石門水電站樞紐布置及建筑物特點(diǎn)綜述

張合作 羅光其

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

石門水電站樞紐布置及建筑物特點(diǎn)綜述

張合作 羅光其

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

結(jié)合工程實(shí)際概況及當(dāng)?shù)貧夂?、地形地質(zhì)條件，介紹了石門水電站樞紐布置的特點(diǎn)，并從瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計(jì)、泄洪沖沙兼導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)、溢洪洞設(shè)計(jì)等方面，對(duì)建筑物的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，其實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可供類似工程借鑒。

水電站，樞紐布置，建筑物，溢洪洞

1 工程概況

呼圖壁石門水電站是呼圖壁河中游河段規(guī)劃的第三個(gè)梯級(jí)，位于新疆維吾爾自治區(qū)呼圖壁縣南側(cè)，距呼圖壁縣縣城公路里程50 km，距昌吉市公路里程95 km，距烏魯木齊市公路里程127 km，對(duì)外交通十分便利。

工程的開發(fā)任務(wù)是“灌溉、防洪、發(fā)電”，水庫正常蓄水位1 240 m，總庫容7 975萬m3，為年調(diào)節(jié)水庫，水庫建成后可提高下游的灌溉保證率和防洪標(biāo)準(zhǔn)，電站裝機(jī)容量95 MW。

樞紐由瀝青心墻壩、右岸泄洪沖沙洞、右岸溢洪洞、左岸引水系統(tǒng)和地面廠房等建筑物組成。

2 基本條件

2.1 氣象條件

工程位于我國西北地區(qū)，冬季干燥寒冷、夏季炎熱、年降水量少、蒸發(fā)量大。電站多年平均降水量為408.0 mm，多年平均蒸發(fā)量為888.2 mm；多年平均氣溫為6.4 ℃，多年月平均氣溫最高為20.7 ℃，多年月平均氣溫最低為-10 ℃。

2.2 地形地質(zhì)條件

壩址河段河道較平直，坡降相對(duì)平緩，河谷較開闊，河床寬20 m～50 m。1 210 m高程以下河谷呈基本對(duì)稱“V”型，1 210 m～1 220 m高程左岸為一寬緩的Ⅳ級(jí)階地平臺(tái)，1 220 m高程以上為陡壁地形，右岸1 180 m～1 220 m以上沿J3k1與J2q2-5分界線之上均為陡壁，陡壁以下為35°～50°的斜坡。

壩址區(qū)出露地層主要為紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖等，兩岸上部涉及J3k1厚層塊狀巖屑砂巖與J3k2厚層塊狀礫巖地層。兩岸崩積、坡積、殘積堆積體厚2 m～18 m，其中右岸老壩上游一帶，分布4號(hào)崩塌堆積體，塊度大小不一，架空明顯。

兩岸下部及河床因巖性軟弱，風(fēng)化較深，發(fā)育有1號(hào)、2號(hào)卸荷拉裂體的上游端部分，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)危巖體，4號(hào)崩塌堆積體及1號(hào)滑坡體。施工期對(duì)影響工程安全的危巖體進(jìn)行了爆破。

巖體物理力學(xué)特性，屬以軟巖為主的塑性巖體，軟化和崩解特性明顯，力學(xué)強(qiáng)度低。

3 樞紐布置

壩址河谷地形受巖性控制，已建混凝土拱壩(簡稱老壩)上游開闊，兩岸山體上部為陡崖峭壁，構(gòu)成平面上“喇叭”型收斂。河谷地形為不對(duì)稱“V”字型，左岸1 210 m以上為寬緩臺(tái)地。老壩下游河谷狹窄，河谷斷面呈“U”字型，切割深度100 m左右，寬幾米至幾十米，兩岸均為陡峭絕壁，不適宜布置建筑物。樞紐布置充分考慮地形地質(zhì)條件、施工交通和經(jīng)濟(jì)性，將首部樞紐布置在老壩上游河段。樞紐布置具有以下特點(diǎn)：

1)利用兩岸山體和下游老壩布置壩體，節(jié)約壩體填筑量。

考慮利用老壩，使老壩位于壩腳，以節(jié)省壩體堆筑量，老壩同時(shí)作為下游圍堰；從地形條件上，壩線盡可能結(jié)合老壩下移。從地質(zhì)條件上，礫巖和砂巖分界線向下游逐漸降低，壩肩礫巖陡壁開挖量往下游越來越大，J1,J2,J3夾層作為右岸山梁的控制底滑面，抗?jié)B比降小，宜避開或少接觸；使J1夾泥層受水庫蓄水的影響較小，保持右岸山梁天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定現(xiàn)狀；綜合考慮引水建筑物進(jìn)水口、泄洪建筑物的布置。

