牛栏江大岩洞水电站首部枢纽优化设计

2017-12-01李金洋

水电站设计 2017年4期

关键词：进水口坝顶枢纽

尤林，赵艳，李金洋

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

牛栏江大岩洞水电站首部枢纽优化设计

尤林，赵艳，李金洋

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

针对牛栏江流域水文泥沙情况、工程区地形、地质条件及工程特点、电站功能要求，从工程的安全、经济角度出发，提出对可研阶段首部枢纽建筑物进行优化设计。考虑坝体对地质条件的适应性、坝型和筑坝材料、引水防沙、消能防冲、施工工艺及施工质量的控制等，将可研阶段混凝土浆砌石重力坝坝型调整为混凝土闸坝坝型；同时，可减少首部枢纽建筑物的工程量、降低工程投资。

大岩洞水电站；首部枢纽；优化设计；坝线；坝型；混凝土浆砌石重力坝；混凝土闸坝

1 工程概述

大岩洞水电站工程位于牛栏江中游大岩洞至大坪子河段，地处云南东北部云贵两省交接处。电站采用引水式开发方式，水库正常蓄水位1 496.00 m，相应库容为349.42万m3，装机容量为84 MW，多年平均年发电量3.83亿kW·h，具有日调节性能。工程的开发任务为单一发电工程，无灌溉、防洪、供水等综合利用要求。

2013年底，中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司接受业主的邀请，对大岩洞水电站工程在可行性研究阶段基础上进行优化设计。成都院根据可研勘探设计资料及补充地勘资料，进行计算分析后，提出优化设计方案。

2 水文及工程地质

大岩洞水电站坝址控制流域面积8 151 km2，多年平均流量82.8 m3/s，相应多年平均年径流量为26.1亿m3。坝址悬移质多年平均年输沙量253.8万t，含沙量0.972 kg/m3，推移质多年平均输沙量19.6万t。

电站坝址位于大岩洞峡谷段，河道顺直，河谷宽阔、两岸形态较为对称。正常蓄水位1 496.00 m时，相应河面宽100～120 m。两岸地形陡峻，临河坡高大于500 m，两岸高程1 680.00 m以下地形坡度一般40°～50°，高程1 680.00～1 800.00 m左右为55°～70°，以上地形变缓，于2 000.00 m高程左右存在一级夷平面。

坝址区地层岩性主要为泥盆系上统(D3)及二叠系下统(P1)的碳酸盐岩、石英砂岩、页岩、泥岩及劣煤层等，第四系沉积物主要为河床冲洪积和岸坡崩坡积等。闸址区无Ⅰ、Ⅱ级结构面通过；Ⅲ级结构面16条，其中裂隙密集带(Mj)7条、溶蚀裂隙(Rx)9条；Ⅳ级结构面大于20条，主要为溶蚀性裂隙(Rx)；其余主要为Ⅴ级结构面的层面裂隙、节理裂隙。

坝址区两岸及河床下部岩体透水性受岩溶发育程度、岩体完整性等控制。在弱风化岩带内，岩体内岩溶总体发育，透水性强，岩体透水率均大于10 Lu；在微新岩体内，岩体透水性与局部的岩溶发育程度相关，其岩体透水率小于5 Lu，为相对隔水层。

3 可研阶段首部枢纽设计

3.1 首部枢纽设计

首部枢纽建筑物主要由挡水建筑物、泄洪冲沙建筑物、左岸电站进水口及下游消能防冲建筑物等组成。

挡水建筑物采用混凝土砌石重力坝，坝轴线与下游河道方向基本垂直。大坝由泄洪冲沙坝段和非溢流坝段组成，坝轴线长142.0 m，坝顶高程 1 498.90 m，最大坝高47.9 m，最大底宽41.5 m；坝顶上游侧设1.2 m高防浪墙，防浪墙顶高程1 500.10 m；坝内设灌浆排水廊道，廊道尺寸为2.5 m×3.5 m。非溢流坝段布置在河床左、右两岸，坝顶宽6.0 m，总长97.0 m。溢流坝段布置在河床中部，总长45.0 m，由一孔开敞式溢流表孔和三孔泄洪冲沙底孔组成，溢流表孔宽12.0 m，堰顶高程1 486.50 m，堰型采用WES型实用堰；泄洪冲沙底孔孔口尺寸为7.0 m×10.0 m(宽×高)，孔口底高程为1 473.50 m。坝体左侧靠近冲砂底孔坝段埋设一根DN2 000 mm的钢管作为生态用水放水管。考虑到坝顶交通及溢流坝的检修要求，坝顶布置了公路桥(兼工作桥)，公路桥位于坝顶上游侧，桥面宽3.7 m。

