西藏某水电站枢纽布置设计综述

2019-11-05

四川水利 2019年5期

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

1 工程概况

某水电站位于西藏某河流上。枢纽主要由碾压混凝土重力坝、坝后式厂房、左岸鱼道组成。坝顶高程3451.00m，最大坝高118.00m，坝顶总长389m。

工程开发任务以发电为主，工程规模为大(2)型，其永久性主要水工建筑物(挡水、泄水及引水发电系统)按2级设计，次要建筑物(消力池)按3级设计，临时建筑物按4级设计。大坝挡、泄水建筑物设计洪水标准为500年一遇，相应洪峰流量13600m3/s；校核洪水按2000年一遇考虑安全修正值后的相应洪峰流量17000m3/s；消能防冲建筑物的设计洪水标准为50年一遇，相应洪峰流量10300m3/s。水库正常蓄水位3447.00m，死水位3440.00m，正常蓄水位库容0.5528亿m3，调节库容0.1亿m3，为日调节水库，电站装机容量660MW(4×165MW)，多年平均年发电量32.045亿kW·h。

2 地形地质条件

坝址处河流走向N15°E，枯水期水位高程3371.90m，江水面宽约92.4m～123.8m，正常蓄水位3447.0m处谷宽312.9m～353.4m，河谷呈较对称的“V”型，两岸地形较完整，左岸稍缓，高程3517.0m以下地形坡度39°～44°，右岸稍陡，高程3510.0m以下地形坡度44°～49°。

坝址出露地层岩性为喜山期黑云母花岗闪长岩，局部夹黑云母角闪石英闪长岩条带状岩脉，厚约30cm～50cm，局部3m～5m，两者多呈裂隙接触，局部呈熔融接触。

坝址左岸弱风化上段下限埋深0.0m～42.0m，弱风化下段下限埋深19.0m～130.0m，微风化下限埋深67.0m～150.0m；河床弱风化下段下限埋深10.0m～60.0m，微风化下限埋深48.0m～90.0m；右岸弱风化上段下限埋深0.0m～28.3m，弱风化下段下限埋深10.0m～52.0m，微风化下限埋深48.0m～120.0m。坝址岩体较完整，以弱风化为主，左岸坡卸荷相对强烈，左岸强卸荷水平深度0.0m～46m，弱卸荷水平深度50m～106m，右岸卸荷不深，强卸荷水平深度0.0m～30m，弱卸荷水平深度10m～58m。

两岸地表多基岩裸露，河床覆盖层最大厚度约35m。坝址区左岸上游发育有C8崩坡积体，左岸下游发育有泥石流沟，右岸下游发育有C12崩坡积体。

3 枢纽布置格局选择

可研阶段首先对泄洪孔口数量进行了初选，根据校核工况下泄流量，孔口数量基本为5个表孔+1个底孔，溢流前缘宽度约为120m，因为正常蓄水位3447.0m处谷宽312.9m～353.4m，布置了溢流坝段及底孔坝段后，剩余河谷宽度较窄，因此，主要选择了以下两种枢纽布置格局作为比选方案：

(1)方案一(坝后式厂房方案)：碾压混凝土重力坝+左岸溢流表孔方案+右岸坝后式厂房方案。该方案优点是枢纽布置紧凑，溢流坝段位于主河床略偏左，与下游河道平顺衔接，泄洪水流归槽顺畅，且左岸大部分为基岩出露，抗冲刷能力强；坝后式厂房位于右岸内凹地形处，开挖量少，整体边坡高度不大。该方案的缺点是碾压混凝土重力坝上同时布置了溢流坝段、底孔坝段及厂引坝段，孔洞较多，碾压混凝土快速施工受一定影响。

(2)方案二(地下式厂房方案)：碾压混凝土重力坝+河中溢流表孔方案+右岸地下式厂房方案。该方案优点是拦河坝单独布置在河谷中，泄洪建筑物布置较宽裕，水流归槽顺畅，碾压混凝土重力坝孔洞少，有利于快速施工。该方案缺点是地下洞室群较多，引水系统线路长、洞径大，布置复杂，水头损失较大。

单从枢纽布置比较，坝后式厂房方案引水发电系统均布置在地面，规模适中，简洁顺直，两岸开挖边坡不高，处理工程量和难度不大，地面厂房的永久运行条件较好，水头损失较小；地下厂房方案抗震性相对较好，但大规模地下洞室群较多，引水系统布置较复杂，地下厂房的永久运行条件较差，水头损失较大。再结合地形地质条件、施工条件及工期、工程投资等其它方面比较，最终推荐方案一：碾压混凝土重力坝+左岸溢流表孔方案+右岸坝后式厂房方案。

