ級斷層，且遠離主要建筑物，Ⅲ級斷層有F63等5條，僅對右岸兩條導(dǎo)流洞有影響，斷層均以陡傾角為主。發(fā)育的緩傾角結(jié)構(gòu)面主要為綠簾石及石英脈錯動面 （EP），質(zhì)堅硬，在卸荷帶內(nèi)錯動面常張開，在微新巖體中張開不明顯，其抗剪參數(shù)值順坡 （傾向）明顯低于順河 （走向）方向，相差達1倍。緩傾角結(jié)構(gòu)面主要分布在兩岸江邊，特別是左岸Ⅲ勘線附近，一般延伸較長，多數(shù)大于10m，最長達200余m，對左岸壩段的側(cè)向穩(wěn)定不利，大壩靠上游布置有利。

3 樞紐布置原則及布置方案選擇

3.1 樞紐布置原則

根據(jù)上述主要工程問題對樞紐布置的影響分析，并考慮水文泥沙條件、裝機規(guī)模及向下游供水要求等因素，擬定了以下樞紐布置原則：

（1）在龍盤、阿海等上游水庫建成前，需設(shè)置專門的排沙底孔或與泄洪兼顧的泄洪排沙底孔，以確保電站樞紐具備完善的排沙保庫及電站進水口門前清的功能。

（2）壩址河槽及臺地寬約320 m，基本可以布置下5臺600 MW和5孔13 m×20 m的溢洪道及沖沙底孔；右岸地下也具備布置相同裝機規(guī)模的空間及工程地質(zhì)條件。因此，可分別研究河中布置壩后廠房+右岸臺地布置溢洪道和河中布置泄洪消能建筑+右岸布置地下廠房的搭配組合樞紐布置方式。

（3）左岸分布有崩塌堆積體及卸荷巖體，存在高邊坡穩(wěn)定問題，而右岸存在高程及寬度適宜的臺地，溢洪道應(yīng)布置右岸臺地部位，以適應(yīng)壩址地形及下游水流歸槽條件。

（4）根據(jù)壩址的基巖裸露情況，左岸崩塌堆積體、卸荷巖體、t1c凝灰?guī)r的性狀及分布特點，以及兩岸沖溝的分布情況，大壩及廠房宜布置在B1及B2崩塌堆積體之間的河段，并考慮在尾水渠開挖不涉及B2堆積體的前提下，盡可能使大壩遠離壩前B1崩塌堆積體。

（5）河床存在t1b凝灰?guī)r夾層和廣泛分布的裂面綠泥石化巖體，樞紐建筑物布置無法避開，應(yīng)通過壩線及相應(yīng)的樞紐布置比選確定。

（6）樞紐布置方案應(yīng)滿足下游河道水生生物環(huán)保和城市取水對壩址下泄不小于350m3/s的供水要求。

3.2 樞紐布置方案選擇

3.2.1 壩型

壩址心墻防滲土料的質(zhì)量和數(shù)量不夠理想，可研階段研究了面板堆石壩右岸溢洪道方案和混凝土重力壩壩后廠房右岸溢洪道方案，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，確定采用混凝土壩壩型。

3.2.2 壩線

將位于B1及B2崩塌堆積體之間的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ勘線作為碾壓混凝土重力壩比選壩軸線。Ⅰ勘線至Ⅲ勘線間距離約150 m，Ⅱ勘線位于Ⅰ、Ⅲ勘線之間。

Ⅲ勘線兩岸均有沖溝切割，壩后廠房及泄洪建筑物距B2崩塌堆積及卸荷松動體僅40 m。受B2崩塌堆積、綠簾石石英脈的錯動面 （EP）及t1c凝灰?guī)r夾層影響相對較大。地形地質(zhì)條件明顯劣于Ⅰ勘線和Ⅱ勘線，故對Ⅰ勘線和Ⅱ勘線進行進一步比選。

Ⅰ、Ⅱ勘線的工程地質(zhì)條件相似，都具備修建混凝土重力壩的條件，樞紐布置格局也大致相同，但Ⅱ勘線樞紐方案主要工程量明顯少于Ⅰ勘線樞紐方案。因此，確定Ⅱ勘線為選定壩軸線。

3.2.3 樞紐布置格局

通過長期對樞紐布置格局的多方案研究，確定了碾壓混凝土重力壩、右岸溢洪道、河中壩后廠房樞紐布置方案和碾壓混凝土重力壩、河中溢流、右岸地下廠房樞紐布置方案為比選的代表方案。對兩方案相應(yīng)的主要建筑物進行專項科研和深化設(shè)計后，從地形地質(zhì)條件、工程樞紐布置、運行環(huán)境、工程投資及施工工期等方面進行了綜合比較，選定壩后廠房樞紐布置方案。

4 樞紐總體布置及主要建筑物

4.1 樞紐布置

電站樞紐主要由攔河壩、河中壩后式廠房、右岸壩身表孔溢洪道及右岸泄洪沖沙底孔組成。左岸沖沙底孔的壓力鋼管前段穿壩布置，后段從主廠房安裝間下方延伸至下游；河中廠房壩段壩身布置電站進水口及引水壓力半背管，壩后布置主副廠房及GIS樓；右岸泄洪沖沙底孔布置在廠房壩段與溢流壩段之間，布設(shè)2孔泄洪沖沙底孔，以解決排沙保庫及電站進水口門前清問題；右岸溢流壩段布置5個溢流表孔，壩身反弧段后接長泄槽及消力池。