进水口采用岸塔式，布置在坝前左岸，中心线与坝轴线平行。进水口顶高程1 498.90 m、底板高程1 476.00 m，取水口闸室宽15.0 m。设置一道事故检修闸门，孔口尺寸为7.0 m×7.0 m(宽×高)。进水口与引水隧洞之间采用直接进洞的方式衔接。

消能型式采用底流消能型式，消力池长50.0 m，宽41.0 m，底板高程1 469.00 m，底板厚2.5 m；消力池尾部设尾坎，坎顶高程1 472.00 m，坎后接长15.0 m、厚2.0 m的浆砌石护坦，护坦顶高程1 472.00 m。

大坝建基面放在梁山组中上部位的灰岩层，建基面底高程为1 451.00 m，两岸坝肩开挖边坡均为1 ∶0.3，开挖边坡采取了挂网锚喷处理。大坝基础采用固结灌浆处理，灌浆深度5.0 m。防渗帷幕采用双排帷幕灌浆，排距1.0 m，孔距2.0 m，帷幕要求以进入相对隔水层中部进行控制，最大孔深59.4 m；两岸帷幕灌浆长度按2倍坝高进行控制，两坝肩帷幕灌浆长度均为96.0 m。

3.2 首部枢纽设计存在的问题

3.2.1 枢纽布置

(1)从水工模型试验效果看：进水口流态不稳定；下泄水流流态较差、消能不充分，对下游河床及岸坡的冲刷非常严重。

(2)校核洪水位控制坝顶高程，显然不经济。校核洪水位高于正常蓄水位2.8 m，而坝址区地形不制约泄洪孔口设计，但最宽的孔口为溢流表孔，其孔底坎顶高程较高，制约了其过流能力。

3.2.2 坝体结构

(1)坝顶高程仅比校核水位高0.1 m，考虑到坝与进水口相接，坝顶高程偏低。

(2)坝顶公路作为云、贵两省间交通路，同时考虑监测设施、操作房等结构的布置，公路桥宽仅 3.7 m，不满足布置及交通要求。

(3)进水口处没有设置清污平台，三孔泄洪冲砂孔全为孔口泄洪，无法排除库区漂浮物，进水口前漂浮物将较严重淤积。

(4)重力坝坝体采用细石混凝土砌块石外包浆砌混凝土预制块，上游布置混凝土防渗心墙的形式。该结构型式工艺复杂，不易机械化施工，且施工质量不易控制，工期相对较长。

3.2.3 大坝建基面

大坝建基面岩体岩性为石英砂岩、灰岩、泥岩和煤线，岩性复杂且软弱，同时位于背斜的核部，地层较为破碎；整体岩性的可灌性较差，而且泥岩开挖暴露之后存在遇水泥软化的现象。因此，存在基础处理量大量增加的问题。

3.2.4 坝肩稳定及抗滑稳定

两岸坝肩开挖边坡较高，右岸高达60.0 m，而两岸浅表部岩体风化卸荷强烈，裂隙发育，加之岩溶现象较发育，边坡局部稳定问题突出。

坝基岩层为石英砂岩、灰岩并夹有煤层及泥岩，同时坝基岩层倾向平缓，从产状和岩性看，对坝体及深层抗滑稳定不利。

4 首部枢纽优化设计

优化设计主要从以下几个方面开展工作：坝线、坝型选择，进水口布置，消能防冲设计及筑坝材料选择。

4.1 坝线选择

根据可研研究成果及补充地勘资料：大岩洞坝址未有影响坝址成立的制约因素，优化设计维持可研设计推荐的大岩洞坝址，并基于该坝址进行坝轴线选择。

坝轴线选择一般原则是尽可能有利于水工建筑物的布置，坝轴线尽可能短；两岸坝肩岸坡具有良好的地形地质条件，有利于减少坝肩接头和防渗工程；有利于枢纽的取水、泄洪、防沙、消能、防冲等建筑物的布置。优化设计在坝址区选择上、下两条坝线进行了比选，两坝线相距27.0 m，上坝线为可研阶段重力坝坝轴线。各坝线工程地质条件及主要工程地质问题见表1。

