沙湾水电站首部枢纽布置设计简介

唐志丹，袁 琼，魏刚文

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

沙湾水电站位于四川省凉山州木里县境内的木里河干流上，系木里河干流(上通坝～阿布地河段)水电规划“一库六级”的第三个梯级，上游与卡基娃水库电站、下游与俄公堡水电站相衔接。闸址位于瓦郎沟沟口下游1.5km河段，水库正常蓄水位2 572.00m，相应库容316万m3，闸顶长76.20m，最大闸高27.00m。右岸引水至沙湾大桥下游1.5km处建厂发电，引水隧洞长18.7km，利用落差256m，装机容量240MW，年发电量为12.511亿kW·h,年利用小时数为5 210h，具有日调节能力。

2 设计基础资料

2.1 工程等别、建筑物级别及洪水标准

根据《防洪标准》(GB50201-94)及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2000)之规定，本工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，永久性主要水工建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时性建筑物级别为5级。相应各主要建筑物的洪水标准如下：

(1)混凝土挡水、泄水建筑物按100年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核；

(2)电站厂房按100年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核；

(3)泄水建筑物消能防冲按30年一遇洪水设计。

2.2 水文气象及泥沙条件

沙湾电站闸址位于瓦郎下游约3km处，集水面积6 813km2。厂址位于沙东河汇口下游约600m，集水面积7 522km2。根据木里县气象站1961～2007年资料统计，多年平均气温为12.4℃，极端最高气温34.1℃(1983年7月3日)，极端最低气温为-10.6℃(1982年12月31日)。多年平均年降雨量为832.0mm，最大一日降雨量77.4 mm，多年平均年蒸发量2 052.6mm，多年平均相对湿度57%，最小相对湿度接近于0，多发生在春季。多年平均风速1.8 m/s，最大积雪深度13.0cm。闸址100年一遇设计洪峰为1 260m3/s，500年一遇校核洪峰为1 500m3/s。

沙湾水电站闸址多年平均悬移质年输沙量139万t，多年平均含沙量398g/m3。悬移质颗粒最大粒径1.0mm，平均粒径0.061 8mm，中数粒径0.033mm，粒径大于0.25mm的沙重占4.5%。闸址推移质多年平均年输沙量3.57万t。

2.3 工程地质条件

2.3.1 区域地质与地震

区内无大的地震构造存在，历史及现今地震活动较弱，工程区地震危险性主要受到外围(理塘地震带，木里-盐源地震亚区)的强震及中强震波及影响，波及到工程区的地震烈度不超过Ⅶ度，区域构造基本稳定。据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)，工程区基岩地震动水平峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.45s，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

经过5·12汶川大地震后评价复核表，并经四川省地震安全性评定委员会和四川省地震局审批同意，沙湾水电站闸址和厂址未来50年超越概率10%的基岩水平峰值加速度值分别为155cm /sec2、150cm/sec2，相应地震基本烈度为Ⅶ度。根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000)的规定，本工程建筑物抗震设防类别为丙类，采用基本烈度作为设计烈度。

2.3.2 首部枢纽工程地质条件

闸基覆盖层地基各层次结构复杂，成因类型不同，颗粒大小悬殊，结构不均一，其物理力学性质差异较大，存在不均一变形问题。闸基下的第③层含砾石砂层：分布连续，埋深一般5～8m， 厚度一般3～6m，局部10m。经初判和复断：在发生Ⅶ度地震时，该层可能液化，建议进行工程处理。①-2层砾石砂土：主要分布于横Ⅰ线上下游约50m的①-1层顶部，分布不连续，呈透镜体，顶板埋深18～23m，厚0.3～5m，偏右岸较厚，最厚达5m，向上、下游及左岸变薄，厚度差异较大。经标贯锤击法复判，该层在发生Ⅶ度地震时，不液化。闸基覆盖层结构松散，透水性强，无相对隔水层，故存在渗漏及渗透变形问题，鉴于河床覆盖层厚度不大，厚22～33m，建议闸基覆盖层进行全封闭防渗处理、闸基岩体防渗帷幕穿过中等透水岩体，即基岩顶板面下20～30 m，或者应根据水库允许渗漏量和允许比降，做好闸基防渗工程处理。

