坪头水电站首部枢纽布置设计

庞明亮，唐 虎

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪头水电站位于四川省凉山州美姑河干流上，为单一发电工程，无灌溉、防洪等综合利用要求，电站开发方式为闸坝引水式开发，主要建筑物由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽三大部分组成。美姑河流域属金沙江左岸的一级支流，发源于大凉山南麓，干流全长170km，落差2 983m，属典型的山区河流。

2 设计基础资料

2.1 工程等别、建筑物级别及洪水标准

水库正常蓄水位913.00m，总库容62万m3，调节库容9.77万m3(扣除淤积)，具有日调节能力。电站装机容量180MW。根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，本工程规模为中型，工程等别为三等，挡水建筑物和引水系统等主要建筑物按3级设计，次要建筑物按4级设计。根据GB50201-1994《防洪标准》及DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，考虑到水库库容较小、下游无重要城镇，洪水标准采用下限，相应建筑物防洪标准为：拦河闸坝设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇。

2.2 水文气象及泥沙条件

美姑河流域属川西高原气候区，具有“冬寒、春干、夏凉、秋润”的山区性气候特点，立体气候明显。多年平均气温11.3℃，极端最高和最低气温分别为32.3℃和-10.7℃。坪头水电站首部枢纽位于美姑河下段柳洪乡，集水面积2 468km2，多年平均流量48.8m3/s；洪水由暴雨形成，具有陡涨陡落的特点，年最大洪水多为单峰过程，洪峰形状尖瘦；50年一遇洪水流量为2 440m3/s，500年一遇洪水流量为3 990m3/s。

根据对美姑水文站实测泥沙资料的分析，坪头水电站首部悬移质多年平均输沙量为284万t, 悬移质矿物成分主要为黏土，其次为石英、长石。由实测床沙颗粒级配及水力要素推算，首部枢纽河段各代表年(丰、中、枯水年)的平均年推移质输沙量为4.5万t。

2.3 工程地质条件

2.3.1 区域地质与地震

电站工程场地在区域构造上位于四川省西南部“川滇南北构造带”与四川盆地沉降带的交接部位，挟持于刹水坝-马颈子断裂带、美姑河断裂带、普雄河断裂带所围限的次级块体内，属凉山拗褶带东亚区，区内无区域性断裂分布，不具备发生中强震的地震地质条件，其地震效应属工程区外围强震活动的波及影响区，工程区属基本稳定区。依据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》及四川省地震局《美姑河坪头水电站工程场地地震安全性评价和水库诱发地震评价报告》，坪头水电站坝址区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.127g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

2.3.2 首部枢纽工程地质条件

首部枢纽河床覆盖层揭示厚度一般7.0～16.0 m，最大厚度30.2m，覆盖层结构较复杂。进水口及左岸闸基置于以粗颗粒为主的第④层含漂(块)砂卵砾石层上，右岸闸基及挡水坝基础大部分为基岩，部分为第①层含漂砂卵(碎)砾石层，其承载力基本满足要求，但左、右岸闸基差异较大。①、④层结构不均匀，厚度变化大，存在地基不均匀变形问题。

左岸闸基为覆盖层，透水性强，两岸岸坡裂隙较发育，岩体以中等透水为主，存在闸基及绕闸渗漏问题，需采取相应的工程处理措施。

3 首部枢纽布置设计

首部枢纽位于柳洪沟下游650m附近，建筑物从右岸至左岸依次由右岸挡水坝、三孔泄洪闸、一孔冲砂闸及进水口等建筑物组成。拦河闸坝轴线方向为N7°38′30.84″E，闸顶高程915.00m，最大闸高38.50m，闸线总长约115.00m，各建筑物均为混凝土结构。首部枢纽平面布置见图1。

