牛栏江某水电站枢纽布置优化设计若干问题浅析

赵 艳，尤 林，杨兴义，熊先涛

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

某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，其左岸为云南省会泽县，右岸是贵州省威宁县。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3.831 2亿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、防洪等综合利用要求。本工程等别为Ⅲ等工程，其永久性主要水工建筑物按3级设计，次要永久性水工建筑物按4级设计，临时性水工建筑物按5级建筑物设计。

该项目可研阶段设计工作并非我公司承担，并已经完成并通过了政府的核准，业主委托我公司进行可行性研究优化设计及施工图阶段的设计。

对于首部枢纽建筑物，结合坝址区补充地勘资料，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，原可研方案浆砌石重力坝坝型调整为闸坝坝型更为适合，并可减少枢纽建筑物的工程量、降低造价。根据最新地形、地质勘探资料，考虑到工程施工期和运行期的安全、施工难度等，调压井、厂房的布置也有必要进行调整优化。

1 原枢纽布置方案

大岩洞枢纽布置包括拦河坝、左岸引水系统和发电厂房。拦河坝采用混凝土砌石重力坝坝型，坝轴线直线布置，与下游河道方向基本垂直。拦河重力坝由泄洪冲沙坝段和非溢流坝段组成。坝顶总长142.00 m，坝顶高程1 498.90 m，最大坝高47.90 m，非溢流坝段坝顶宽6.00 m，总长97.00 m。泄洪冲沙坝段长度45.00 m，由一孔开敞式溢流表孔及三孔泄洪冲沙底孔组成。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，放水管出口设DN2 000 mm闸阀两个。布置采用底流消能型式，消力池长50.00 m，宽41.00 m ，消力池尾部设尾坎，坎后接长15.00 m的护坦。首部枢纽布置见图1。

图1 首部枢纽布置示意(原可研方案)

引水系统布置于左岸山体中，由进水口、压力引水道、调压室、地下埋藏式压力钢管段(岔管、支管)等组成，总长度6 446.76 m，采用1管3机的布置方式。进水口位于拦河坝前的左岸，坝顶高程1 498.90 m。进水口与引水隧洞之间采用直接进洞的方式衔接。引水隧洞长6 189.89 m，圆形断面，其直径为6.90 m。压力管道主管直径6.0 m，与厂房轴线成90°角，在厂房前经两次分岔管后分为3条直径3.20 m的支管连接蝶阀进口。

发电厂房位于大坪子下游侧，采用地面厂房。主机间长43.50 m，宽18.50 m，安装场布置在主机间右侧(上游侧)，长24.80 m， 宽18.50 m，副厂房(中控楼)布置在紧靠安装间的靠山一侧，尺寸为24.80 m×13.00 m(长×宽)，共三层。GIS室(长43.50 m×宽10.20 m)布置在主厂房的后方。电站发电机层高程1 407.10 m，水轮机层高程1 401.10 m。

2 原可研设计中存在的问题

2.1 首部枢纽

2.1.1 枢纽布置

(1)从首部枢纽模型试验的效果看，坝前进水口流态不稳定，下泄水流流态较差且消能效果不理想，消力池和护坦长度不够，消能不充分，对下游河床及岸坡的冲刷较大。

(2)校核洪水位控制坝顶高程，很不经济。校核洪水位高于正常蓄水位2.80 m，如非受制于天然河床宽度及地形条件限制，出现这样的情况是不适宜的。从河床宽度及目前的首部枢纽布置方式来看，最宽的孔口为溢流表孔，底坎顶高程过高，大大限制了其过流能力，需要研究加大溢流表孔泄洪能力的可能性，将校核洪水位降至正常蓄水位以下，以降低坝顶高程，节约工程投资。

