土溪口水库枢纽布置研究

王 静，王 曦，邹 骏，朱 永

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

土溪口水库枢纽布置研究

王 静，王 曦，邹 骏，朱 永

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

土溪口水库位于州河主要支流前河上游，上、下坝址相距约3.7km，为峡谷地貌，河谷狭窄，均存在泄洪建筑物与电站厂房的布置协调问题。下坝址因存在渡口乡淹没问题，投资高，确定上坝址为推荐坝址。根据上坝址工程地质条件及当地建筑材料，拟定混凝土面板堆石坝、碾压混凝土重力坝和拱坝进行坝型比选。同时，对推荐坝型枢纽的主要建筑物布置及结构设计进行方案比选，包括左右岸引水发电系统方案比选、取水口方案比选、泄洪建筑物型式及尺寸比选等。经综合比较，推荐方案枢纽布置采用碾压混凝土拱坝挡水，坝身双表孔双底孔联合泄洪，水垫塘消能，左岸引水发电系统，岸边地面厂房。

工程选址 坝型选择 枢纽布置 岩溶渗漏 泄洪消能 土溪口水库

土溪口水库位于达州市宣汉县樊哙镇以上的州河左岸支流前河上游河段，是《四川省渠江流域防洪规划》中确定的大型防洪控制性水库之一，是达州、宣汉等城市防洪体系的重要组成部分，工程建设任务以防洪为主，兼顾发电。水库正常蓄水位562m，防洪高水位562.5m，校核洪水位562.8m，死水位526m，汛期限制水位526m，总库容1.59亿m3，防洪库容1.05亿m3，兴利库容1.03亿m3，电站最大发电引用流量79.2m3/s，装机51MW。本文主要介绍该工程的选址、坝型选择和建设物布置及设计方案比选。

1 工程选址

前河宣汉县上游至樊哙镇之间河段，南坝、土黄、五宝、樊哙等乡镇沿河而建，人口密集，涉及移民多、淹没大；且河谷相对开阔，水库封闭条件差，两岸山体低矮单薄，不利建坝。樊哙镇上游约4km处的土溪沟口峡谷河段，河道顺直，两岸山体高大，水库封闭条件好，坝基岩石主要为块状砂岩夹砂质泥岩、炭质页岩，地形地质条件适宜建坝，选为下坝址，即原规划坝址。下坝址上游约2.5km处为渡口乡，渡口乡所在地河谷相对开阔，谷底宽度100m～400m，库容条件较好。渡口乡上游为峡谷河道，河谷狭窄，谷坡陡峻，上游约1km处的鲢鱼泉河段河道顺直，河势稳定，两岸山体高大宽厚，不存在邻谷渗漏问题，坝基岩石主要为三叠系嘉陵江组灰岩夹盐溶角砾岩，地形地质条件适宜建坝，选为上坝址。上坝址上游至抱木滩之间3.3km河段内，地形条件与上坝址类似，分布地层主要为三叠系下统大冶组中～薄层状灰岩，夹厚度3m～5m的泥质灰岩和泥灰岩薄层，岩体质量较差，且越往上游，控制集水面积越小，不利防洪。因此，根据工程防洪任务、地形地质条件、移民及淹没影响等方面综合考虑，分别在渡口乡上游1km处的峡谷河段及渡口乡下游2.5km处的土溪沟口峡谷河段选择上、下两个坝址进行比选，两坝址控制集雨面积仅相差约100km2，防洪作用相同。

下坝址属构造剥蚀型高中山地貌。前河自北东向南西流经坝址处，河床高程为445m～450m，谷底宽度32m～50m，正常蓄水位高程533m时河谷宽度192m，河谷宽高比为2.3∶1。坝址两岸山体高大，左岸山顶高程710m，相对高差约260m；右岸山顶高程920m，相对高差约470m。左、右谷坡基本对称，自然坡度40°～50°，局部为悬崖、倒坡，基岩裸露，岩层走向与河流近直交，为“V”型横向河谷。坝址下游440m处，河流左转南东，左岸为顺向坡，由台地和斜坡组成，当地材料坝的泄洪洞及溢洪洞出口即布置于该岸。左右岸分布地层为块状砂岩夹含煤砂岩、砂质泥岩，其中含煤砂岩和砂质泥岩受挤压错动影响较严重，对拱坝来说，存在不均匀变形及拱座稳定问题，不适宜修建拱坝。河床覆盖层为砂卵砾石层，厚度约15m～20m，坝基岩石主要为三叠系须家河组块状砂岩夹砂质泥岩、炭质页岩，具备修建当地材料坝和混凝土重力坝的条件。根据地形地质条件、建筑材料、施工等方面综合考虑，当地材料坝采用混凝土面板堆石坝方案：混凝土面板堆石坝挡水，左岸溢洪洞、泄洪放空洞联合泄洪，右岸引水发电系统，坝后地面厂房方案。混凝土坝采用碾压混凝土重力坝方案：碾压混凝土重力坝挡水，坝身双表孔、单底孔联合泄洪，坝内进水口，左岸坝后地面厂房方案。因本工程为防洪工程，泄洪量大、泄洪频繁，当地材料坝方案泄洪建筑物布置困难，工程量大。从地形地质条件、枢纽布置、施工、环境影响、运行安全、工程造价等方面综合比较，选择碾压混凝土重力坝方案为下坝址代表方案。

