新疆狭窄河谷当地材料坝关键技术研究

王恩辉

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概况

1.1 工程简介

新疆SMTS水电站位于河流出山口狭窄河谷段，正常蓄水位1930 m，总库容1.298×108m3，为不完全年调节水库，属大(2)型工程，坝址区地震基本烈度为Ⅷ度。挡水坝采用混凝土面板砂砾-堆石坝，最大坝高101 m，其中底部高趾墙最大高度31.5 m，坝长141.3 m，宽高比1.3，为1级建筑物；枢纽布置利用左岸Ⅴ级阶地凸出山脊分高程分别布置导流兼深孔泄洪洞、发电洞和岸边表孔溢洪道；发电厂房布置于坝轴线下游约780 m处的Ⅱ级阶地上。设计洪水标准为500 a一遇，校核洪水标准为1000 a一遇。

1.2 地形、地质条件

坝址区位于河流出山口的峡谷河段，河谷呈基本对称“V”形，长约1.0 km，为河流深切Ⅴ级阶地形成，两岸地势南高北低，峡谷上游段300 m左右范围，两岸地势均较高，左岸高程在1935.00 m～1940.00 m之间，右岸高程在1955.00 m～1970.00 m之间；上游300 m之后左岸地势骤降，右岸虽地势较高，高程在1945.00 m～1965.00 m之间，但河谷已逐渐变宽，并且两岸覆盖层较厚。坝址区域左岸山体雄厚，岸坡较陡，坡度多在40°～80°，局部为陡坎，基岩裸露，山顶高程1915.00 m～1936.00 m；右岸山体高陡，坡度多在50°～85°，局部近直立，基岩裸露，山顶高程1965.00 m～1970.00 m；坝址现代河床宽8 m～16 m，正常水位1930 m高程处，谷宽约116 m。出露岩性单一，岩性为华力西中期第二次侵入次黑云母花岗岩类。

2 混凝土面板堆石坝

本工程为降低河谷底部趾板开挖和浇筑难度，将坝体底部约1/3高度岸坡趾板采用河床高趾墙代替，同时借鉴沥青心墙坝设计理念，将上游围堰与上游坝体相结合，高趾墙兼作围堰防渗墙。高趾墙最大高度31.5 m，顶宽3 m，最大底宽8 m，上游侧为垂直坡，下游坡度1∶0.172，墙体纵向10 m设一条垂直伸缩缝，缝内设铜止水，基础位于基岩上[1]。并对底部基岩进行固结和帷幕灌浆，帷幕控制标准为3 Lu。在趾墙顶部与趾板之间设置3.0 m宽水平连接板，以协调高趾墙与趾板间的不均匀沉降[2]。

上游围堰与坝体结合在缩短混凝土面板向上游的延伸距离，解决狭窄河谷中趾板布置的复杂性同时，增强施工期导流调蓄能力并降低了场内道路布置难度。

3 泄水建筑物体型设计

泄水建筑物布置轴线、消能方式、水流入河角度等条件决定着建筑体型的结构型式。本工程结合坝址区地质地形条件，将导流兼深孔泄洪洞和岸边溢洪道均布置在坝体左岸，导流兼深孔泄洪洞采用一次建成，施工期承担导流，运行期承担泄洪、冲砂和应急放空功能。由于泄洪水头高、泄量大，泄洪建筑物均采用挑流消能型式，同时由于河谷狭窄，挑流水舌如何不对岸坡基岩造成破坏和充分消能后不对下游发电厂房造成影响，成为工程设计的关键。

3.1 溢洪道体型设计

溢洪道设计泄量402.75 m3/s，校核泄量537.78 m3/s，受岸坡地形限制进口控制段轴线与坝轴线夹角90°，紧挨大坝左岸布置。为使溢洪道泄洪水流不对导流兼泄洪洞的泄洪造成影响，控制段后利用水平缓坡段(流速较低)设置弯道将泄槽段轴线尽量随地形走势布置，出口紧贴面板坝坝踵，使溢洪道出口和导流洞出口之间形成150 m原始河道，避免了对导流兼泄洪洞的泄洪造成影响。挑流入河采用大角度扭曲后顺应河道走向[3]。

(1)缓坡弯道段：缓坡坡度1/200，总长70.27 m，其中转弯段长13.663 m，转弯半径50 m，转弯角度为15.66°，经模型试验测算最大流速7.6 m/s，如不采取措施辅助措施存在凸岸水流小流量溢出边墙现象。通过设置凸岸贴角、底板设置斜向导向坎和正向导向坎试验对比，确定在弯道末端底板宽度一半设置3道正向导向坎，间隔5.0 m，导向坎顶宽0.3 m，高0.6 m，上游垂直，下游坡比1∶1。