2.1.2 坝体结构

(1)坝顶高程仅比校核水位高0.10 m，考虑到坝与进水口相接，坝顶高程偏低。

(2)溢流表孔弧形闸门与检修闸门的布置不合理，影响坝体的结构设计。

(3)考虑监测设施、操作房等结构的布置，坝顶宽度需要增加，坝顶面积可能需要加大。

(4)进水口处没有布置清污平台，靠进水口侧坝体全为孔口泄洪，无法排除库区漂浮物，进水口前漂浮物淤积较严重。

(5)右岸开挖深度、开挖方式导致右岸挡水坝坝肩开挖量较大。

(6)前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，施工质量不易控制，工期相对较长。

2.1.3 大坝建基面

河床建基面置于弱风化的二叠系梁山组地层之上，开挖深度25.00 m，并进行灌浆处理。建基面岩体岩性为石英砂岩、泥岩、少量灰岩和煤线，岩性复杂且软弱，同时位于背斜的核部，地层较为破碎。由于页岩、泥质砂岩的可灌性较差，泥页岩开挖暴露之后存在遇水泥化、软化的现象，也可能存在增加基础开挖深度的问题。

2.1.4 防渗排水

根据报告描述，坝址区灰岩的岩溶现象发育。从现场勘查情况来看，右岸导流洞和两岸坝顶高程的勘探平洞在水平埋深100.00 m范围内，其溶洞发育，现有勘探未找到岩溶发育的水平埋深。钻孔揭示，坝址区岩层的透水率远大于设计要求的“小于5Lu”，但是可研报告中防渗帷幕的范围、厚度、帷幕的渗流稳定性、岩层可灌性，以及帷幕在溶洞、溶穴中的处置措施等方面都没有相关论证。

2.1.5 坝肩稳定

根据枢纽方案，两岸坝肩开挖边坡较高，右岸高达60.00 m，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，高边坡局部稳定问题突出。可研报告中对此没有进行深入研究，但可研报告的审查意见要求下阶段对坝肩边坡稳定进行进一步复核。

2.1.6 抗滑稳定

坝基岩层为浅灰、浅棕色石英砂岩、灰质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。

2.1.7 库 区

上游库区以及近坝库岸发育有泥石流沟，且规模较大，但对工程枢纽的影响没有展开研究，也没有任何处理措施。可研报告的审查意见明确了水库淤积问题严重并建议进行处理，但是可研报告并无具体处理措施和工程造价。

2.1.8 下游河岸防护

下泄水流对河床及岸坡的冲刷问题突出，需要补充研究防冲加固措施。

2.1.9 地勘工作的深度

大坝建基面的确定及抗滑稳定计算对地勘深度的依赖性较强。地质条件的好坏直接影响到设计方案的成立与否。从原可研报告的成果来看，河床仅有一个钻孔资料，地勘工作严重不足，这会导致后期设计调整与变更的可能性加大。

2.1.10 施 工

由于岩溶发育和基础开挖深度较大，且河床基础开挖时涌水较大，施工困难。

2.1.11 运行方式

原可研设计泥沙调度拟定的冲沙条件为：过机泥沙影响机组安全运行时敞泄冲沙，但该条件不具备可操作性，实际运行中并不能准确判断敞泄冲沙的时间。当流量大于厂房校核标准流量时冲沙，厂房校核标准为200年一遇洪水，所定敞泄冲沙的流量太大，而在实际运行中水库基本不冲沙，汛期基本常年维持1 490.00 m高程运行，并且由于大岩洞水库库容较小，入库推移质泥沙及悬移质粗砂将很快淤积至电站进水口前。

对于本工程而言，满足工程设计需要精度的水工及泥沙模型试验是有必要的。鉴于所拟的水库运行方式存在上述问题，需要再度进行引水防沙模型试验确定合理的引水防沙调度方式。

2.2 引水系统

2.2.1 地质资料

按照报告中对围岩的分类：围岩Ⅱ类占总长度的84.2%；Ⅲ类占总长度的14.9%；Ⅳ类占总长度的0.2%；Ⅴ类段占总长度的0.7%。根据导流洞、坝址平硐和工程经验判断，灰岩地层的围岩类别基本为Ⅲ类，部分断层破碎带、挤压破碎带、裂隙发育段和岩溶发育段为Ⅳ～Ⅴ类，所以可研报告判断的围岩类别明显偏高。