图1 首部枢纽平面布置

3.1 进水口及左岸挡水坝建筑物

进水口布置在河床左岸，其前缘线与拦河闸轴线呈120°夹角，由拦污栅、明渠渐变段和正方形引水隧洞段等建筑物组成。

拦污栅栅孔净宽根据引用流量及过栅流速确定，栅孔净宽为10.00m，分为两孔，每孔净宽5.00m，每孔内设有一道拦污栅及一套机械清污设施。拦污栅后接明渠渐变段，宽度由13.00m经弧形断面缩窄至5.90m。明渠渐变段后接正方形引水隧洞段，闸孔高5.90m。整个进水口段长32.50m，其后为10.00m长的隧洞渐变段与圆形有压引水隧洞相连。

引水隧洞底板顶面高程由有压进水孔口最小淹没深度确定，为895.00m。进水闸顶板采用圆弧曲线，其后设一扇平板闸门，孔口尺寸为5.90m×5.90m。

左岸挡水坝与进水口连成一体共同挡水，坝顶高程915.00m，下游坝坡1∶0.6，最大坝高32.00m。

3.2 泄洪闸、冲沙闸建筑物

3.2.1 泄洪闸、冲沙闸底板顶高程的确定

闸底板顶高程的确定以尽量不改变原河道水、沙运动规律，又能顺畅排沙为原则。根据河道的冲淤特征及地形地质条件，选择冲沙闸、泄洪闸底板顶面高程分别为886.00m和887.00m，与平均河床高程基本一致，泄洪闸及冲沙闸底板厚度根据结构应力计算确定为5.00m。

3.2.2 泄洪闸、冲沙闸孔数及孔口尺寸选择

为尽量保持原河道特性，泄流前缘宽度与河床宽度基本一致，冲沙闸、泄洪闸尽量布置在河流主河槽内。泄洪闸孔数，考虑闸孔运行调度灵活，泄水时可对称开启，不致在下游造成折冲水流和集中水流，泄洪闸选择奇数孔。闸孔宽度经泄洪消能计算，并考虑水库冲沙要求及技术经济比较，确定孔数及孔口尺寸为：泄洪闸3孔，单孔尺寸8.00m×15.00m(宽×高)，孔顶(902m高程)以上设置胸墙；冲沙闸1孔，孔口尺寸3.00m×8.00m(宽×高)，孔顶(894m高程)以上设置胸墙。

3.2.3 闸坝顶高程的确定

水库正常蓄水位为913.00m，设计洪水位为901.82m，校核洪水位为907.92m；水库最大风速20.00m/s，相应风向ESE，吹程约0.90km，累积频率1%的波浪高度0.84m，风壅水面高度0.38m；3级建筑物安全超高不小于0.40m；同时考虑地基沉降等因素；确定闸坝顶高程为915.00m。

3.2.4 闸室结构设计

泄洪闸、冲沙闸闸室总宽度50.50m，顺水流方向长度45.00m，闸顶高程915.00m，泄洪闸底板顶面高程887.00m，冲沙闸底板顶面高程886.00m。由于闸室基础的不均匀性，为适应基础变形，将3号、2号泄洪闸单独分设闸段，1号泄洪闸及冲沙闸共同作为一个闸段。不分缝的中墩厚度5.50m，分缝的中墩厚度6.00m，边墩厚度3.00m。

3.2.5 闸室建基面高程选择

考虑3号泄洪闸底板顶高程及闸底板厚度，将闸室建于基岩面上，建基面高程确定为882.00m。可研阶段所确定的2号泄洪闸设计建基面高程为882.00m，1号泄洪闸设计建基面高程为882.00m，冲沙闸设计建基面高程为881.00m。经地质专业推测该层地基为第④层含漂(块)砂卵砾石层。该层分布较连续，承载力与变形模量较高，允许承载力为0.4～0.5MPa，满足闸室建基要求。但在2号泄洪闸、1号泄洪闸及冲沙闸基础开挖至882.00m高程时发现，地基持力层与可研阶段预测情况发生了较大变化，基坑底面出露④-2层灰黑色含漂(块)卵(碎)砾石土层，该层结构较松散，多呈“泥包砾”状结构，粗颗粒未能构成骨架，其性状不能满足设计要求。针对施工过程中所揭示的地质情况，考虑采用挖除大部分承载力较低的④-2层灰黑色含漂(块)卵(碎)砾石土层后回填砂卵砾石或素混凝土的方式进行换基处理。通过技术、经济比选，最终对原设计建基面高程出露的不满足要求的土层，采取挖除后回填素混凝土换基的方式处理。