上坝址属侵蚀溶蚀高中山地貌。坝址处河流流向南东，略向右岸弯凸，至坝址下游0.7km处转向西。河床高程459m～464m，谷底宽度50m～70m，正常蓄水位时河谷宽237m，河谷宽高比为2∶1，总体呈“V”型峡谷特征。左岸山体高大宽厚陡峻，坡顶高程860m左右，相对高差约400m，自然坡度约45°～55°，局部为悬坡或倒坡。右岸从上游至下游地形渐变低矮，由多个山包和垭口相连组成，坡顶高程从上游890m至下游降低为560m，相对高差430m～100m，岩溶比较发育。河床覆盖层为砂卵砾石层，厚度约11.8m～15.3m，坝基岩石主要为三叠系嘉陵江组灰岩夹盐溶角砾岩，具备修建当地材料坝和混凝土坝的条件。根据地形地质条件、建筑材料、施工等方面综合考虑，面板堆石坝、混凝土重力坝、混凝土拱坝三种基本坝型均适用，经综合比较，选择碾压混凝土拱坝挡水、坝身双表孔双底孔联合泄洪、左岸发电引水系统、地面厂房方案为代表方案。

上下坝址地形、地质条件均适合建坝，其中上坝址在河床覆盖层厚度、坝基岩体质量等方面优于下坝址，但存在岩溶问题、防渗帷幕线长、处理相对复杂；上坝址下游三道河和渡口乡的存在，使得上坝址的场内交通、施工生产生活区的布置条件比下坝址优越；下坝址库容条件好，坝高较低，工程量及土建投资相对较省，但水库淹没渡口乡，移民安置难度大、淹没及占地补偿投资高，工程总投资比上坝址多7.5亿元，因此选择上坝址为推荐坝址。

2 坝型选择

坝址区岩性以灰岩为主，石料丰富，防渗土料缺乏，因而当地材料坝拟为面板堆石坝方案。综合上坝址的地形、地质、建筑材料、施工等方面综合考虑，拟定混凝土面板堆石坝方案、碾压混凝土重力坝方案、碾压混凝土拱坝方案进行坝型比选。

面板堆石坝方案：混凝土面板堆石坝挡水、左岸溢洪道和泄洪放空洞联合泄洪、右岸发电引水系统、坝后地面厂房方案。最大坝高121.4m，坝顶宽10m，上、下游坝坡1∶1.4，下游坝中设置一级3m宽马道。为适应不同库水位时的泄洪需要，并满足泄量要求，布置溢洪道和泄洪放空洞进行联合泄洪。坝址处地形整体略向右凸，左岸地质条件好于右岸，溢洪道和泄洪放空洞布置于左岸。结合地形地质条件，并考虑与泄洪建筑物的互相干扰，电站厂房布置于右岸坝后。

碾压混凝土重力坝方案：碾压混凝土重力坝挡水、坝身双表孔双底孔联合泄洪、坝身进水口、左岸引水隧洞、地面厂房方案。最大坝高129m，从左岸到右岸依次为：左岸非溢流坝段、电站进水口坝段、表底孔泄洪坝段、右岸非溢流坝坝段组成。因坝址处河床狭窄，河床宽度不足70m，坝身布置泄洪建筑物后，若再布置厂房，开挖量大，存在高边坡开挖及处理问题。而在大坝下游0.7km处的三道河与前河汇口处，有布置厂房的条件。因而，采用坝身进水口，经坝后背管引入左岸山体内的有压引水隧洞至三道河汇口处的地面发电厂房。

碾压混凝土拱坝方案：碾压混凝土拱坝挡水、坝身双表孔双底孔联合泄洪、左岸独立式进水口、左岸引水隧洞、地面厂房方案。大坝采用碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高132.00m，坝身设双表孔双底孔联合泄洪，跌流消能，下游设水垫塘。利用地形，在左岸上游约180m处，设置独立的岸塔式进水口，经左岸有压隧洞引至三道河汇口处的地面厂房。