2.2.2 调压室布置及结构

根据现场踏勘的情况，考虑埋藏式调压室上覆岩石受风化卸荷的影响，调压井穹顶上覆岩体厚度较薄(仅几米厚)且井筒跨度大，施工中穹顶岩体稳定问题突出，穹顶成洞及施工困难；调压井井筒直径大，开挖及混凝土施工都较为不便。

2.2.3 开挖底坡设计

引水隧洞全段采用3‰底坡设计。结合地质资料，隧洞下方分布的梁山组层对隧洞结构存在不利影响，导致衬砌厚度加大，这就造成了工程量和投资的增加。

2.3 厂区枢纽

2.3.1 厂房位置

结合可研报告和现场踏勘情况，厂址后边坡中上部卸荷裂隙发育，规模较大，下部为一凹槽地形，后坡覆盖层厚8.00～12.00 m，遇暴雨时厂房存在山洪冲涮风险；施工期和运行期还存在危岩体崩塌、掉块的安全风险。

2.3.2 厂房稳定及地基应力

本电站校核洪水位高，由可研成果可知，厂房水下高度为25.87 m。根据工程经验，厂房抗浮、抗滑稳定安全及基础应力问题较为突出，应进一步复核。

2.3.3 边坡稳定

厂房基础置于基岩上，开挖坡比1:0.3，后边坡永久高度约40.00 m，临时边坡最大高度约60.00 m。边坡较陡，边坡稳定及支护有待进一步复核。

2.3.4 尾水出流及防沙

本电站正常尾水位与下游梯级正常蓄水位重叠约7.00 m，尾水采用正向出流的布置形式，设拦砂坎和叠梁闸进行防沙。该段河道泥沙较多，尤其在下游电站建成后，本电站直接处于库尾，泥沙淤积将导致尾水出流不畅。

2.3.5 进厂交通布置

厂房从上游侧进厂。从现场踏勘情况来看，现场上游侧并无公路相通，且临河侧边坡高陡，与已有公路高程约有50.00 m高差，进厂交通布置存在较大难度。

3 优化布置设计

大岩洞水电站工程可研优化方案和原可研方案枢纽布置总体格局一致，由首部枢纽、左岸引水系统、左岸地面厂区枢纽三部分组成。坝址沿用原可研推荐的上坝址(大岩洞坝址)，对坝轴线和坝型、引水隧洞线路、厂房型式及厂址进行了方案比选。

3.1 坝轴线选择

坝轴线选择越短工程量越省。两岸坝肩岸坡具有良好的地形地质条件，不仅有利于减少坝肩接头和防渗工程量，还有利于枢纽的取水、防沙、消能、防冲等其它建筑物的布置。在坝址区选择了两条坝线进行比选，上下坝线相距27.00 m，上坝线为原可研重力坝坝轴线(见图2)。各坝线工程地质条件及主要工程地质问题见表1。

图2 上下坝线比较

结合原可研和补充地勘资料对比分析，从首部枢纽布置看，上下两轴线相距27.00 m，地形、地貌一致，枢纽布置相同。上坝线河床覆盖层物质组成较复杂且相对较深，对闸基稳定不利，需加大基础处理工程量，增加投资。上坝线左岸坝头部位出露的卸荷溶蚀松弛岩体需工程处理，增加投资。从水工布置及投资定性上分析，下坝线方案优于上坝线。

3.2 坝型选择

从两岸坝基的工程地质条件来看，两岸坝基置于二叠系下统的厚层～巨厚状灰岩、白云质灰岩上，基岩开挖深度20.00～35.00 m，弱风化下段、弱卸荷岩体。两岸自然边坡稳定，采用闸坝坝型对工程边坡开挖量及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。同时，坝基河床覆盖层为含泥卵(碎)砾石层(alQ4)，其厚度约为10.00 m，结构单一，允许承载力R在0.50～0.55 MPa间，其承载能力和抗变形能力基本满足闸坝基础要求。

