坪頭水電站首部樞紐布置設計

龐明亮，唐 虎

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站位于四川省涼山州美姑河干流上，為單一發電工程，無灌溉、防洪等綜合利用要求，電站開發方式為閘壩引水式開發，主要建筑物由首部樞紐、引水系統和廠區樞紐三大部分組成。美姑河流域屬金沙江左岸的一級支流，發源于大涼山南麓，干流全長170km，落差2 983m，屬典型的山區河流。

2 設計基礎資料

2.1 工程等別、建筑物級別及洪水標準

水庫正常蓄水位913.00m，總庫容62萬m3，調節庫容9.77萬m3(扣除淤積)，具有日調節能力。電站裝機容量180MW。根據DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》，本工程規模為中型，工程等別為三等，擋水建筑物和引水系統等主要建筑物按3級設計，次要建筑物按4級設計。根據GB50201-1994《防洪標準》及DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》，考慮到水庫庫容較小、下游無重要城鎮，洪水標準采用下限，相應建筑物防洪標準為：攔河閘壩設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為500年一遇。

2.2 水文氣象及泥沙條件

美姑河流域屬川西高原氣候區，具有“冬寒、春干、夏涼、秋潤”的山區性氣候特點，立體氣候明顯。多年平均氣溫11.3℃，極端最高和最低氣溫分別為32.3℃和-10.7℃。坪頭水電站首部樞紐位于美姑河下段柳洪鄉，集水面積2 468km2，多年平均流量48.8m3/s；洪水由暴雨形成，具有陡漲陡落的特點，年最大洪水多為單峰過程，洪峰形狀尖瘦；50年一遇洪水流量為2 440m3/s，500年一遇洪水流量為3 990m3/s。

根據對美姑水文站實測泥沙資料的分析，坪頭水電站首部懸移質多年平均輸沙量為284萬t, 懸移質礦物成分主要為黏土，其次為石英、長石。由實測床沙顆粒級配及水力要素推算，首部樞紐河段各代表年(豐、中、枯水年)的平均年推移質輸沙量為4.5萬t。

2.3 工程地質條件

2.3.1 區域地質與地震

電站工程場地在區域構造上位于四川省西南部“川滇南北構造帶”與四川盆地沉降帶的交接部位，挾持于剎水壩-馬頸子斷裂帶、美姑河斷裂帶、普雄河斷裂帶所圍限的次級塊體內，屬涼山拗褶帶東亞區，區內無區域性斷裂分布，不具備發生中強震的地震地質條件，其地震效應屬工程區外圍強震活動的波及影響區，工程區屬基本穩定區。依據GB18306-2001《中國地震動參數區劃圖》及四川省地震局《美姑河坪頭水電站工程場地地震安全性評價和水庫誘發地震評價報告》，坪頭水電站壩址區50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.127g，相應地震基本烈度為Ⅶ度。

2.3.2 首部樞紐工程地質條件

首部樞紐河床覆蓋層揭示厚度一般7.0～16.0 m，最大厚度30.2m，覆蓋層結構較復雜。進水口及左岸閘基置于以粗顆粒為主的第④層含漂(塊)砂卵礫石層上，右岸閘基及擋水壩基礎大部分為基巖，部分為第①層含漂砂卵(碎)礫石層，其承載力基本滿足要求，但左、右岸閘基差異較大。①、④層結構不均勻，厚度變化大，存在地基不均勻變形問題。

左岸閘基為覆蓋層，透水性強，兩岸岸坡裂隙較發育，巖體以中等透水為主，存在閘基及繞閘滲漏問題，需采取相應的工程處理措施。

3 首部樞紐布置設計

首部樞紐位于柳洪溝下游650m附近，建筑物從右岸至左岸依次由右岸擋水壩、三孔泄洪閘、一孔沖砂閘及進水口等建筑物組成。攔河閘壩軸線方向為N7°38′30.84″E，閘頂高程915.00m，最大閘高38.50m，閘線總長約115.00m，各建筑物均為混凝土結構。首部樞紐平面布置見圖1。

圖1 首部樞紐平面布置

3.1 進水口及左岸擋水壩建筑物

進水口布置在河床左岸，其前緣線與攔河閘軸線呈120°夾角，由攔污柵、明渠漸變段和正方形引水隧洞段等建筑物組成。

攔污柵柵孔凈寬根據引用流量及過柵流速確定，柵孔凈寬為10.00m，分為兩孔，每孔凈寬5.00m，每孔內設有一道攔污柵及一套機械清污設施。攔污柵后接明渠漸變段，寬度由13.00m經弧形斷面縮窄至5.90m。明渠漸變段后接正方形引水隧洞段，閘孔高5.90m。整個進水口段長32.50m，其后為10.00m長的隧洞漸變段與圓形有壓引水隧洞相連。