面板坝方案坝体体型宽大，导流洞最长，需修建溢洪道和泄洪放空洞进行泄洪，土建工程量大。重力坝方案与拱坝方案工程布置条件类似，但重力坝体型比拱坝大，导致大坝开挖量及混凝土量较大，工程投资大。经综合经济比较，面板坝方案比拱坝方案投资多1.1亿元，重力坝方案比拱坝方案投资多0.8亿元，碾压混凝土拱坝方案经济性最优。拱坝方案投资省，坝身泄洪运行安全、管理方便，坝体体型优美，作为风景区的一部分，与周围环境相得益彰，推荐拱坝方案。

3 建筑物布置及设计方案比选

根据地形、地质条件、建筑物功能要求，对推荐坝型枢纽的主要建筑物布置及结构设计进行方案比选。主要进行左右岸引水发电系统方案比选、引水发电系统取水口方案比选，泄洪建筑物型式及尺寸比选等。

3.1 左、右岸引水发电系统方案比选

坝址处河谷狭窄、河道顺直、两岸山高坡陡，坝后无布置厂房的地形条件，而坝址下游约0.7km处左岸三道河与前河汇口处，有布置厂房条件，选择作为左岸厂址。河湾右岸下游百果坝地势开阔平坦，适宜布置厂房，选择作为右岸厂址。由于电站规模较小，未研究地下厂房方案。

左、右岸引水发电系统方案有压引水隧洞左岸洞径6.0m，不设调压室方案作为代表方案；右岸洞径4.8m，设直径13m阻抗式调压室方案为代表方案。左岸引水发电方案从大坝左岸上游设独立岸塔式取水口，经有压引水隧洞、压力管道引水至三道河汇口发电厂房；右岸引水发电方案从大坝右岸上游设独立式取水口，经有压引水隧洞、调压室、压力管道引水至百果坝发电厂房。

左岸引水隧洞长约840m，沿线围岩条件较好；右岸引水道长约1200m，沿线地质条件较复杂，断层及褶皱等构造发育，洞身段受鲢鱼泉岩溶管道系统的影响，围岩条件较差；左岸厂房布置条件差，需进行一定的边坡开挖；右岸厂房布置条件较好，但位于渡口乡人口聚居地，涉及移民拆迁；因河道平缓，虽右岸厂房方案引水河道较长，但由此获得的电能增加非常有限，而增加了引水隧洞长度。经综合比较，推荐左岸引水发电系统方案。

3.2 引水发电系统取水口方案比选

对引水发电系统取水口，拟定坝身取水口方案和左岸独立取水口方案进行比选。坝身取水口方案在大坝左侧近岸坡坝段设置坝身取水口、坝后背管，接入左岸山体内有压引水隧洞至发电厂房，其引水道全长702m；岸边独立取水口方案在左岸坝前布置独立发电取水口，经有压引水隧洞、压力钢管引入下游厂房，引水道全长840m。

坝身设置取水口使拱坝的整体性削弱、拱坝体型结构变复杂；且结构复杂部位只能采用常态混凝土浇筑，不利于碾压混凝土坝大仓面快速施工；坝身取水口方案虽引水道总长度比独立取水口方案短，但高水头段长，压力钢管费用增加。两方案从工程投资上相差不大，但结合拱坝的受力特点，并利于坝体碾压混凝土大仓面施工，推荐左岸独立式取水口方案。

3.3 泄洪建筑物型式及尺寸比选

根据防洪调度要求，拟定“表孔+底孔”泄洪建筑物布置。底孔泄洪形态为有压孔流，泄洪能力较小，主要功能为满足汛限水位泄量要求；表孔为开敞式，泄洪能力强，与底孔联合泄洪宣泄设计及校核洪水，控制坝前特征水位，确保大坝安全。

底孔设计应满足防洪调度要求，方便调度运行，控制金结制作难度。根据调度运行要求，汛限水位526m时，要求泄洪能力不小于1100m3/s，即常遇小洪水不占防洪库容；在汛限水位526m至防洪高水位562.50m之间时，根据区间洪水的不同，泄洪量在100m3/s～2300m3/s之间调度。因泄洪量变化范围大，为使泄洪调度更加灵活，布置双底孔泄洪。为降低底孔运行风险，同时尽量降低底孔闸门制造及运行难度，在满足泄流能力要求的基础上尽量抬高底孔布置高程。根据泄量、淹没深度及泄洪条件等综合分析，2个泄洪底孔对称布置于溢流表孔两侧，底孔底板高程489.00m，出口压坡段孔口为5m×6m(宽×高)，闸门承受最大水头为73.5m。汛限水位526m，双底孔下泄流量为1257m3/s，满足运行要求，并留有适当裕度。