从表1工程地质条件比较看，下坝线优于上坝线；从首部枢纽布置看，上、下两轴线相距27.0 m，地形、地貌一致，枢纽布置格局基本一致。优化设计拟采用闸坝坝型，上坝线河床覆盖层物质组成相对较复杂且相对较深，对闸基稳定不利，需加大基础处理工程量；上坝线左岸坝头部位出露的卸荷溶蚀松弛岩体，需增加边坡处理工程量。从工程投资定性上分析，下坝线方案优于上坝线，故优化设计推荐下坝线。

4.2 坝型选择

牛栏江属山区性多泥沙河流，洪水量大，汛期河水推移质和悬移质泥沙含量较大。坝址区两岸岩体为二叠系下统的厚层～巨厚状灰岩、白云质灰岩，两岸自然边坡稳定。坝基河床覆盖层为含泥卵(碎)砾石层，结构单一，允许承载力[R]=0.50～0.55 MPa，其承载能力和抗变形能力满足闸坝基础要求。同时，闸坝坝型对工程边坡开挖量较重力坝小、对边坡现状改变较重力坝小、对基础的处理工程量也较重力坝小。混凝土闸坝结构简单，混凝土强度高、可靠性高，又易于机械化施工，施工质量能很好地控制。故优化设计推荐采用混凝土闸坝坝型。

表1 各坝线工程地质条件比较

4.3 首部枢纽布置及建筑物

优化设计首部枢纽由挡水建筑物、泄洪冲沙建筑物、左岸电站进水口及下游消能防冲建筑物等组成，见图1。为保证电站泄洪、冲沙及汛期进水口前的河道漂浮物排泄通畅，泄洪、冲沙建筑物布置在主河道上；进水口紧邻冲沙闸布置，前缘与坝轴线夹角115°；该布置方式构成“正向泄洪排沙，侧向取水”的枢纽体系。

图1 优化设计首部枢纽布置

4.3.1 挡水建筑物

挡水建筑物由左岸接头坝段、闸室段和右岸挡水坝段组成，坝轴线长119.2 m。闸顶高程计算成果见表2，考虑地基沉降、安全等因素，确定闸顶高程为1 498.00 m。闸底板高程以尽量不改变原河道水沙运动规律，又能顺畅排沙为原则，确定闸底板顶高程为1 473.00 m，此高程与枯水期天然河底高程相当。闸底板厚4.0 m，最大坝高为29.0 m。闸底板上游设置齿槽，齿槽进入基岩。

左岸接头坝段采用土石回填，顶部布置上坝连接公路。右岸挡水坝段为混凝土重力坝，长48.8 m分为3个坝段，与右岸公路相接；1号坝段为冲沙、泄洪闸检修门储门槽坝段，坝顶坝宽17.5 m，上游8.0 m为坝顶公路及人行道，下游布置门机轨道和电缆沟；2、3号坝段为交通坝段，坝顶坝宽8.0 m，下游采用土石回填至高程1 498.00 m，形成9.5 m宽平台，布置配电房、柴油机房等。闸室段长41.0 m，由三孔泄洪闸和一孔冲沙闸组成。单孔泄洪闸尺寸7.0 m×13.0 m(宽×高)，冲沙闸孔口尺寸3.0 m×8.0 m(宽×高)。在闸室底板及闸墩下部1.2 m范围内采用12 mm厚钢板衬砌保护。考虑到坝顶交通及溢流坝的检修要求，坝顶布置了公路桥(兼工作桥)位于坝顶上游侧，公路路面宽6.0 m，两侧各布置1.0 m宽人行道。

表2 闸顶高程计算成果

4.3.2 进水口

进水口由两孔拦污栅闸、渐变段及进水闸组成，顶高程为1 498.00 m。拦污栅闸宽度按最大引用流量及过栅流速要求确定，单宽8.0 m，顺水流方向长为13.0 m，每孔设一道备用拦污栅槽和一道回转式清污机槽，拦污栅闸基础置于厚层状灰岩上，底板顶高程为1 476.00 m，高出冲沙闸底板3.0 m，为防止泥沙跃入进水口内，进水口底板前缘设拦沙坎，进水口底板厚4.00 m。拦污栅闸后为一收缩渐变段，渐变段长为9.0 m，渐变段净宽由始端的18.5 m渐变至7.0 m，为与拦污栅闸平顺连接，其底板顶高程为1 476.00 m。进水闸室长为9.0 m，净宽为7.0 m，内设一孔口尺寸为7.0 m×7.0 m(宽×高)的事故闸门，以方便检修引水隧洞。进水闸后紧接引水隧洞。