3 首部枢纽布置设计

根据河道的冲淤特征、地形地质条件以及取水防沙的要求，首部枢纽建筑物的布置从左至右依次为左岸连接坝段、3孔泄洪闸、1孔冲沙闸、右岸连接坝段及取水口。除两岸连接坝段及进水闸建基于基岩上外，其余均建基于覆盖层上。拦河闸坝均采用混凝土结构，闸顶高程2 574.00m，闸顶长度76.20m。首部枢纽布置见图1。

图1 首部枢纽平面布置示意

上坝公路由过坝交通洞分岔洞至右岸连接坝顶，上坝交通洞总长约108m。

3.1 左、右岸挡水建筑物

左、右岸挡水建筑物均为混凝土重力坝，坝顶高程2 574.00m，最大坝高24.50m，坝顶宽度均为12.00m。左岸连接坝段长为18.30m，设2个坝段，均建基于基岩上。右岸连接坝段长为19.90m，设2个坝段，分别建基于砂卵砾石层和基岩上。泄洪闸和冲沙闸检修门储门槽均设在左岸挡水坝段内。为保护生态，满足环保要求，在右岸连接坝段设置一根φ55cm的泄水钢管，穿过连接坝段出口于护坦斜坡段边墙上。由于右岸2号坝段建基于砂卵砾石层，坝址部位基础承载力不能满足实体重力坝对坝址应力要求，采用了空腹重力坝的形式。

3.2 泄洪闸、冲沙闸建筑物

冲沙闸、泄洪闸布置在主河床，取水口布置在右岸，构成“正向冲沙、泄洪，侧向取水”的引水防沙和泄洪冲沙的枢纽体系。冲沙闸为1孔，孔口尺寸为4.00m×10.00m(宽×高)，设弧形工作闸门和平板检修闸门各一扇；泄洪闸为3孔，孔口尺寸为6.00m×7.00m(宽×高)，各设一扇弧形工作闸门，共用一扇平板检修闸门。闸室顺水流方向长35.00m，闸室边墩厚2.50m，中墩厚3.50m和3.00m，缝墩厚4.50m，闸底板厚3.50m，底板高程均为2 553.00m，最大闸高27.00m。闸前设置10.00m长钢筋混凝土铺盖，其中泄洪闸前铺盖厚3.00m，冲沙闸及取水口前铺盖厚1.50～3.00m，铺盖顶高程为2 553.00m。

3.3 引水防沙、排沙布置

取水口为直立岸塔式，采用侧向取水的布置型式，闸顶高程为2 574.00m。取水口拦污栅闸为3孔布置，单孔净宽8.00m，孔口内设置一道工作拦污栅及机械清污系统。进水闸为胸墙式，底板高程2 551.50m，设有一道平板工作闸门。取水口拦污栅闸与进水闸间为长9.00m的渐变段，底坡1∶2。取水口上游侧设置清污平台，其上游侧用重力式导墙引导、平顺水流，并与岸坡相接。

木里河流属于山区多泥沙河流，引水防沙问题突出。为了解决好引水防沙问题，在首部枢纽布置中采取以下几项措施：

(1) 根据闸址处地形条件，将取水口置于河床右岸，紧靠取水口布置一孔冲沙闸和三孔泄洪闸，采用“侧向取水，正向排沙”的布置形式。

(2) 取水口底坎高程在满足取水口引用流量及过栅流速要求的前提下，尽量抬高，选定为2 556.00m，前缘设2.00m高的坎，高出冲沙闸底板5.00m，使取水口前缘形成一道拦沙坎，以拦截推移质，防止其进入取水口。

(3) 在冲沙闸和泄洪闸之间的闸墩上游和喇叭口中部设一道纵向束水导墙，使之与取水口前缘拦沙坎之间形成两个喇叭型冲沙槽，利用坎、墙之间的狭道束水攻沙，并通过冲沙闸排向下游，以保证取水口前“门前清”。