2)利用右岸凸岸布置泄洪系統(tǒng)，減小建筑物線路長度。

從河谷地形地質(zhì)特點(diǎn)看，左岸為凹型，布置泄洪建筑物路線較長，且分布有多處危巖體和崩塌體，而右岸為凸型，路線較短，且線型順直，因此將泄洪建筑物布置在右岸。同時(shí)由于右岸可以布置泄洪建筑物的地形陡峻，布置開敞式泄洪建筑物，存在開挖量大，邊坡支護(hù)量大，投資高的問題。經(jīng)比較后，推薦在右岸布置泄洪沖沙洞和溢洪洞，其中泄洪沖沙洞線路長668.6 m，進(jìn)口邊坡最大高度120 m，溢洪洞線路長633 m，進(jìn)口邊坡最大高度35 m。

3)長引水線路布置，充分利用水頭發(fā)電。

本工程引水隧洞左右岸地質(zhì)條件基本相同，均要穿越石梯子向斜、齊古活動(dòng)斷裂帶，右岸的地形較左岸緩，局部沖溝切割較深，在滿足最小埋深的情況下繞過沖溝布置引水線路，右岸的引水線路較左岸長約200 m，而且有至齊古油田公路通過左岸，如果引水線路布置在右岸將增加臨建工作量，所以本工程的引水線路推薦左岸，洞線為折線方案。

引水系統(tǒng)采用一洞兩機(jī)的布置方式，由進(jìn)水口、引水隧洞、上游調(diào)壓室、壓力鋼管組成，單機(jī)引用流量25.07 m3/s，引水線路總長約8 615 m。電站引用流量小，主要利用水頭發(fā)電，最大設(shè)計(jì)水頭234 m，額定水頭215 m。沿引水隧洞分別布置了3條施工支洞，長度分別為690 m，470 m和160 m。

4)橋、隧結(jié)合，優(yōu)化交通布置。

由于壩頂以上兩岸地形近乎垂直，壩軸線和引水系統(tǒng)進(jìn)口自然坡度80°左右，泄洪沖沙洞進(jìn)口自然邊坡45°以上。設(shè)計(jì)為控制邊坡的處理工程量，對(duì)永久交通布置以“橋梁+隧洞”為主，包括左岸引水系統(tǒng)工作橋、引水進(jìn)口交通洞、上壩交通洞和泄洪洞工作橋。其中引水系統(tǒng)工作橋跨度34.2 m，橋臺(tái)最大高度21.3 m；泄洪洞工作橋跨度54.1 m，橋臺(tái)最大高度20 m。

4 建筑物設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4.1 瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計(jì)

1)利用天然砂礫石料筑壩，充分彰顯當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚慕?jīng)濟(jì)性。

壩體填筑總量約307萬m3，其中砂礫石料287萬m3。壩址區(qū)天然建筑砂礫料源豐富，可以利用C2砂礫石料場直接上壩，距離壩址0.8 km～2.0 km。料源為早期河流沖積、冰積的階地砂卵礫石堆積層，石質(zhì)致密、堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，其表層覆蓋有1 m～3 m不等的風(fēng)積黃色粉砂質(zhì)粘土。料場產(chǎn)地面積41.12萬m2，剝離量82.24萬m3，可采儲(chǔ)量517.44余萬平方米。

天然砂礫石料具有單價(jià)低、易壓縮等優(yōu)點(diǎn)，保障了工程的經(jīng)濟(jì)性，且利于控制壩體變形量值。但也有明顯的缺陷，就是抗水力沖蝕性差，所以在壩體設(shè)計(jì)中，對(duì)可能產(chǎn)生滲漏的通道設(shè)置了塊石排水體和排水管，以保護(hù)砂礫石填筑體。