经过对河道的上下游地形地质条件和水流特性进行分析，应尽可能减少对原来河道的水、沙运动特性的改变，使汛期泥沙能顺利下泄，防止水库发生累积性淤积。借鉴国内已建类似工程经验，本工程采用混凝土全闸控制水流，枯水期河流泥沙少，水库蓄水至正常蓄水位运行；洪水期水量大，推移质、悬移质多，需降低库水位，大排大泄，并进行溯源冲沙，排除水库淤积和洪水带来的泥沙。同时，冲沙闸采用不定期敞泄冲沙，保证进水口“门前清”。该闸坝布置型式能有效解决引水、冲沙问题，保持水库日调节库容；在泄洪消能布置上，有利于上下游水流衔接，减小洪水对下游的冲刷。

表1 坝址区比选坝线主要工程地质条件比较

3.3 引水隧洞线路选择

在可研优化初期，根据2号施工支洞布置调整并结合现场的地形条件，设计人员提出了新的上厂址布置方案。新增上厂址方案位于可研厂址位置上游约900.00 m处，该方案装机容量不变，具有洞线较短、工程量及水头损失较小等优点。为此，项目部开展了上厂址方案引水隧洞洞线、调压井、压力管道及厂房的布置设计工作，同时进行相应的地勘工作。地质钻孔资料表明：调压井选址范围内均为分布宽广、深厚的“钙化台”，且主体建筑物多位于中下部松散的碎石土层内，其工程性状差，对于开挖直径约25.00 m、高45.00 m规模的大型硐室，成洞条件极差，工程处理难度较大；压力管道上平段及上弯段(或部分竖井段)位于松散的碎石土内，同样成洞条件差，工程处理难度大，不具备布置调压井和压力管道的条件，因此仍然采用可研的下厂址方案。

3.4 厂房型式及厂址选择

本工程规划厂区河段内岸坡较缓，具备布置地面厂房的条件。根据工程经验，地下厂房具有工程投资大、施工难度大的特点，且本工程区为灰岩地形，局部岩溶发育，风险较大，故本阶段仍选定地面厂房方案。

本工程可研选定地面厂房(下厂址)位于大坪子村下游侧岸边，相应调压井布置于后侧山体内，施工难度大。经现场踏勘，在上游约900.00 m处二坪子村一带岸坡前缘较缓，至高程1 500.00 m后，地形变陡，形成近30.00 m的陡坡，坡顶出露平缓台地，坡度5°～10°。如将厂房布置在岸边，相应调压井布置在坡顶平台，能降低调压井施工难度，从地形条件看，满足工程布置需要且施工难度小。故将此处作为比选厂址(上厂址)进行地质勘探和综合比较。

根据地表调查及勘探揭示，上厂址斜坡部位浅表部出露崩坡堆积物，厚度在1.50～6.00 m之间，下部出露泥盆系上统的灰岩，岩体坚硬较完整；后部陡坡及坡顶平台部位出露钙化角砾岩，厚度约21.00 m，以下分布有厚度较大的碎石土层，为早期崩坡堆积物，表现为典型的“钙化台”结构类型。

根据地质条件，上厂址厂房基础置于基岩上，厂房基础条件尚可，但相应调压井及压力管道需布置在后侧角砾岩和碎石土层内，成洞条件极差，无法满足工程需要，故本阶段仍将下厂址作为选定厂址。

3.5 优化方案工程总体布置

综合坝址、坝线、坝型、左岸引水线路、厂址及厂房型式的选择结论，本工程推荐采用：原可研坝址下坝线闸坝-左岸有压引水隧洞-左岸地面厂房的工程总布置方案。枢纽主要建筑物由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽三大部分组成。

