石门水电站枢纽布置及建筑物特点综述

张合作 罗光其

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

石门水电站枢纽布置及建筑物特点综述

张合作 罗光其

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

结合工程实际概况及当地气候、地形地质条件，介绍了石门水电站枢纽布置的特点，并从沥青混凝土心墙堆石坝设计、泄洪冲沙兼导流洞设计、溢洪洞设计等方面，对建筑物的设计特点进行了研究，其实践经验可供类似工程借鉴。

水电站，枢纽布置，建筑物，溢洪洞

1 工程概况

呼图壁石门水电站是呼图壁河中游河段规划的第三个梯级，位于新疆维吾尔自治区呼图壁县南侧，距呼图壁县县城公路里程50 km，距昌吉市公路里程95 km，距乌鲁木齐市公路里程127 km，对外交通十分便利。

工程的开发任务是“灌溉、防洪、发电”，水库正常蓄水位1 240 m，总库容7 975万m3，为年调节水库，水库建成后可提高下游的灌溉保证率和防洪标准，电站装机容量95 MW。

枢纽由沥青心墙坝、右岸泄洪冲沙洞、右岸溢洪洞、左岸引水系统和地面厂房等建筑物组成。

2 基本条件

2.1 气象条件

工程位于我国西北地区，冬季干燥寒冷、夏季炎热、年降水量少、蒸发量大。电站多年平均降水量为408.0 mm，多年平均蒸发量为888.2 mm；多年平均气温为6.4 ℃，多年月平均气温最高为20.7 ℃，多年月平均气温最低为-10 ℃。

2.2 地形地质条件

坝址河段河道较平直，坡降相对平缓，河谷较开阔，河床宽20 m～50 m。1 210 m高程以下河谷呈基本对称“V”型，1 210 m～1 220 m高程左岸为一宽缓的Ⅳ级阶地平台，1 220 m高程以上为陡壁地形，右岸1 180 m～1 220 m以上沿J3k1与J2q2-5分界线之上均为陡壁，陡壁以下为35°～50°的斜坡。

坝址区出露地层主要为紫红色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩及泥质粉砂岩等，两岸上部涉及J3k1厚层块状岩屑砂岩与J3k2厚层块状砾岩地层。两岸崩积、坡积、残积堆积体厚2 m～18 m，其中右岸老坝上游一带，分布4号崩塌堆积体，块度大小不一，架空明显。

两岸下部及河床因岩性软弱，风化较深，发育有1号、2号卸荷拉裂体的上游端部分，2号、3号、4号、5号、6号危岩体，4号崩塌堆积体及1号滑坡体。施工期对影响工程安全的危岩体进行了爆破。

岩体物理力学特性，属以软岩为主的塑性岩体，软化和崩解特性明显，力学强度低。

3 枢纽布置

坝址河谷地形受岩性控制，已建混凝土拱坝(简称老坝)上游开阔，两岸山体上部为陡崖峭壁，构成平面上“喇叭”型收敛。河谷地形为不对称“V”字型，左岸1 210 m以上为宽缓台地。老坝下游河谷狭窄，河谷断面呈“U”字型，切割深度100 m左右，宽几米至几十米，两岸均为陡峭绝壁，不适宜布置建筑物。枢纽布置充分考虑地形地质条件、施工交通和经济性，将首部枢纽布置在老坝上游河段。枢纽布置具有以下特点：

1)利用两岸山体和下游老坝布置坝体，节约坝体填筑量。

考虑利用老坝，使老坝位于坝脚，以节省坝体堆筑量，老坝同时作为下游围堰；从地形条件上，坝线尽可能结合老坝下移。从地质条件上，砾岩和砂岩分界线向下游逐渐降低，坝肩砾岩陡壁开挖量往下游越来越大，J1,J2,J3夹层作为右岸山梁的控制底滑面，抗渗比降小，宜避开或少接触；使J1夹泥层受水库蓄水的影响较小，保持右岸山梁天然状态下整体稳定现状；综合考虑引水建筑物进水口、泄洪建筑物的布置。

2)利用右岸凸岸布置泄洪系统，减小建筑物线路长度。

从河谷地形地质特点看，左岸为凹型，布置泄洪建筑物路线较长，且分布有多处危岩体和崩塌体，而右岸为凸型，路线较短，且线型顺直，因此将泄洪建筑物布置在右岸。同时由于右岸可以布置泄洪建筑物的地形陡峻，布置开敞式泄洪建筑物，存在开挖量大，边坡支护量大，投资高的问题。经比较后，推荐在右岸布置泄洪冲沙洞和溢洪洞，其中泄洪冲沙洞线路长668.6 m，进口边坡最大高度120 m，溢洪洞线路长633 m，进口边坡最大高度35 m。