引水隧洞底板頂面高程由有壓進水孔口最小淹沒深度確定，為895.00m。進水閘頂板采用圓弧曲線，其后設一扇平板閘門，孔口尺寸為5.90m×5.90m。

左岸擋水壩與進水口連成一體共同擋水，壩頂高程915.00m，下游壩坡1∶0.6，最大壩高32.00m。

3.2 泄洪閘、沖沙閘建筑物

3.2.1 泄洪閘、沖沙閘底板頂高程的確定

閘底板頂高程的確定以盡量不改變原河道水、沙運動規律，又能順暢排沙為原則。根據河道的沖淤特征及地形地質條件，選擇沖沙閘、泄洪閘底板頂面高程分別為886.00m和887.00m，與平均河床高程基本一致，泄洪閘及沖沙閘底板厚度根據結構應力計算確定為5.00m。

3.2.2 泄洪閘、沖沙閘孔數及孔口尺寸選擇

為盡量保持原河道特性，泄流前緣寬度與河床寬度基本一致，沖沙閘、泄洪閘盡量布置在河流主河槽內。泄洪閘孔數，考慮閘孔運行調度靈活，泄水時可對稱開啟，不致在下游造成折沖水流和集中水流，泄洪閘選擇奇數孔。閘孔寬度經泄洪消能計算，并考慮水庫沖沙要求及技術經濟比較，確定孔數及孔口尺寸為：泄洪閘3孔，單孔尺寸8.00m×15.00m(寬×高)，孔頂(902m高程)以上設置胸墻；沖沙閘1孔，孔口尺寸3.00m×8.00m(寬×高)，孔頂(894m高程)以上設置胸墻。

3.2.3 閘壩頂高程的確定

水庫正常蓄水位為913.00m，設計洪水位為901.82m，校核洪水位為907.92m；水庫最大風速20.00m/s，相應風向ESE，吹程約0.90km，累積頻率1%的波浪高度0.84m，風壅水面高度0.38m；3級建筑物安全超高不小于0.40m；同時考慮地基沉降等因素；確定閘壩頂高程為915.00m。

3.2.4 閘室結構設計

泄洪閘、沖沙閘閘室總寬度50.50m，順水流方向長度45.00m，閘頂高程915.00m，泄洪閘底板頂面高程887.00m，沖沙閘底板頂面高程886.00m。由于閘室基礎的不均勻性，為適應基礎變形，將3號、2號泄洪閘單獨分設閘段，1號泄洪閘及沖沙閘共同作為一個閘段。不分縫的中墩厚度5.50m，分縫的中墩厚度6.00m，邊墩厚度3.00m。

3.2.5 閘室建基面高程選擇

考慮3號泄洪閘底板頂高程及閘底板厚度，將閘室建于基巖面上，建基面高程確定為882.00m?？裳须A段所確定的2號泄洪閘設計建基面高程為882.00m，1號泄洪閘設計建基面高程為882.00m，沖沙閘設計建基面高程為881.00m。經地質專業推測該層地基為第④層含漂(塊)砂卵礫石層。該層分布較連續，承載力與變形模量較高，允許承載力為0.4～0.5MPa，滿足閘室建基要求。但在2號泄洪閘、1號泄洪閘及沖沙閘基礎開挖至882.00m高程時發現，地基持力層與可研階段預測情況發生了較大變化，基坑底面出露④-2層灰黑色含漂(塊)卵(碎)礫石土層，該層結構較松散，多呈“泥包礫”狀結構，粗顆粒未能構成骨架，其性狀不能滿足設計要求。針對施工過程中所揭示的地質情況，考慮采用挖除大部分承載力較低的④-2層灰黑色含漂(塊)卵(碎)礫石土層后回填砂卵礫石或素混凝土的方式進行換基處理。通過技術、經濟比選，最終對原設計建基面高程出露的不滿足要求的土層，采取挖除后回填素混凝土換基的方式處理。

2號泄洪閘882.00m高程以上為結構混凝土保持不變，882.00～876.50m為回填置換混凝土區，回填置換混凝土的基礎主要為④-3層灰黃色孤漂砂卵礫石層，局部為④-2層灰黑色含漂(塊)卵(碎)礫石土層。1號泄洪閘882.00m高程以上為結構混凝土保持不變，882.00～877.00m間為回填置換混凝土區；沖沙閘881.00m高程以上為結構混凝土保持不變，881.00～877.00m間為回填置換混凝土區。1號泄洪閘及沖沙閘回填置換混凝土的基礎為第④-1層灰黃色漂砂卵礫石層及少量的④-2層灰黑色含漂(塊)卵(碎)礫石土層。對勘探、試驗資料的分析和閘室基底應力、穩定及閘室基礎沉降計算表明，新確定的2號泄洪閘、1號泄洪閘及沖沙閘持力層滿足設計要求。

因對2號泄洪閘、1號泄洪閘及沖沙閘范圍內的一定深度的覆蓋層采取挖除、回填素混凝土換基的方式進行了處理，剩余覆蓋層厚度較薄，原設計的固結灌漿的基礎處理措施已無必要，故取消。

3.2.6 引水防沙、沖沙措施設計

由于入庫懸移質含沙量較大，為解決懸移質粗沙過機問題及節省工程投資，設計中采用 “以庫代池”方案。為保證電站所需日調節庫容不被泥沙侵占，又要保持一定的調節庫容，使水庫有較好的沉沙效果，在水工布置時設置了導、攔、沉、沖相結合的工程措施：