首部枢纽包括右岸挡水坝段、闸室段、左岸接头坝段、左岸电站进水口及下游消能、防冲建筑物等。闸室段宽41.00 m，长41.00 m，由3孔泄洪闸和1孔冲沙闸组成，闸底板顶高程1 473.00 m，闸顶高程1 498.00 m。单孔泄洪闸尺寸7.00 m×13.00 m(宽×高)，冲沙闸尺寸3.00 m×8.00 m(宽×高)。右岸挡水坝为混凝土重力坝，分为3个坝段，长48.77 m，坝顶高程为1 498.00 m；左岸接头坝段采用了土石回填，顶部布置上坝连接公路，公路路面高程1 498.00 m。左岸电站进水口前缘线与闸轴线呈115°夹角，其宽23.50 m，长31.00 m，顶高程1 498.00 m，底板顶高程1 476.00 m。消能防冲建筑物由护坦和海漫组成，护坦长60.00 m，海漫总长50.00 m；海漫前20.00 m为钢筋混凝土海漫，后30.00 m为钢筋石笼海漫。生态用水放水管布置在左岸进水口，进口位于高程1 480.00 m，管内径DN2 000 mm，出口设置两个闸阀。左岸连接坝段采用土石回填，顶部布置上坝连接公路，公路路面高程1 498.00 m。

引水隧洞采用有压引水形式，隧洞从进水口至调压室全长6 216.90 m，隧洞断面为圆形，断面半径为3.45 m。调压室基本位于原可研调压室处，由原可研的埋藏式调整为开敞式。调压室采用阻抗式，井筒断面采用圆型，直径23.00 m，调压室后接地下埋藏式压力管道，采用一条主管通过两个非对称“Y”型岔管分别向三台机组供水的布置方式，主管内径6.00 m，总长约206.76 m；支管管径3.20 m，总长约107.00 m。

厂区建筑物包括主厂房、主变和GIS楼、中央控制楼、尾水闸及尾水渠、进厂公路及回车场等，采用全地面布置型式。主机间与安装间平行于河流布置，安装间布置于主机间下游侧，其中主机间长度47.40 m，安装间长度21.80 m，宽度均为19.00 m；主变和GIS楼布置于主机间后侧，长度47.40 m，宽10.00 m；中央控制楼布置在安装间后侧，长21.80 m，宽10.00 m。尾水采用斜向出流布置，尾水自机组出流后向河道偏转约70°，厂房采用下游侧平行进厂。

4 优化方案与可研设计方案的比较

4.1 首部枢纽

可研优化方案与原可研方案首部枢纽布置总体格局一致，由左岸进水口、拦河大坝、消能防冲建筑物等组成。主要优化调整如下。

(1)闸坝方案对地质条件的适应性更优。根据重力坝承载及变形的要求，现坝址区地形地质条件较为复杂，岩溶现象较发育，经针对性的工程处理后，具备建坝的地形地质条件。但坝址河床分布的覆盖层及其下伏浅部基岩，力学性状差，对抗滑稳定也有不利影响。因此，重力坝方案对地质条件的适应性相对较差，而闸坝方案对工程地质条件的适应性相对较优。

(2)下坝轴线优化调整。优化方案坝轴线在原可研方案坝轴线下游约27.00 m，下移后覆盖层厚度减少约2.30 m，其组成物相对单一，可避开不利于建基的砂层和黏土层，覆盖层承载能力增强，满足建闸需要。下闸线建闸闸基可置于覆盖层上，底部建基面可抬高18 m左右，可较大幅度减少基础开挖量及筑坝材料量等，且坝轴线下移后可避开上坝线左岸坝头部位出露的卸荷溶蚀松弛岩体。结合上下坝轴线地质条件的分析与比较，闸坝方案可较大地节约工程量，降低首部枢纽工程投资。

(3)筑坝材料强度高。原可研方案采用重力坝坝型，材料采用细石混凝土砌块石，外包浆砌混凝土预制块；可研优化方案采用闸坝坝型，材料采用常态混凝土。闸坝方案混凝土强度高，可靠性高。

(4)施工方面优势明显。从施工工艺看，重力坝方案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，工艺复杂，不易机械化施工，施工质量也不易控制；而闸坝方案采用常态混凝土施工，工艺简单，易于机械化施工，能把控好施工质量。

(5)有利于解决泥沙问题。由于牛栏江汛期泥沙含量大，推移质泥沙多，泥沙问题突出。因此，解决进水口的引水防沙及汛期束水冲沙，并保证水库冲沙、排沙、控制水库淤积及进水口“门前清”是本工程的关键问题之一。原可研重力坝方案设一孔开敞式溢流表孔及三孔泄洪冲沙底孔，泥沙调度拟定的运行方式在运行中水库基本不冲沙，入库推移质泥沙及悬移质粗沙将很快淤积至电站取水口前，进而给工程的正常运行带来负面影响。闸坝的堰顶与河床同高，相比之下更有利于解决水库淤积及排沙问题。