3)长引水线路布置，充分利用水头发电。

本工程引水隧洞左右岸地质条件基本相同，均要穿越石梯子向斜、齐古活动断裂带，右岸的地形较左岸缓，局部冲沟切割较深，在满足最小埋深的情况下绕过冲沟布置引水线路，右岸的引水线路较左岸长约200 m，而且有至齐古油田公路通过左岸，如果引水线路布置在右岸将增加临建工作量，所以本工程的引水线路推荐左岸，洞线为折线方案。

引水系统采用一洞两机的布置方式，由进水口、引水隧洞、上游调压室、压力钢管组成，单机引用流量25.07 m3/s，引水线路总长约8 615 m。电站引用流量小，主要利用水头发电，最大设计水头234 m，额定水头215 m。沿引水隧洞分别布置了3条施工支洞，长度分别为690 m，470 m和160 m。

4)桥、隧结合，优化交通布置。

由于坝顶以上两岸地形近乎垂直，坝轴线和引水系统进口自然坡度80°左右，泄洪冲沙洞进口自然边坡45°以上。设计为控制边坡的处理工程量，对永久交通布置以“桥梁+隧洞”为主，包括左岸引水系统工作桥、引水进口交通洞、上坝交通洞和泄洪洞工作桥。其中引水系统工作桥跨度34.2 m，桥台最大高度21.3 m；泄洪洞工作桥跨度54.1 m，桥台最大高度20 m。

4 建筑物设计特点

4.1 沥青混凝土心墙堆石坝设计

1)利用天然砂砾石料筑坝，充分彰显当地材料坝的经济性。

坝体填筑总量约307万m3，其中砂砾石料287万m3。坝址区天然建筑砂砾料源丰富，可以利用C2砂砾石料场直接上坝，距离坝址0.8 km～2.0 km。料源为早期河流冲积、冰积的阶地砂卵砾石堆积层，石质致密、坚硬，抗风化能力强，其表层覆盖有1 m～3 m不等的风积黄色粉砂质粘土。料场产地面积41.12万m2，剥离量82.24万m3，可采储量517.44余万平方米。

天然砂砾石料具有单价低、易压缩等优点，保障了工程的经济性，且利于控制坝体变形量值。但也有明显的缺陷，就是抗水力冲蚀性差，所以在坝体设计中，对可能产生渗漏的通道设置了块石排水体和排水管，以保护砂砾石填筑体。

2)因地制宜选择坝型，沥青心墙坝在经济性、施工、环保等方面有优越性。

坝址地形开阔，河谷宽高比约3，岩体强度低，所以适宜布置当地材料坝。可选的坝型包括土心墙坝、沥青心墙坝和混凝土面板坝。而对于土心墙坝主要是工程附近缺少满足筑坝的防渗土料。混凝土面板坝因为需要在两岸开挖趾板基础，导致边坡规模大，相应开挖量增加明显。综合比选后，沥青心墙坝的投资最省，见表1。且工程附近有丰富的沥青用料，该坝型施工受气象条件影响也最小。所以，推荐沥青心墙坝为本工程的推荐坝型。

表1 导流洞与泄洪洞结合方案比较表

4.2 泄洪冲沙兼导流洞设计

1)导流和泄洪冲沙洞完全结合布置。

根据枢纽布置、施工布置和河谷地形地质特点，左岸为凹型，且存在与引水洞进水口布置干扰，导流洞较长；右岸为凸型，导流洞洞线较短，且线型好，故导流洞布置于右岸。基于坝址汛期洪水规模较小，研究了两洞合一的结构布置方式。

单独布置导流洞和泄洪冲沙洞后，则导流洞需要向山体内侧移动，洞线增加，而泄洪冲沙洞与导流洞底板高程接近，所以考虑两者结合，主要分析了两种方案，如表1所示。

两者完全结合后在截流、封堵、经济性和工程风险控制方面优势明显，所以本工程冲沙洞是一条多用途隧洞，在施工期作导流洞，运行期作泄洪和冲沙用，并在必要时作水库防空用。

经设计和运行实践，认为对于百米级的堆石坝工程，宜尽量研究导流和永久建筑物结合的形式，确保工程具有一条防空通道，以备应急之用。

2)巧妙利用进水塔空间布置生态流量设施。

本工程引水线路较长，为确保首部枢纽和下游尾水之间河段的生态，将生态流量放水设施布置在右岸泄洪冲沙(兼导流)洞进口段中墩混凝土内，放水管进口高程1 175.70 m，出口位于中墩末端，放水管出口高程1 159.53 m。放水管采用管径500 mm不锈钢管，并在1 174.90 m平台设置电动锥形阀和涡轮传动检修蝶阀。