在底孔确定的基础上，根据河谷宽度、泄洪能力要求，兼顾方便工程运行，采用双表孔对称布置，拟定12m×16m、14m×16m、12m×17m、14m×17m、12m×18m(宽×高)5种方案进行表孔孔口尺寸比选，经综合比较，推荐双表孔12m×18m(宽×高)方案。

4 推荐方案工程设计

推荐方案枢纽布置采用碾压混凝土拱坝挡水，坝身双表孔双底孔联合泄洪，二道坝和水垫塘结合消能，左岸引水发电系统、岸边地面厂房，生态放水管从发电引水隧洞引接。

4.1 大坝设计

大坝采用碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程565.30m，最大坝高132.00m。拱冠梁上、下游坝面曲线均为三次抛物线，坝顶宽8m，拱冠梁底部厚度38m。大坝上游迎水面采用二级配碾压混凝土作为主要防渗措施，同时上游坝面采用LJP型高分子柔性防水涂层作为辅助防渗措施。大坝基础均置于弱风化岩体中部或中下部。

在河床部位大坝坝身设2个表孔、2个底孔联合泄洪，泄洪表孔堰顶高程为544.0m，堰型WES，孔口尺寸为12m×18m(宽×高)；泄洪底孔进口底板高程为489.0m，洞身段孔口尺寸5m×7.5m(宽×高)，压坡段为5m×6m。表、底孔上游侧均设平板事故检修闸门，共用一台门机；下游侧工作门均为弧形闸门、液压启闭。

4.2 下游消能工设计

表、底孔均采用跌流消能，下游设水垫塘。水垫塘池底高程450m，底板厚度3m，二道坝位于坝下150m处，坝顶高程470m；水垫塘整体采用C25钢筋混凝土，表面设C50抗冲磨混凝土；水垫塘底部设纵横向排水系统。二道坝后接混凝土护坦，长38m，厚3.0m；下游接钢筋混凝土海漫，长75m，海漫末端设置防冲齿槽。

4.3 坝基处理设计

本工程主要存在的工程地质缺陷，是岩溶渗漏及盐溶角砾岩对坝基变形、稳定的影响。基于对拱坝的应力分析，对建基面及坝肩推力作用影响范围内的岩溶洞穴，采取平洞追踪清挖、回填微膨胀混凝土的处理措施；针对防渗帷幕线上不同的岩溶发育类型，采取灌注细石混凝土，一定范围内追踪清挖并回填微膨胀混凝土等不同的处理方式；对盐溶角砾岩，根据其分布位置、影响程度，分别采取建基面槽挖、平洞追踪清挖并回填微膨胀混凝土、高压固结灌浆等不同处理方式。

4.3.1 盐溶角砾岩处理

在坝轴线上、下游100m范围内，基岩岩性为三叠系嘉陵江组灰岩夹盐溶角砾岩。其中，盐溶角砾岩为软岩类，分布面积约占5%，部分对坝基及坝肩岩体传力有一定影响，需进行处理。

(1)对河床建基面出露部分，影响坝基承载力，采取槽挖回填C20微膨胀混凝土处理；

(2)左坝肩影响岩体的传力，在高程433.30m(建基面高程)、443.30m(通道结合左岸底层灌浆平洞)、470m(通道结合坝下游公路)、502.30m高程(通道结合左岸中层灌浆平洞)，顺岩溶角砾岩的发育方向对其进行追踪清挖，浇筑C20微膨胀混凝土，形成抗剪传力洞，提高基岩的整体性，置换高度8m，洞长分别为100m、120m、200m和220m；

(3)右坝肩盐溶角砾岩在高程500m～520m之间，埋深0～30m。其中，高程517m～520m之间，距建基面0～5m，采取明挖处理方式；高程517m以下，距建基面5m以上，采取洞挖处理：在高程500m建基面下游侧进行洞挖，洞挖尺寸为3.8m×3.8m城门洞形，洞深以穿透盐溶角砾岩夹层2m控制，在洞底对盐溶角砾岩顺夹层追踪清挖，向山体内部方向追踪至盐溶角砾岩夹层尖灭点，向山体外部方向追踪长度40m。高程500m处洞挖完成后，浇筑1m厚混凝土垫板，对其下部未清挖部分顺夹层进行高压深孔固结灌浆。灌浆完成后对洞室进行封堵，并对洞顶进行回填灌浆、接触灌浆。追踪洞室封堵完成后，在高程517m处混凝土垫板上布孔，对下部盐溶角砾岩夹层顺夹层进行高压深孔固结灌浆。