(6)进水口布置更合理。原可研方案进水口取水角为90°，而可研优化方案进水口取水角为115°。根据水力学模型试验成果并类比相关工程经验可知，在各运行工况下，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，可研优化方案进水口布置更加合理。

(7)消能防冲更有利。根据大岩洞水电站水文、地质条件，结合原可研方案和可研优化方案水力学模型试验成果得出，可研优化方案消能更加充分，对下游河道冲刷更小。

(8)开挖、基础处理及筑坝材料工程量大幅减少。优化方案在开挖量、基础处理及筑坝材料量上较原可研方案少，特别是石方明挖、帷幕灌浆、固结灌浆量可研优化方案较原可研方案分别减少15.66万m3、0.92万m、1 520 m，筑坝材料可研优化方案减少5.27万m3；可研优化方案在钢材使用上较原可研方案有所增加：钢筋增加183 t，新增Q345C钢板132.4 t。

4.2 引水系统

(1)引水隧洞路线的调整。厂址采用原可研的下厂址上移30.00 m的方案，配合施工支洞布置的调整、厂址的调整进行洞线布置的优化设计。其中，电站进水口在原可研方案的基础上往下游移动了约30.00 m，后续的P2、P3转弯点转弯参数也做了调整，使洞线衔接更平顺。原可研方案2号施工支洞所处位置为覆盖层，不利于其布置，现场将2号施工支洞沿河道往下游调整约1 008.00 m，引水隧洞洞线P4转弯点根据2号施工支洞的调整，往下游移动了约1 008.00 m，并根据隧洞沿线地形往山体内移动约50.00 m；考虑到机组中心线在原可研方案的基础上往上游移动了约30.00 m，为保证隧洞和压力管道平顺连接，在调压室上游增设了一个转弯点P6，P6点位于调压室上游约50.00 m处。优化洞线长约6 216.90 m。

(2)引水隧洞纵坡优化节省衬砌结构工程量。原可研方案洞线全线采用3‰底坡设计。优化设计阶段根据洞线纵剖面的地质条件，结合隧洞下方的梁山组层的分布情况，隧洞部分洞段纵坡调缓，应尽量避开或减小梁山组对隧洞衬砌结构的影响，达到节省工程量的目的。调整后的引水隧洞在(引)0+015.00 m～(引)5+000.00 m段，底坡i为0.067 807%；在(引)5+000.00 m～(引)6+206.40 m段，底坡i为1.294 76%。

(3)隧洞衬砌厚度的优化。原可研设计隧洞不论围岩类别，均采用0.60 m厚的混凝土衬砌。优化设计对衬砌结构进行优化：Ⅱ、Ⅲ类围岩采用0.30 m厚混凝土衬砌；Ⅳ类围岩采用0.50 m厚混凝土衬砌；Ⅴ类围岩采用0.60 m厚混凝土衬砌。

(4)调压室布置型式施工更方便、安全度更高、投资更省。原可研方案采用埋藏式调压室，由于其上覆埋深不足，井筒附近覆盖层分布较广，穹顶施工难度大，井筒施工不便。

针对原可研设计调压室方案存在的不足，在优化设计时比较了开敞式调压室和埋藏式调压室两种布置方案。考虑调压室上覆岩石受风化卸荷的影响，为保证施工中穹顶岩体稳定及便于井筒施工等因素，结合总体布置、调压室以及厂址区的地形地质条件等，考虑降低工程造价，因此优化设计推荐采用开敞式调压室方案，该方案最大的优点是施工方便，工程量及投资较省。

(5)引水系统开挖、混凝土、钢材工程量大幅减少。优化方案根据上述调整变化后，较原可研方案节省开挖16 653 m3、混凝土31 678 m3及钢筋1 288 t。