选定的枢纽布置如图1所示。

图1 选定方案枢纽布置

4 主要建筑物设计

工程枢纽主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、右岸坝后式厂房及左岸鱼道组成。拦河坝上游立视图见图2。

图2 拦河坝上游立视图

4.1 挡水建筑物

4.1.1 碾压混凝土重力坝

拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高118.00m，坝顶总长389m。大坝共分17个坝段，1#-5#为左岸挡水坝段，坝长100.0m；6#-9#为溢流坝段，坝长98.0m；10#为冲沙底孔坝段，坝长22.0m；11#-14#为厂引坝段，坝长106.7m；15#-17#为右岸挡水坝段，坝长62.3m。

上游坝面在高程3362.50m以上铅直，以下向上游折坡，折坡坡比1∶0.2。下游坝面坝顶至高程3431.00m间为铅直段，往下通过半径为20m的圆弧与下游坝坡1∶0.75相接。

4.1.2 坝段分缝及混凝土分区设计

坝体共设15条横缝和1条短缝，挡水坝段横缝间距20m，溢流坝段横缝间距为21m或28m，厂引坝段横缝间距为25m或25.35m。15#和16#坝段总长38m，考虑整体受力要求不分横缝，为防止出现劈头温度裂缝，在两坝段之间布置一条3m深短缝。拦河坝不设纵缝，但在厂坝间设一条结构缝，该结构缝在压力钢管以下2.3m进行接缝灌浆，以上为永久缝。溢流坝段与消力戽间设一道结构缝。

坝体常态混凝土分4个区：Ⅰ区三级配C9020W8F200，为挡水坝段死水位以上坝顶混凝土；Ⅱ区三级配C25W8F200，为底孔(洞)周边及厂引坝段顶部混凝土；Ⅲ区二级配C30W6F150，为溢流面台阶及压力钢管周边混凝土；Ⅳ区二级配C40W8F200，为闸墩、反弧溢流面、消力戽抗冲磨混凝土等。

坝体碾压混凝土分2个区：Ⅰ区三级配C9015W6F100，为坝体内部混凝土；Ⅱ区二级配C9020W8F200，为死水位以下大坝上游面防渗混凝土；当碾压混凝土区域有模板、孔洞或岸坡基础时则采用相同指标的变态混凝土。

4.1.3 防渗及基础处理设计

由于下游水位较高，为了防止下游水位绕渗，除了布置上游帷幕外，还在消力戽最下游侧纵向廊道内布置一道下游帷幕，并通过坝体横向廊道与上游帷幕相连，使坝基与消力戽范围形成一圈封闭的帷幕线。

坝基上游防渗帷幕根据左右岸地质条件区别设计，左岸布置二排帷幕，河床及右岸布置一排帷幕。孔深深入q≤3Lu相对水层以下5m，且孔深不小于上游水深的1/2，副帷幕孔深为主帷幕孔深的0.5倍。下游帷幕及两岸帷幕孔深不小于下游水深的1/2，帷幕孔距为2m。

坝基排水采用抽排设计，为减少坝体内廊道数量，加快碾压混凝土施工，坝体内上下游各布置1排纵向廊道，在消力戽尾端布置1排纵向廊道。纵向廊道内布置一排主排水孔，孔距2m，孔深为帷幕的0.5倍。坝基和消力戽渗水分别集中排至大坝渗漏集水井及消力戽渗漏集水井，再抽排至下游。

4.2 泄洪冲砂建筑物

坝址多年平均悬移质年输沙量1580万t，由于该工程库区河谷狭长，库容小、来水来砂量相对较大，工程泄洪频繁，因此，本工程的泄洪消能与冲砂要求均十分突出。为此，通过设置溢流表孔、右岸冲砂底孔(校核洪水位工况下参与泄洪)以及排砂廊道，以期达到保证水库调节库容、降低坝前淤砂高程及保证电站进水口“门前清”的目的。