4.3.2 防渗帷幕设计

为控制渗漏对坝基及两岸边坡稳定的不利影响，控制建基面渗透压力和渗流量，坝基及两岸设有连续的防渗帷幕，左岸延伸至天然地下水位处，右岸延伸至三叠系巴东组非可溶岩地层。河床及两岸的帷幕灌浆分别在基础廊道和左右岸的灌浆平洞内进行，采用水泥灌浆。左岸设置3层灌浆平洞，洞长分别为360m、320m、65m；右岸设置3层灌浆平洞，洞长分别为1100m、1000m、920m。帷幕灌浆采用双标准控制：帷幕灌浆孔底界深入3Lu线以下5m，可溶岩地层同时深入微岩溶带内5m。左岸岩溶不发育，采用单排帷幕；坝高100m以上基础采用双排帷幕，囊状透水区采用3排帷幕，其余坝高100m以下基础采用单排帷幕；右岸岩溶发育，对强岩溶发育区采用3排帷幕；对于与灌浆平洞相通的大的岩溶洞穴，沿帷幕线对岩溶洞穴进行追踪清挖，回填混凝土；对于小的落水洞、溶隙等，对其灌注细石混凝土进行封堵，然后再进行帷幕灌浆。

4.4 引水发电系统

引水发电系统由岸塔式独立进水口、有压引水隧洞、压力管道、岸边地面厂房组成，电站装机容量为51MW。

岸塔式进水口设置在坝轴线左岸上游约120m处，进水口底板高程514.70m，采用叠梁门分层取水布置，进水口孔口尺寸为6m×6m，经渐变段与压力隧洞相连，进口设置有拦污栅和事故检修门。压力隧洞直径为6m，坡降i=0.009，钢筋混凝土衬砌。压力管道布置在斜井段、下弯段和下平段，主管管径均为6m，下平段末端接岔管，岔管采用“卜”型布置。

发电厂房位于前河与三道河汇口处，布置有主厂房、安装间、尾水渠、副厂房、GIS室及进厂公路等。主厂房内设3台混流式发电机组，单机容量17MW。

5 结语

土溪口水库是渠江流域大型防洪控制性水库之一，工程的主要任务是防洪，主要防洪保护对象是达州市和宣汉县。根据工程防洪任务、地形地质条件、移民及淹没影响、控制集雨面积等方面综合考虑，在规划河段内拟定上、下两个坝址进行比选，上坝址以碾压混凝土拱坝为代表坝型，下坝址以碾压混凝土重力坝为代表坝型。上坝址主要存在岩溶渗漏问题，下坝址因淹没渡口乡，淹没补偿投资大，总投资高于上坝址，推荐上坝址。

根据上坝址地形、地质条件、当地建筑材料及施工，拟定混凝土面板堆石坝、碾压混凝土重力坝、碾压混凝土拱坝进行坝型比选。混凝土面板堆石坝方案泄洪建筑物布置困难，工程量大，投资高；重力坝及拱坝方案均可布置坝身泄洪建筑物，重力坝比拱坝体型大、工程量多、投资高。拱坝方案投资少、运行安全、管理方便、坝型优美，推荐拱坝方案。

对建筑物布置及设计方案进行比选，包括左右岸引水发电系统方案比选、引水发电系统取水口方案比选、泄洪建筑物型式及尺寸比选等。经综合比较，推荐方案枢纽布置采用碾压混凝土拱坝挡水，坝身双表孔双底孔联合泄洪，二道坝和水垫塘结合消能，左岸引水发电系统，岸边地面厂房，生态放水管从发电引水隧洞引接。

〔1〕杨再宏，孙怀昆.C水电站枢纽布置研究.水力发电，2015，41(5).

〔2〕徐根海.高拱坝的枢纽布置与泄洪消能.水资源与水工程学报，2005，(2).

〔3〕张超然，戴会超.三峡水利枢纽工程建设概况和若干关键技术问题.水力发电，1998，(2).

王 静(1980-)，女，山东滕州人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作；

王 曦(1979-)，男，四川蓬安人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作；

邹 骏(1963-)，男，吉林怀德人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作；

朱 永(1971-)，女，重庆巴县人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作。

■

TV62∶TV

B

2095-1809(2016)01-0068-05