4.3 厂区枢纽

可研审查基本同意厂区枢纽及主要结构布置。鉴于本电站处于象鼻岭电站库尾，要求复核厂房各特征水位，重视厂区防洪及排水设计；为减小库区淤积对尾水出流的影响，建议适当减小水位重叠。针对可研审查意见及本工程实际情况，根据原可研及优化阶段的水文、地质、动能及机组资料，开展了厂区枢纽布置、厂房尺寸及内部布置、尾水出流及防淤、厂区防洪及排水等方面的研究及优化设计。

(1)厂区枢纽布置更安全、方便。现场踏勘发现原厂房处于大坪子村平台凹槽地形末端，后坡下部分布有崩坡积物(col+dlQ4)，且结构松散，后坡中上部分布有危岩体，在施工期和运行期存在危石崩塌、山洪冲刷的可能。为降低风险、优化方案，将厂区建筑物向上游平移了约30.00 m(见图3)。

图3 厂房位置调整前后示意

原可研采用上游进厂，进厂公路与厂坝连接路衔接。本阶段由于业主营地施工和场内交通已基本形成，厂坝连接路已修建至业主营地(厂房上游约200.00 m)。如维持原有上游进厂方案，进厂公路需布置的上游陡坎岸坡地段工程难度和投资均较大。故结合现场交通和地形地质条件，调整成下游侧进厂，相应调整主机间和安装间布置，厂区枢纽各建筑物也进行了相应调整。

原可研阶段回车场和主变场布置在不同高程上，高差约8.00 m，主变运输和检修难度大，为方便主变运输及运行检修，调整为同一高程布置。

(2)开敞式开关站(方案1)和GIS开关站(方案2)方案比选。从工程投资看两方案差别并不大。开敞式方案的经济性稍好，工程土建和机电投资较GIS方案少了218万元。 但该方案需新增开关站及进站道路征地面积约4 000 m2，并且涉及房屋拆迁及移民，需拆除房屋960 m2，搬迁居民29人，其他林木及基础设施等投资合计181.9万元，两方案相差仅36.1万元。GIS方案在技术先进性与可靠性、抗震性能、运行维护等方面明显优于开敞式布置方案。

(3)尾水出流及防淤设计更合理。根据可研成果，本工程尾水与下游电站水位重叠约7.00 m，且处于下游电站库尾，泥沙淤积严重。为满足河床低水位时机组吸出高的要求，需设尾水堰雍高尾水位。原可研采用正向出流，尾水渠与河道呈90°夹角，并在尾水堰上设叠梁闸以便在尾水河道淤积时封堵淤积物。

根据工程经验，该方案存在如下缺点：尾水叠梁闸操作困难，运行维护难度大；受下游河道淤积顶托影响，易造成尾水出流不畅等。鉴于此，类比同类工程，优化方案将尾水出流调整为斜向出流，尾水渠向下游偏转约70°，临河侧设导墙，取消叠梁闸。调整后尾水出流顺畅，尤其在河道淤积后，尾水渠出口在一定范围内由于水流冲刷形成“门后清“，降低了河道淤积对尾水出流的不利影响，同时更便于河道清理，降低河道淤堵风险。

(4)根据最新地质资料对边坡开挖支护进行调整。本工程厂房永久边坡高约60.00 m，为基岩和覆盖层的混合边坡，边坡大部土体岩性为岩溶角砾岩，其上为岸坡崩坡积物(col+dlQ4)，结构多松散。根据原可研地质剖面，覆盖层较浅，边坡上部采用清除表面覆盖层的方案，其余永久开挖坡比1：0.3，采用“锚索+框格梁+网喷混凝土”的支护方案。根据最新地质资料，边坡覆盖层深度较可研方案增加较多，如按可研开挖方案存在施工期边坡稳定性差、支护量大和施工困难等风险。

根据现场地形地貌，厂后为平台地形，采用较缓开挖，边坡高度增加有限，但却能有效增加边坡的稳定性，减少支护量，进而提高施工期的安全性，降低锚索施工难度。故本阶段将开挖坡比调整为1:0.5～1:1，坡面采用网喷+锚杆支护，下部采用锚索+框格梁固脚。