4.2 主要建筑物

金安橋工程為一等大 （1）型工程。其主要建筑物包括碾壓混凝土重力壩、泄洪建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等，建筑物等級為1級；次要建筑物等級為3級。

4.2.1 碾壓混凝土重力壩

碾壓混凝土重力壩壩頂高程1 424 m，建基面最低高程1 264 m，最大壩高160 m，壩頂長640 m。非溢流壩段壩頂寬12 m，電站進水口壩段壩頂寬16 m。上游壩面在1 330 m高程以上鉛直，以下壩面坡度 1∶0.3。 下游壩面坡度 1∶0.75。

大壩共分21個壩段，0～5號壩段為左岸非溢流壩段，長192m；6號壩段為左沖沙底孔壩段，長30 m；7～11號壩段為壩后廠房壩段，長156 m；12號壩段為右岸泄洪沖沙雙底孔壩段，長26 m；13～15號壩段為溢流表孔壩段，布置5個溢流表孔，長93 m；16～20號壩段為右岸非溢流壩段，長143 m。

4.2.2 泄洪沖沙建筑物

泄洪沖沙建筑物的設(shè)計洪水標準為500年一遇，校核洪水標準為5 000年一遇；消能防沖建筑物設(shè)計洪水標準為100年一遇。相應(yīng)洪峰流量分別為14 700、17 900、12 400 m3/s。經(jīng)水庫調(diào)洪后 5000年一遇洪水時下泄流量為17 653 m3/s。

天然情況下金安橋水電站壩址年平均輸沙量3 995萬t，正常蓄水位1 418m以下水庫總庫容8.47億m3，庫沙比約26，在上游龍盤調(diào)節(jié)水庫建成前電站單獨運行時工程泥沙問題突出。為此，通過右岸泄洪兼沖沙雙底孔和左岸沖沙底孔排沙，采用水庫排渾蓄清的運行方式，以期達到保證水庫調(diào)節(jié)庫容、降低壩前淤沙高程及保障進水口 “門前清”的目的。

（1）右岸溢洪道。右岸表孔溢洪道由閘室控制段、泄槽段、消力池及出池護坦組成。泄槽末端設(shè)6 m跌坎，在消力池中形成混合流消能，最大臨底流速約14.96 m/s。溢洪道水平投影總長394～594 m，消力池凈寬88 m。堰頂高程1 398.0 m（與死水位同高程），采用WES堰型，設(shè)5孔13 m×20 m工作弧門，校核洪水位時最大泄量為14 980 m3/s。消力池前段底板高程1 276.5 m，后段底板高程1 282.5 m，出池護坦高程1 298.0 m。

（2）左岸沖沙底孔。左岸沖沙底孔進口底高程1 305 m。壓力鋼管管徑6.5 m，前段穿壩布置，后段從主房安裝間下方通過，出口設(shè)孔口尺寸為4 m×4 m的弧形工作門，采用扭鼻坎挑流消能。左岸沖沙底孔不參與泄洪，主要功能是沖沙及下閘蓄水時向下游供水，最大下泄流量為566 m3/s。

（3）右岸泄洪沖沙底孔。右岸泄洪沖沙底孔布置在12號壩段，位于主廠房和表孔溢洪道之間。進口高程1 335 m，設(shè)孔口尺寸為5 m×8 m的工作弧門，在水庫校核水位時最大泄量為2 674.9 m3/s。其功能為泄洪兼沖沙，泄槽末端采用挑流消能。

4.2.3 引水發(fā)電建筑物

電站廠房布置在河中7～11號壩段，進水口沿壩面立式布置，進口高程1 370.0 m，分別設(shè)檢修門及事故門，孔口尺寸分別為9 m×14 m和9 m×12 m。攔污柵平臺懸出上游壩面10 m，平臺底高程1 366.0 m。引水管為單機單管布置，管徑10.5 m，采用鋼襯壓力半背管，外包1.5 m鋼筋混凝土。

壩后主廠房尺寸為215 m×34 m×79.2 m （長×寬×高），安裝4臺600 MW水輪發(fā)電機組。從左至右依次布置安裝間、主機段及副安裝間，機組安裝高程1 285.0 m，發(fā)電機層高程1 303.0 m，機組間距34 m。水機副廠房共分7層，布置在尾水管的上方，布設(shè)抽水、通風及輔助設(shè)備。尾水管設(shè)置8扇檢修門 （尺寸：11.64 m×11 m）。上游電氣副廠房布置電氣設(shè)備、母線及GIS，樓頂為出線場；廠壩間填筑至1 320.0 m高程，以作主變平臺使用。中控樓布置在上游側(cè)電氣副廠房的左端頭。

進廠交通洞 （斷面尺寸10 m×12 m）布置在左岸，從安裝間左端進入主廠房。

5 結(jié)語

金安橋水電站作為金沙江中游河段第一個開發(fā)的電源點，它的建設(shè)有利于促進金沙江中游河段梯級水電站的開發(fā)。樞紐布置合理利用了河道及臺地的有利地形條件；很好地解決了存在的崩塌堆積體、凝灰?guī)r夾層、裂面綠泥化巖體及緩傾分布的綠簾石石英脈錯動面 （EP）等主要工程地質(zhì)問題；同時充分考慮了水文泥沙條件、裝機規(guī)模及向下游供水等因素對樞紐的要求?？傮w布置合理。