2)因地制宜選擇壩型，瀝青心墻壩在經(jīng)濟(jì)性、施工、環(huán)保等方面有優(yōu)越性。

壩址地形開闊，河谷寬高比約3，巖體強(qiáng)度低，所以適宜布置當(dāng)?shù)夭牧蠅??？蛇x的壩型包括土心墻壩、瀝青心墻壩和混凝土面板壩。而對(duì)于土心墻壩主要是工程附近缺少滿足筑壩的防滲土料。混凝土面板壩因?yàn)樾枰趦砂堕_挖趾板基礎(chǔ)，導(dǎo)致邊坡規(guī)模大，相應(yīng)開挖量增加明顯。綜合比選后，瀝青心墻壩的投資最省，見表1。且工程附近有豐富的瀝青用料，該壩型施工受氣象條件影響也最小。所以，推薦瀝青心墻壩為本工程的推薦壩型。

表1 導(dǎo)流洞與泄洪洞結(jié)合方案比較表

4.2 泄洪沖沙兼導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)

1)導(dǎo)流和泄洪沖沙洞完全結(jié)合布置。

根據(jù)樞紐布置、施工布置和河谷地形地質(zhì)特點(diǎn)，左岸為凹型，且存在與引水洞進(jìn)水口布置干擾，導(dǎo)流洞較長；右岸為凸型，導(dǎo)流洞洞線較短，且線型好，故導(dǎo)流洞布置于右岸。基于壩址汛期洪水規(guī)模較小，研究了兩洞合一的結(jié)構(gòu)布置方式。

單獨(dú)布置導(dǎo)流洞和泄洪沖沙洞后，則導(dǎo)流洞需要向山體內(nèi)側(cè)移動(dòng)，洞線增加，而泄洪沖沙洞與導(dǎo)流洞底板高程接近，所以考慮兩者結(jié)合，主要分析了兩種方案，如表1所示。

兩者完全結(jié)合后在截流、封堵、經(jīng)濟(jì)性和工程風(fēng)險(xiǎn)控制方面優(yōu)勢明顯，所以本工程沖沙洞是一條多用途隧洞，在施工期作導(dǎo)流洞，運(yùn)行期作泄洪和沖沙用，并在必要時(shí)作水庫防空用。

經(jīng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)踐，認(rèn)為對(duì)于百米級(jí)的堆石壩工程，宜盡量研究導(dǎo)流和永久建筑物結(jié)合的形式，確保工程具有一條防空通道，以備應(yīng)急之用。

2)巧妙利用進(jìn)水塔空間布置生態(tài)流量設(shè)施。

本工程引水線路較長，為確保首部樞紐和下游尾水之間河段的生態(tài)，將生態(tài)流量放水設(shè)施布置在右岸泄洪沖沙(兼導(dǎo)流)洞進(jìn)口段中墩混凝土內(nèi)，放水管進(jìn)口高程1 175.70 m，出口位于中墩末端，放水管出口高程1 159.53 m。放水管采用管徑500 mm不銹鋼管，并在1 174.90 m平臺(tái)設(shè)置電動(dòng)錐形閥和渦輪傳動(dòng)檢修蝶閥。

3)多結(jié)構(gòu)和抗沖磨混凝土結(jié)合，規(guī)避高速水流對(duì)混凝土的空化、氣蝕等影響。

泄洪洞在校核水位1 240.86 m時(shí)的最大泄量為1 059 m3/s，最大流速33.2 m/s。設(shè)計(jì)中在工作閘門后邊墩結(jié)構(gòu)中設(shè)置φ120 cm通氣鋼管，在邊墩結(jié)構(gòu)中設(shè)置1.55 m×1.92 m矩形通氣孔，無壓隧洞洞身段設(shè)置3個(gè)摻氣坎，降低高速水流對(duì)接的空化、氣蝕。

結(jié)合水力學(xué)模型試驗(yàn)，在進(jìn)水塔以上8 m墻體和閘墩、洞身底板和邊墻0.6 m高度、出口消能工底板和邊墻結(jié)構(gòu)采用外摻HF C90-40混凝土進(jìn)行抗沖磨設(shè)計(jì)。

4.3 溢洪洞設(shè)計(jì)

溢洪洞位于大壩右岸，溢流堰底及隧洞段坐落于J2q2-1～J2q2-5中～厚層砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。設(shè)計(jì)水位1 240 m時(shí)，最大流速21.32 m/s。隧洞出口采用挑流消能，出口高程1 185.0 m，距離河床水平距離約30 m，垂直高度約94 m，在小流量條件下水流很難完全挑入河床范圍，會(huì)對(duì)本岸山體產(chǎn)生沖刷。