(5)优化方案工程量比较及分析。优化后厂区建筑物工程量与原可研方案存在较大差距，主要原因分析如下：

①本阶段厂房防洪特征尾水位较可研方案变化大，造成厂区建筑物防洪工程量有较大差异。

②根据水机机组参数确定的厂房安装高程、宽度及长度较原可研有一定差异；同时由于业主要求，本站需增设梯级调度中心，副厂房面积增加较多，故厂房混凝土和钢筋量有所增加。

③根据地质资料，厂房基覆界限高程降低，导致厂房开挖支护工程量有所差异。其中，覆盖层增加约13.09万m3，基岩减少约5.3万m3，同时锚索减少了74根；混凝土增加1.55万m3，土石回填减少1.23万m3，原可研方案未见帷幕灌浆工程量，本阶段帷幕灌浆2 310 m。

5 结 语

根据牛栏江流域水文特点、泥沙情况、大岩洞工程区地形、地质条件，结合《牛栏江大岩洞水电站可行性研究阶段枢纽工程方案评审意见》，从安全、经济角度出发，设计人员对原可研方案首部枢纽、引水及发电系统枢纽布置和建筑物进行了优化设计。主要结论如下：

鉴于闸坝方案对工程地质条件的适应性较好，原可研方案坝轴线下移，将浆砌石重力坝调整为闸坝，建基面最低高程上抬18 m，坝高由原来的47.90 m调整为29.00 m。从地质条件、使用材料、施工工艺、机械化施工、施工质量把控、进水口布置、首部淤积及排沙问题的解决及下游消能防冲及工程量等方面，闸坝方案均优于原重力坝方案。可研优化方案在开挖量、基础处理及筑坝材料量上较原可研方案减少，特别是土石开挖、帷幕灌浆、固结灌浆量的可研优化方案较原可研方案分别减少71%、46%、48%，可研优化方案在筑坝材料上也减少了42%。首部枢纽建筑物在土建工程投资上较原可研方案减少2 315.70万元。

引水隧洞优化方案与原可研方案相比，纵坡、衬砌厚度优化使得石方洞挖、混凝土和钢筋量均有大幅减少；调压室由原可研方案的埋藏式调整为开敞式，施工方便，且开挖量减少4%、混凝土减少32%、钢材减少17%；引水工程在土建工程投资上较原可研方案减少528.22万元。

厂址进行了上移，避开了后坡凹槽地形和较厚的覆盖层区域，降低了厂房直接受危石崩塌、山洪冲刷的风险，厂区建筑物更安全可靠。进厂交通由上游进厂调整为下游进厂，厂区枢纽各建筑物进行相应调整，降低了进厂公路的边坡高度、施工难度和投资，统一了回车场和主变场布置高程。调整优化后，枢纽布置紧凑、合理，主变运输道与厂区地坪同高布置后，方便主变安装和运行检修。尾水出流由正向出流调整为斜向出流，尾水出流顺畅，在河道淤积后，尾水渠出口形成“门后清”，降低了淤积对尾水出流的不利影响；斜向尾水更便于河道清理，降低河道淤堵风险。优化方案将开挖坡比及支护方式进行了调整，增加了边坡的稳定性，降低了施工难度和风险，可研优化设计较原可研方案相比，总体上工程量有所增加。发电厂工程在土建工程投资上较原可研方案增加1 892.14万元。

综上所述，可研优化设计在首部枢纽和引水系统建筑物方面，及在大幅提升施工期及运行期安全度的基础上，工程量有较大程度地减少，有效降低了造价，直观体现了可研优化设计的成果。由于地质资料的变化；厂房防洪特征尾水位的变化；水机机组参数确定的厂房安装高程、尺寸带来的变化；因工程需要而增设的梯级调度中心导致的副厂房面积增加等原因，导致厂区枢纽工程量有所增加，在对原设计方案进行优化补充和完善后，提高了工程施工期和运行期的安全度。

2018年3月，大岩洞水电站下闸蓄水，至今已安全运行1年多，取得了较好的经济效益和社会效益。