4.2.1 溢流表孔

溢流坝段布置在河床左侧，共设5个表孔，消能方式采用“X”型宽尾墩+台阶坝面+戽式消力池的联合消能方式。溢流堰顶高程3425.50m，堰顶控制断面尺寸为14.0m×21.5m(宽×高)，采用WES堰型。闸墩下游侧设置宽尾墩，宽尾墩出口宽度均为4.2m，尾墩宽度均为4.9m，收缩比为0.3，中间3个孔口的宽尾墩为对称“X”型宽尾墩，左右两个边孔根据水流条件采用高低不对称的“X”型宽尾墩，目的是防止水舌直接冲砸消力池边墙。下游斜坡坝面坡比1∶0.75，设置阶梯台阶，共31级台阶，首级台阶2.4m×0.9m(高×宽)，其余台阶尺寸为1.2m×0.9m。溢流表孔下游接消力戽，戽池长63m，净宽90m，戽池底板顶高程3350.00m，池末设有反坡尾坎，坎顶高程3360.00m，坎前反坡坡比1∶2。尾坎下游设有混凝土护坦，护坦顶面高程3356.00m，护坦顺水流方向长40m，护坦下游以1∶4的反坡延伸至河床3365.00m高程。

4.2.2 冲砂底孔

冲砂底孔坝段布置于溢流坝段右侧。底孔采用有压深式泄水孔型式，由进口段、压力段和明流段组成。进口底板高程为3376.00m，控制断面尺寸5.0m×8.0m(宽×高)，采用矩形孔口，进口段和出口段分别布置平板检修闸门和弧形工作闸门，两道闸门间钢板衬砌的压力段长50m，压力段后接明流段，尾部设挑流尾坎，坎顶高程3377.53m，水流挑至消力戽池外下游河道。

4.2.3 排砂廊道

排砂廊道进口布置在厂引坝段进水口下部，共设4个排砂廊道进口，排砂廊道布置在厂引坝段实体混凝土内。各排砂廊道由进口段、事故检修闸门、支管段、主管段、出口工作闸门等组成，平面上采用“四合一”布置型式，主管出口段紧靠冲砂底孔右侧布置，采用明流泄槽，窄缝式挑流消能方式。支管与主管采用钢板，管径3.2m。进口底板高程3383.00m，出口中心高程3381.75m。

4.2.4 生态流量泄放孔

在右岸15#坝段单独布置生态流量泄放孔的进水口，满足最小下泄流量为152m3/s的生态要求，该孔由进口段、事故检修门闸门段、上水平段、竖井段、下水平段、出口工作闸门室和明流泄槽段组成，其中下水平段、出口工作闸门室和明流泄槽与排砂廊道主管出口工作闸门室和明流泄槽段共用，进口底板高程3413.0m。

4.3 引水发电建筑物

坝后式厂房布置在河床右岸，坝式进水口由拦污栅段、进口段、检修闸门段和工作闸门段组成。进口底板高程为3408.5m，分别设检修闸门和工作闸门，孔口尺寸分别为6.8m×9.2m(宽×高)和6.8m×8.5m(宽×高)。引水钢管采用坝后浅埋管，采用单机单管，钢管直径为8.5m，钢管外包钢筋混凝土厚度1.5m，混凝土外表面与下游坝面齐平。钢管在厂坝分界缝部位不设伸缩节，在厂坝分缝上、下游侧各5.5m范围内设置11m长全包垫层钢管，以适应厂坝之间不均匀变形，垫层厚度5cm，拦污栅布置在悬出上游坝面9m的牛腿上。

厂区建筑物主要由主厂房(包括主机间及安装间)、副厂房(包括上游副厂房、下游副厂房、中控楼)、升压站、屋顶出线场、尾水渠及进厂交通洞等组成。厂房主机间长113m，高63.50m，上部宽29.5m，安装4台单机容量为165MW的混流式水轮发电机组。窑洞式安装间布置在主厂房的右端，长50.00m。下游副厂房布置在下游尾水管扩散段上部空间，尾水平台与厂区地面高程相同，为3387.50m。中控楼布置在安装间下游地面以上，中控室布置在中控楼第2层。上游副厂房布置在厂坝之间，紧靠主厂房，GIS室布置在上游副厂房第5层内。主变压器布置在厂坝间平台上，主变压器可通过轨道进入安装间进行检修。屋顶出线场布置在上游副厂房屋顶。进厂交通洞布置在右岸，从安装间右端进厂。

4.4 鱼道

根据枢纽地形地质条件，枢纽右岸山体陡峭且分布有大小冲沟，不具备布置鱼道的基本条件，因此，鱼道布置在左岸相对平缓的山坡上。鱼道进口设置在导流洞出口下游处，采用连续绕弯的方式在左岸山坡上盘旋上升，直至库区出口高程处。鱼道长4030m，其中库内鱼道长约400m。鱼道最大高差约75m，鱼道结构型式采用竖缝式，断面为矩形，净水深3m，净宽2.4m，鱼池长3m，每20块隔板设一个休息池，休息池长12m。