(2)陡坡泄槽段：根据地形走势确定陡坡泄槽坡比1∶1.25，长140 m(斜长)，底宽9 m，槽深10.0 m～5.0 m，采用C25矩形槽整体式结构。为防止发生水流空蚀及出口水流影响导流洞出口泄流等问题，采用台阶消能，阶高1 m，宽1.25 m。模型试验中测定出泄槽及台阶陡槽段出现微小负压，最大负压值不过-0.69×9.81 kPa，各断面平均流速不足20 m/s，台阶的掺气特性良好，不致产生空蚀破坏。

(3)出口挑流段：坝踵下游至发电厂房尾水渠入河口段，河谷底宽不足20 m，为使挑坎水流不冲刷岸坡，对挑流坎部位进行转角扭曲，挑流坎采用折线形分流墩直墙挑坎，在泄槽反弧段末端将出口分成两孔，其中的水流均导向40余度，形成两个纵向拉开水舌，在空中两水舌又交汇重叠，落入极其狭窄的河道[3]。

3.2 导流兼深孔泄洪洞体型设计

导流兼深孔泄洪洞除满足施工期导流度汛要求外，还需满足运行期泄洪、排砂、放空的要求。根据坝址区的地形地质条件，进行左岸无压洞方案、右岸有压洞方案和左岸龙抬头式三个方案的布置比选。通过布置的合理性、经济性、运行管理便利性等方面综合比较，选取左岸无压洞方案，由引渠段、岸塔式进水闸、洞身段、出口挑流段组成，全长589.363 m。导流兼深孔泄洪洞进口底板高程1843 m，最大水头近90 m，闸井工作弧门存在局开震动问题、洞身段存在高速水流空化、空蚀等问题，同时由于出口河床狭窄，挑流水舌影响两岸山体的关键问题。

(1)进水闸井：闸井长度30 m，布置平板检修闸门和弧形工作闸门，闸井底板高程1843.00 m，闸顶平台高程为1934.50 m，闸井高91.50 m。根据水工模型试验成果，0+029处设置通气槽，深0.45 m，宽1.0 m。检修闸门孔口尺寸b×h=4 m×6 m，采用平板门，进水口前部采用三向收缩。工作闸门采用弧形港闸门，孔口尺寸为满足施工期导流要求需设置为b×h=4 m×4.0 m，但运行期由于闸前水深大，为满足泄洪规模和洞身段无压要求需对闸门进行局部开启运行，开启范围在0.1～0.7之间。疆内已建类似工程闸门水弹性试验得出开度在0.2、0.6、0.8局开时，均会发生较严重闸门振动，对闸井运行非常不利。为此决定在施工期维持4.0 m×4.0 m孔口尺寸运行，在下闸蓄水之后对压坡段及弧门孔口进行改建，将工作弧门孔口尺寸4 m×2.5 m，宽度不变，高度方向压坡段及弧门顶眉进行改建，对已建压坡段下部增设钢衬，采用锚筋将原上部压坡混凝土与钢衬进行连接，钢衬与原压坡之间空腔采用泵送自密实微膨胀混凝土回填。弧门采用全开、全关的运行方式，事故平板门采用动水关闭，静水开启运行方式。

(2)出口挑流段：由于下游河谷狭窄，为满足挑流水舌挑人河床中心，经模型试验分析采用Y型窄缝挑流消能，长12.5 m。底板迎水面首部接隧洞出口设0.8 m平直段，后部由两段圆弧组成，前段圆弧半径22.427 m，后段圆弧为挑坎反弧段半径5.0 m，尾部为0.5 m长1∶1降坡段。断面由起始端的b×h=4.0 m×8.0 m矩形断面渐变为底宽Y型束窄断面。Y型束窄断面底部1.386 m高度为宽1.5 m矩形断面，上部8.0 m为底宽1.5 m，顶宽4.0 m梯形断面[3]。

4 结语

大坝于2010年初开始填筑，2011年11月30日大坝填筑到顶。水库于2012年7月28日下午下闸蓄水，目前已运行6年，根据坝体埋设监测仪器监测数据得知，坝体最大沉降发生在坝轴线下游40 m范围，最大沉降量为492 mm，不足坝高1%，坝体填筑料顺轴线方向最大位移量仅为25 mm，坝体渗水量不足20 L/s，河谷高趾墙断面选择合理，坝体填筑质量、防渗效果良好。

溢洪道台阶混凝土表面基本完好，无空蚀破坏，泄洪时分流墩将水流拉成两条水舌，空中交叠，消能充分，未对岸坡及下游导流洞泄洪造成影响。

导流兼深孔泄洪洞闸门运行正常，未发生震动破坏和闸体混凝土开裂破坏，出口Y型挑坎对水流控制较好，未对岸坡及下游厂房运行造成影响。

通过对本工程坝体及泄水建筑物布置及体型的研究，不仅为该工程的设计、施工提供了可靠依据，其研究成果也加深对类似面板砂砾堆石坝坝体结构及岸边泄水建筑物体型选择的深入研究。