为改善冲沙效果，在冲沙闸和泄洪闸之间的上游铺盖上顺水流方向设置一道束水墙，束水墙顺水流方向长31.0 m，前段长16.0 m，墙顶高程1 485.00 m，后段长15.0 m，墙顶高程1 490.00 m。拦沙坎与束水墙组成冲沙槽，进水口前加大束水冲沙能力，达到束水冲沙的目的。

由于受左岸地形条件限制，为平顺水流，改善进水口水流条件，并防止左岸上游边坡堆积物在水流作用下进入库内，在进水口上游靠岸侧设一纵向挡水墙。并在进水口上游设清污、检修平台，平台长11.0 m、宽6.5 m，顶高程1 498.00 m。

生态用水放水管布置在左岸进水口内，进口位于高程1 480.00 m，管内径DN2 000 mm，出口设置两个闸阀。

4.3.3 消能防冲建筑物

消能建筑由下游护坦和海漫组成，将过闸水流采用急流衔接方式导向下游河床。护坦采用钢筋混凝土材料，长60.0 m，按抗冲、抗浮稳定要求计算确定厚为3.0 m，底板顶高程1 472.00 m，护坦下设纵、横向反滤排水软管。护坦下游设50.0 m长海漫，前20.0 m为钢筋混凝土海漫，后为钢筋石笼海漫。

为使海漫末端的下泄水流归槽效果好，防止对两岸的淘刷，近坝两岸采用浆砌石护坡体归顺冲刷岸坡的下泄水流，并用大块石对两岸护坡坡脚进行保护，左岸防护约70.0 m，右岸防护约50.0 m。

4.3.4 开挖、支护及基础处理

两岸坝顶以上自然边坡整体稳定，但分布规模不等的危岩体，需进行清除及安全防护。开口线以内开挖永久边坡采取系统挂网锚喷处理，对护坦、海漫两岸边坡采用混凝土框格梁进行支护，临时边坡采用随机挂网喷护。根据工程地质条件、基础开挖设计及进水口、闸室段和右岸挡水坝段的应力、稳定计算成果，基础开挖后需对局部进行地质缺陷采取开挖置换或固结灌浆处理，以满足其基础承载力要求。

大坝防渗以满足渗透稳定、控制渗透破坏、尽量减少渗漏量为目的。根据闸址区水文地质条件，结合闸坝布置特点，基础防渗以垂直防渗为主。左岸帷幕灌浆平洞长144.0 m、右岸长122.0 m，主要利用原勘探平洞扩挖形成。帷幕灌浆平洞内帷幕施工采用分期进行，先期实施洞口段的帷幕灌浆左岸55.0 m、右岸75.0 m，在运行期进行观测，若渗漏量在可控范围内，则可不进行处理，否则应采取第二期的处理，以确保渗漏量可控为处理原则。河床部位布置两排帷幕，帷幕布置在闸底板上游齿槽部位，孔距2.0 m、排距1.2 m，闸基部位帷幕底高程设为1 436.00 m，两岸抬升至1 478.00 m高程；两岸采用一排帷幕，孔距2.0 m，最大孔深26.0 m。

4.3.5 水工模型试验

优化后水工模型试验表明：

(1)枢纽泄流能力满足要求，闸孔尺寸和闸顶高程合适；

(2)电站进水口、冲沙闸及泄洪闸前水流流态良好，没有明显的立轴漩涡出现；

(3)墩后没有明显的水翅现象，护坦内流速分布均匀，消能充分，没有明显的回流、旋滚，水流流态平顺；(4)护坦出口下游水流左岸流速大于右岸，在海漫出口后至转弯段，需要进行必要的岸坡防护。

4.3.6 优化设计主要成果

根据牛栏江流域水文泥沙情况、工程区地形、地质条件及工程特点、电站功能要求，从工程的安全、经济角度出发，对大岩洞工程首部枢纽建筑物进行优化，主要成果为：坝轴线下移约27.0 m，浆砌石重力坝调整为混凝土闸坝，建基面最低高程较可研设计方案上抬18.9 m，最大坝高由47.9 m调整为29.0 m。两阶段首部枢纽建筑物的土建工程量比较见表3，在工程投资上优化较可研减少了2 315.70万元。

闸坝方案从地质条件、筑坝材料、施工工艺、机械化施工、施工质量的控制、进水口的布置、首部淤积及排沙问题的解决、下游消能防冲及工程量等方面都优于重力坝方案，同时减少了开挖避免引起高边坡稳定等。