工程運(yùn)行調(diào)度要求溢洪洞正常情況下不參與泄洪，在出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水或特殊情況下才開啟，主要是作為非常溢洪洞使用?；谝绾槎闯隹诘匦味盖停瑹o施工通道。結(jié)合現(xiàn)場地形條件，將原明挖出口調(diào)整為洞挖出，簡化了施工。

4.4 引水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)噴錨+柔性格賓相結(jié)合的進(jìn)水口支護(hù)形式。

進(jìn)水口引渠邊坡上部為砂礫石、底部為J2q2-5，J2q2-4，J2q2-3紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，且分布范圍廣，設(shè)計(jì)中針對(duì)開挖后的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖采取了噴錨和貼坡處理，而上部砂礫石邊坡采用格賓護(hù)坡處理，坡面1∶1.75，最大高度約20 m。

采用格賓護(hù)坡可避免坡體內(nèi)部因排水不暢而積水，在冬季結(jié)冰而擠壓護(hù)坡結(jié)構(gòu)，同時(shí)格賓護(hù)坡的柔性結(jié)構(gòu)能適應(yīng)坡體的變形。運(yùn)行表明，水庫冬季結(jié)冰厚度大于1 m時(shí)，格賓護(hù)坡結(jié)構(gòu)運(yùn)行正常，沒有出現(xiàn)明顯的破壞。

2)多層優(yōu)化，控制引水隧洞投資。

3)具有防滲和保溫要求的調(diào)壓井。

調(diào)壓室布置于廠房后Ⅳ級(jí)階地平臺(tái)內(nèi)側(cè)條形山梁內(nèi)，地面高程1 285.86 m。調(diào)壓井井筒直徑11.0 m，高度約107 m。調(diào)壓室地層為Ktga,Ktgb薄層、極薄層、中厚層粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖等，巖性軟弱，屬易風(fēng)化、崩解巖體類。

針對(duì)以上地質(zhì)條件，為避免運(yùn)行時(shí)調(diào)壓井內(nèi)水外滲對(duì)山體穩(wěn)定造成影響，要求對(duì)調(diào)壓井內(nèi)壁進(jìn)行防滲處理。同時(shí)為防止頂部有冰凍影響，在調(diào)壓井頂部布置網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行井筒保溫。

4)采用限溫+保溫的措施，限制壓力鋼筋結(jié)構(gòu)縱向溫度變形。

壓力鋼管布置線路總長1 225.8 m，根據(jù)地形條件分為埋藏式、淺埋式和明管，淺埋式壓力鋼管段除了外包混凝土以外，按照凍土深度回填了砂礫石料。而明管段由于位于斜坡段，高度約90 m，需研究低溫和溫差變幅大不利條件下的保溫措施，以控制管壁內(nèi)外溫差過大引起的混凝土開裂和鋼管應(yīng)力增加。

5 結(jié)語

石門水電站樞紐布置充分利用上“喇叭”型地形，將首部樞紐布置在老壩上游位置，并選擇右岸凸岸布置泄洪系統(tǒng)。從地質(zhì)條件上規(guī)避卸荷拉裂體，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)危巖體，4號(hào)崩塌堆積體及1號(hào)滑坡體對(duì)建筑物的不利影響。利用左岸山體布置了引水發(fā)電系統(tǒng)，充分利用水頭發(fā)電。

工程所推薦的瀝青心墻壩筑壩技術(shù)研究和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可以供類似工程參考，同時(shí)為百米級(jí)以上瀝青心墻壩設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。本工程通過寒冷地區(qū)的水工建筑物設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行實(shí)踐，提出了一套寒冷地區(qū)水工建筑物防冰凍、保溫和不良地質(zhì)條件處理的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于指導(dǎo)寒冷地區(qū)水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院,呼圖壁河石門水電站可行性研究報(bào)告(工程布置及建筑物)[R].2008.

HublayoutandstructurecharacteristicsofShimenhydropowerstation

ZhangHezuoLuoGuangqi

(GuiyangEngineeringCorporationLimited,PowerChina,Guiyang550081,China)

Combining with actual engineering conditions and local climatic and morphological conditions, the paper introduces hub layout characteristics of Shimen hydropower station, and studies the building design characteristics from aspects of asphalt concrete hollow wall rock-fill dam design, spillway sand-washing and diversion tunnel design, and spillway tunnel design. The practical experience can provide some guidance for similar engineering.

hydropower station, hub layout, building, spillway tunnel

1009-6825(2017)23-0017-03

2017-06-04

張合作(1979- )，男，高級(jí)工程師

TU271.1

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