2号泄洪闸882.00m高程以上为结构混凝土保持不变，882.00～876.50m为回填置换混凝土区，回填置换混凝土的基础主要为④-3层灰黄色孤漂砂卵砾石层，局部为④-2层灰黑色含漂(块)卵(碎)砾石土层。1号泄洪闸882.00m高程以上为结构混凝土保持不变，882.00～877.00m间为回填置换混凝土区；冲沙闸881.00m高程以上为结构混凝土保持不变，881.00～877.00m间为回填置换混凝土区。1号泄洪闸及冲沙闸回填置换混凝土的基础为第④-1层灰黄色漂砂卵砾石层及少量的④-2层灰黑色含漂(块)卵(碎)砾石土层。对勘探、试验资料的分析和闸室基底应力、稳定及闸室基础沉降计算表明，新确定的2号泄洪闸、1号泄洪闸及冲沙闸持力层满足设计要求。

因对2号泄洪闸、1号泄洪闸及冲沙闸范围内的一定深度的覆盖层采取挖除、回填素混凝土换基的方式进行了处理，剩余覆盖层厚度较薄，原设计的固结灌浆的基础处理措施已无必要，故取消。

3.2.6 引水防沙、冲沙措施设计

由于入库悬移质含沙量较大，为解决悬移质粗沙过机问题及节省工程投资，设计中采用 “以库代池”方案。为保证电站所需日调节库容不被泥沙侵占，又要保持一定的调节库容，使水库有较好的沉沙效果，在水工布置时设置了导、拦、沉、冲相结合的工程措施：

首先，将进水口位置选择在河流的凹岸(左岸)，以利用河流弯道的环流作用把大量泥沙推向凸岸，由泄洪闸排往下游。其次，进水口底板顶面高程较冲沙闸底板顶面高9.00m，以阻挡闸前的泥沙进入进水口。另外，在冲沙闸与1号泄洪闸之间的上游铺盖上设置2道束水墙，束水墙将大量推移质导入泄洪闸，排至下游。同时，由束水墙形成的狭窄冲沙槽，可束水攻沙，将沉积在进水口前的泥沙，由冲沙闸排向下游。

3.3 右岸挡水坝建筑物

在泄洪闸右侧采用混凝土重力坝与右岸岸坡相连接。右岸挡水坝坝顶高程为915.00m，坝踵建基面高程为882.50m，坝趾建基面高程为884.50m，最大坝高32.50m。坝顶长约41.00m，坝顶宽度16.00m，下游坡比为1∶0.6。考虑泄洪闸、冲沙闸检修闸门的存储要求，在右岸挡水坝上设置泄洪闸及冲沙闸的检修闸门储门槽。为优化右岸挡水坝的抗滑稳定及基底应力条件，在其下游采用砂卵石回填至905.00m高程。为适应地基变化、减小不均匀沉降对挡水坝结构的影响，将右岸挡水坝设置一条横缝，分为1号挡水坝段及2号挡水坝段。其中1号挡水坝段紧靠3号泄洪闸边墩，建基于基岩面上；2号挡水坝段紧靠右岸岸坡，建基于覆盖层中的第①层含漂砂卵砾石层上，通过上坝公路与S307省道相连通。

3.4 消能防冲设计

为尽量减小汛期泄洪时出闸水流对下游河床及岸坡的冲刷破坏，须选用合理的消能方式，布置可靠的消能防冲设施。经分析计算及水工模型试验验证，最终确定在闸室下游采用挖深式消力池进行底流消能。闸室下游设长88.00m的钢筋混凝土护坦。护坦包括斜坡段和水平段，斜坡段长度26.25m，泄洪闸段坡度1∶3.5，冲沙闸段为1∶4.04，护坦水平段底板顶面高程为879.50m。护坦下游设20.00m长的钢筋混凝土柔性海漫。