3)多结构和抗冲磨混凝土结合，规避高速水流对混凝土的空化、气蚀等影响。

泄洪洞在校核水位1 240.86 m时的最大泄量为1 059 m3/s，最大流速33.2 m/s。设计中在工作闸门后边墩结构中设置φ120 cm通气钢管，在边墩结构中设置1.55 m×1.92 m矩形通气孔，无压隧洞洞身段设置3个掺气坎，降低高速水流对接的空化、气蚀。

结合水力学模型试验，在进水塔以上8 m墙体和闸墩、洞身底板和边墙0.6 m高度、出口消能工底板和边墙结构采用外掺HF C90-40混凝土进行抗冲磨设计。

4.3 溢洪洞设计

溢洪洞位于大坝右岸，溢流堰底及隧洞段坐落于J2q2-1～J2q2-5中～厚层砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。设计水位1 240 m时，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，距离河床水平距离约30 m，垂直高度约94 m，在小流量条件下水流很难完全挑入河床范围，会对本岸山体产生冲刷。

工程运行调度要求溢洪洞正常情况下不参与泄洪，在出现超标准洪水或特殊情况下才开启，主要是作为非常溢洪洞使用。基于溢洪洞出口地形陡峭，无施工通道。结合现场地形条件，将原明挖出口调整为洞挖出，简化了施工。

4.4 引水发电系统设计

1)喷锚+柔性格宾相结合的进水口支护形式。

进水口引渠边坡上部为砂砾石、底部为J2q2-5，J2q2-4，J2q2-3紫红色泥岩、粉砂质泥岩，且分布范围广，设计中针对开挖后的泥岩、粉砂质泥岩采取了喷锚和贴坡处理，而上部砂砾石边坡采用格宾护坡处理，坡面1∶1.75，最大高度约20 m。

采用格宾护坡可避免坡体内部因排水不畅而积水，在冬季结冰而挤压护坡结构，同时格宾护坡的柔性结构能适应坡体的变形。运行表明，水库冬季结冰厚度大于1 m时，格宾护坡结构运行正常，没有出现明显的破坏。

2)多层优化，控制引水隧洞投资。

3)具有防渗和保温要求的调压井。

调压室布置于厂房后Ⅳ级阶地平台内侧条形山梁内，地面高程1 285.86 m。调压井井筒直径11.0 m，高度约107 m。调压室地层为Ktga,Ktgb薄层、极薄层、中厚层粉砂质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等，岩性软弱，属易风化、崩解岩体类。

针对以上地质条件，为避免运行时调压井内水外渗对山体稳定造成影响，要求对调压井内壁进行防渗处理。同时为防止顶部有冰冻影响，在调压井顶部布置网架结构，进行井筒保温。

4)采用限温+保温的措施，限制压力钢筋结构纵向温度变形。

压力钢管布置线路总长1 225.8 m，根据地形条件分为埋藏式、浅埋式和明管，浅埋式压力钢管段除了外包混凝土以外，按照冻土深度回填了砂砾石料。而明管段由于位于斜坡段，高度约90 m，需研究低温和温差变幅大不利条件下的保温措施，以控制管壁内外温差过大引起的混凝土开裂和钢管应力增加。

5 结语

石门水电站枢纽布置充分利用上“喇叭”型地形，将首部枢纽布置在老坝上游位置，并选择右岸凸岸布置泄洪系统。从地质条件上规避卸荷拉裂体，2号、3号、4号、5号、6号危岩体，4号崩塌堆积体及1号滑坡体对建筑物的不利影响。利用左岸山体布置了引水发电系统，充分利用水头发电。

工程所推荐的沥青心墙坝筑坝技术研究和建设经验可以供类似工程参考，同时为百米级以上沥青心墙坝设计和建设提供了理论和实践依据。本工程通过寒冷地区的水工建筑物设计、建设和运行实践，提出了一套寒冷地区水工建筑物防冰冻、保温和不良地质条件处理的设计和施工经验，对于指导寒冷地区水工建筑物结构设计具有较好的现实意义。

[1] 中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院,呼图壁河石门水电站可行性研究报告(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

张合作(1979- )，男，高级工程师

TU271.1

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