(4) 在束水导墙和取水口之间设置一道斜向的拦沙坎，拦截较大的推移质，使进入到取水口前的推移质尽量减少。

在本工程的引水防沙设计中，开展了首部枢纽水工模型试验研究。模型为长度比尺1∶40的正态整体模型，模拟范围为闸轴线上游1 200m至闸轴线下游450m，采用精煤粉轻质沙模拟库区泥沙淤积冲刷试验。

根据水工模型试验结果，可以得到如下结论：

(1)经模型试验修改优化后的取水口前束水墙、拦沙、导沙坎等防排沙措施，可以有效地起到引水防沙的作用。

(2)通过库区沉降、敞泄排沙以及中水代表年系列输沙过程试验，表明沙湾水库采用合理的水沙调度运行方式可以起到“以库代池”的作用。中水代表年输沙过程中，按运行方式经4次停机敞泄排沙(每次6h)运行，可以保证库区泥沙调度要求：各引水发电时段入库悬沙库区总沉降率达64%～83%，其中，d>0.25mm粗沙沉降率均在80%以上；取水口汛期发电引水平均含沙量230.17g/m3，对于d≥0.25mm 颗粒，引水时段最大含沙量<10g/m3，平均引水含沙量<2.0g/m3，满足规范有关发电引水防沙要求。

试验表明，沙湾水库在采用合理水沙调度方式下，“以库代池”是合理可行的。

3.4 消能防冲设计

因木里河属山区多泥沙河流，汛期洪水夹带有较多的推移质和悬移质，而地形上没有设置地面沉沙池的条件，根据水库调度运行方式，大量的推移质和悬移质将通过泄洪闸和冲沙闸排向下游河道，因此做好过水过沙建筑物的防冲耐磨设计是非常重要的。根据模型试验结果和已建类似工程的经验，从有利于冲沙考虑，在下游护坦上不宜设置消能建筑物。出闸水流采用急流与下游河道衔接的方式更有利于冲沙，但由于单宽流量较大，对下游河床冲刷严重。为减小对下游河床的冲刷，考虑抬高下游水深并采用底流式消能方式与下游河床相接。护坦采用扩散状钢筋混凝土结构，底板高程2 549.00m，厚3.00m，长60.00m，坡段纵坡为1∶4。护坦末端设6.00m深的防冲齿槽，其后设25.00m长的海漫保护区，并在海漫末端施工开挖预留槽内抛填大块石保护。

由于汛期推移质大量过闸，以及库区不定期敞泄排沙，故首部枢纽泄水建筑物过流易磨损部分需采取抗磨保护措施。在防冲抗磨设计中，根据各泄水部位的磨损情况及其重要性，并考虑其修复施工及检修的难易，分别采用不同的措施进行处理。泄洪闸、冲沙闸闸室底板和闸室底板以上1.50m高度范围内的闸墩采用12mm厚钢板保护。上游铺盖、下游护坦表面采用0.40m厚的C40HF耐磨混凝土保护。

3.5 基础防渗设计

根据地质条件，闸基处河床覆盖层较深，结构复杂、松散，透水性强，存在闸基渗漏变形稳定的问题。地震烈度为Ⅶ度，闸、坝河床基础防渗采用全封闭式防渗墙，防渗墙伸入基岩1.00m，最大深度约30.00m，防渗墙厚度为0.8m，防渗墙布置在拦河闸底板上游齿槽下，并经挡水坝向两岸延伸与两岸坝肩的基岩灌浆帷幕相连接。灌浆帷幕封闭中等不透水地基，根据地质渗透剖面图及建筑结构布置，灌浆帷幕顶高程为坝顶高程2 574.00m，左岸利用帷幕灌浆平硐向山体内延伸长32.00m，右岸利用上坝交通洞兼作帷幕灌浆平硐向山内延伸24.5m，向下封闭相对中等不透水地基。帷幕灌浆孔原则上采用间距2m孔布置，分三序孔施工，防渗要求达到灌浆后岩石渗透率小于5Lu，如达不到防渗要求，需施工错开布置的第二排灌浆孔(下游排距1m)。最终使闸基防渗墙与左、右岸灌浆帷幕形成全封闭的防渗体系，满足工程需要。首部防渗布置见图2。