3.5 基础防渗设计

根据闸基和两岸渗透特性以及首部枢纽建筑物布置情况，按照满足闸基、两岸渗透稳定及控制渗流量要求进行防渗设计。

为减小施工干扰、缩短工期，并有利于延长渗径、降低闸基渗透压力，对闸基采用水平防渗及垂直防渗相结合的防渗方案。结合进水口布置特点，水平防渗采用钢筋混凝土铺盖，铺盖顺水流向长度20.00～67.58m；垂直防渗采用封闭式混凝土防渗墙结合帷幕灌浆，防渗墙深入基岩1.00m，防渗墙体深度约2.00～20.00m，设置于闸室上游钢筋混凝土铺盖下和右岸挡水坝及右岸公路下古河床段的覆盖层中。河床与两岸基岩防渗采用帷幕灌浆，帷幕灌浆要求深入岩体相对隔水层(Lu<5)内，灌浆孔孔深约15.00～67.00m。

3.6 边坡加固处理

3.6.1 闸首左岸自然边坡防护设计

闸首左岸自然边坡陡壁，由中厚～厚层状白云质灰岩夹泥质灰岩、灰绿色页岩夹粉砂岩组成，现状整体稳定，但受结构面切割及浅表部卸荷影响，在首部枢纽建筑物范围内大致有8处危岩体，对工程和施工安全构成较大的威胁，需进行加固处理。

根据危岩体发育的工程地质条件和危岩体的地质特征、可能变形失稳模式，采用宏观的地质判断来确定危岩体的稳定性。结合危岩体的大小、危岩体失稳可能对枢纽区建筑物及人身安全的影响程度，对首部主要危岩体分布的大部分陡崖区域岩体采用主动防护网加锚杆进行防护。主动防护网采用FSS-JG-250-G型，锚杆采用高强钢绳锚杆，主动防护网和锚杆为一整体，联合受力。

在首部主要危岩体分布的大部分区域陡崖顶部斜坡上，分别在1 061.00m和1 085.00m高程布置2道被动防护网，防止陡崖顶部以上斜坡的地面危石、滚石下落对进水口、左岸闸室、护坦等主要建筑物的破坏。被动防护网为FSS-PD-500型柔性被动防护网，高5.00m，长155.00m。

3.6.2 柳洪沟下游侧变形土体加固设计

在进水口上游30.00～40.00m处基岩陡壁沟槽的上部为柳洪沟古滑坡堆积体，受冲沟的侵蚀，滑坡体表层已发生牵引式拉裂和下错，部分土体已下滑至沟槽内。柳洪沟下游侧变形土体目前已存在明显的拉裂缝，稳定性较差，在暴雨工况下，有可能失稳。因此，对柳洪沟下游侧变形土体进行了工程处理。经方案论证比选，柳洪沟下游侧变形土体加固方案首先考虑地表截、排水措施，在此基础上，采用锚索加混凝土框格梁来加固变形土体。锚索加混凝土框格梁护坡范围为高程1 067.50～1 095.50m，宽73.00m。预应力锚索采用750kN级拉力分散型无粘结锚索，布置在混凝土框格梁结点上，间、排距6.00m×6.00m，深15.00～30.00m，穿过变形土体，锚入完整基岩。

4 结束语

坪头水电站首部枢纽为集引水与泄洪于一体的具有较大坝高的闸坝工程，枢纽布置充分考虑了引水防沙与泄洪消能相结合的原则。为实现“以库代池”的目标，闸前设置了“导、拦、沉、冲”等工程措施，将入库泥沙经冲沙闸、泄洪闸排向下游，为山区河流上的引水式电站的首部枢纽布置提供了一种典型而实用的参考方式。电站首台机组于2011年5月28日并网发电，近一年的运行监测表明，首部枢纽布置的方案是合理可靠的。

[1] SL265-2001水闸设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2001.

[2] 陈宝华，张世儒.水闸[M].北京：中国水利水电出版社，2003.