图2 首部防渗布置示意

3.6 闸室基础处理

首部枢纽河床覆盖层冲积堆积的含漂砂卵(碎)砾石②层、冰水堆积的含漂砂土卵(碎)砾石①层，粗颗粒基本构成骨架，承载力较高，③、④层结构较为松散，尤其是③层含卵砾石砂层，承载力低，仅0.10～0.13MPa，第④层含漂砂卵砾石层承载力仅0.20～0.30MPa，不能满足建筑物地基承载力要求。由于各层结构存在不均匀性及层与层之间的差异较大，闸基存在不均匀变形稳定问题。且闸址区连续分布③层含卵砾石砂层，厚度3～6m，埋深5～8m。据钻孔取样物性试验和颗分资料，主要以中细砂为主，次为粉砂和粘粒。地质初判和复判在发生Ⅶ度地震时该层存在液化的可能。闸址区河床覆盖层较深，闸基坐落在冲积堆积的第④层含漂砂卵砾石层上。第①层结构较密实，第③层以细颗粒为主，渗透性相对较弱，第②、④层结构较为松散，具强—极强透水性，闸基无相对隔水层，故闸基存在渗漏及渗透变形稳定问题。

为改善地基应力分布，减小闸基不均匀沉降，防止③层含卵砾石砂层液化及变形，提高基础承载力，须对闸基范围作基础加固处理。根据处理方案比较以及开挖揭示的闸基地质条件，最终采用高压旋喷灌浆进行地基加固处理。在高压旋喷施工中，对施工技术要求，除按相关规程、规范执行外，设计推荐采用二重法旋喷灌浆施工，相应的水灰比为1∶1～1.5∶1，其相应浆液密度分别为1.5g/cm3和1.37g/cm3，施工参数据现场地质条件及试验确定。处理后地基应达到以下技术指标：对梅花型布置，间排距为2.5m×2.5m的区域，渗透系数K≤1×10-4cm/s；地基承载力≥0.5MPa；对矩形布置，间排距为4.0m×4.0m的区域，地基承载力≥0.25MPa。旋喷桩底部穿过第③层深入第②层1m。

3.7 河道整治及岸坡保护

根据地形、地质条件，结合引水防沙及抗冲的要求，在右岸取水口上游侧设置混凝土导水墙与右岸岸坡相接，下游端与取水口清污平台相连，墙顶高程2 565.50m，以改善取水防沙条件，对导水墙上游侧采用大块石压坡护脚。

海漫下游的两岸边坡，左岸基岩裸露，右岸在海漫末端出口处为覆盖层。为使海漫末端的下泄水流归槽效果好，防止对两岸的淘刷，左岸采用贴坡式混凝土挡墙归顺下泄水流，右岸采用重力式混凝土挡墙进行护坡，挡墙末端与右岸基岩相接，并用大块石对海漫下游右岸坡脚进行保护。

闸址区河谷狭窄，两岸自然边坡高陡，坡高达100～200m以上，坡度50°～70°，地层岩性为变质石英砂岩。两岸自然坡体整体基本稳定，但裂隙将岩体切割成楔型块体，由于卸荷、风化及自重作用，局部岩(块)体易产生崩塌。为防止两岸风化岩块脱落威胁大坝安全，须将近坝危岩块撬掉，对近坝两岸首部枢纽建筑物范围内表面裂隙发育的边坡进行锚喷支护。锚杆采用φ25，L=5m、6m及8m的系统锚杆，其间、排距为2.0m，梅花型布置。对破碎岩体边坡增加挂网喷混凝土支护措施，钢筋网采用φ6@20cm×20cm。

4 结 语

沙湾水电站首部枢纽自开工建设以来，在技施设计及施工过程中，从闸坝基础、闸肩边坡开挖情况来看，与原来勘探的地质条件基本吻合，无重大工程地质变更。沙湾水电站经过几年的施工建设，在参建各方的共同努力下，工程已基本完工。目前工程已经并网发电，各部位运行正常。

参考文献：

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

[2] 陈宝华，张世儒.水闸[M].中国水利水电出版社，2003.