首先，將進水口位置選擇在河流的凹岸(左岸)，以利用河流彎道的環流作用把大量泥沙推向凸岸，由泄洪閘排往下游。其次，進水口底板頂面高程較沖沙閘底板頂面高9.00m，以阻擋閘前的泥沙進入進水口。另外，在沖沙閘與1號泄洪閘之間的上游鋪蓋上設置2道束水墻，束水墻將大量推移質導入泄洪閘，排至下游。同時，由束水墻形成的狹窄沖沙槽，可束水攻沙，將沉積在進水口前的泥沙，由沖沙閘排向下游。

3.3 右岸擋水壩建筑物

在泄洪閘右側采用混凝土重力壩與右岸岸坡相連接。右岸擋水壩壩頂高程為915.00m，壩踵建基面高程為882.50m，壩趾建基面高程為884.50m，最大壩高32.50m。壩頂長約41.00m，壩頂寬度16.00m，下游坡比為1∶0.6?？紤]泄洪閘、沖沙閘檢修閘門的存儲要求，在右岸擋水壩上設置泄洪閘及沖沙閘的檢修閘門儲門槽。為優化右岸擋水壩的抗滑穩定及基底應力條件，在其下游采用砂卵石回填至905.00m高程。為適應地基變化、減小不均勻沉降對擋水壩結構的影響，將右岸擋水壩設置一條橫縫，分為1號擋水壩段及2號擋水壩段。其中1號擋水壩段緊靠3號泄洪閘邊墩，建基于基巖面上；2號擋水壩段緊靠右岸岸坡，建基于覆蓋層中的第①層含漂砂卵礫石層上，通過上壩公路與S307省道相連通。

3.4 消能防沖設計

為盡量減小汛期泄洪時出閘水流對下游河床及岸坡的沖刷破壞，須選用合理的消能方式，布置可靠的消能防沖設施。經分析計算及水工模型試驗驗證，最終確定在閘室下游采用挖深式消力池進行底流消能。閘室下游設長88.00m的鋼筋混凝土護坦。護坦包括斜坡段和水平段，斜坡段長度26.25m，泄洪閘段坡度1∶3.5，沖沙閘段為1∶4.04，護坦水平段底板頂面高程為879.50m。護坦下游設20.00m長的鋼筋混凝土柔性海漫。

3.5 基礎防滲設計

根據閘基和兩岸滲透特性以及首部樞紐建筑物布置情況，按照滿足閘基、兩岸滲透穩定及控制滲流量要求進行防滲設計。

為減小施工干擾、縮短工期，并有利于延長滲徑、降低閘基滲透壓力，對閘基采用水平防滲及垂直防滲相結合的防滲方案。結合進水口布置特點，水平防滲采用鋼筋混凝土鋪蓋，鋪蓋順水流向長度20.00～67.58m；垂直防滲采用封閉式混凝土防滲墻結合帷幕灌漿，防滲墻深入基巖1.00m，防滲墻體深度約2.00～20.00m，設置于閘室上游鋼筋混凝土鋪蓋下和右岸擋水壩及右岸公路下古河床段的覆蓋層中。河床與兩岸基巖防滲采用帷幕灌漿，帷幕灌漿要求深入巖體相對隔水層(Lu<5)內，灌漿孔孔深約15.00～67.00m。

3.6 邊坡加固處理

3.6.1 閘首左岸自然邊坡防護設計

閘首左岸自然邊坡陡壁，由中厚～厚層狀白云質灰巖夾泥質灰巖、灰綠色頁巖夾粉砂巖組成，現狀整體穩定，但受結構面切割及淺表部卸荷影響，在首部樞紐建筑物范圍內大致有8處危巖體，對工程和施工安全構成較大的威脅，需進行加固處理。

根據危巖體發育的工程地質條件和危巖體的地質特征、可能變形失穩模式，采用宏觀的地質判斷來確定危巖體的穩定性。結合危巖體的大小、危巖體失穩可能對樞紐區建筑物及人身安全的影響程度，對首部主要危巖體分布的大部分陡崖區域巖體采用主動防護網加錨桿進行防護。主動防護網采用FSS-JG-250-G型，錨桿采用高強鋼繩錨桿，主動防護網和錨桿為一整體，聯合受力。

在首部主要危巖體分布的大部分區域陡崖頂部斜坡上，分別在1 061.00m和1 085.00m高程布置2道被動防護網，防止陡崖頂部以上斜坡的地面危石、滾石下落對進水口、左岸閘室、護坦等主要建筑物的破壞。被動防護網為FSS-PD-500型柔性被動防護網，高5.00m，長155.00m。

3.6.2 柳洪溝下游側變形土體加固設計

在進水口上游30.00～40.00m處基巖陡壁溝槽的上部為柳洪溝古滑坡堆積體，受沖溝的侵蝕，滑坡體表層已發生牽引式拉裂和下錯，部分土體已下滑至溝槽內。柳洪溝下游側變形土體目前已存在明顯的拉裂縫，穩定性較差，在暴雨工況下，有可能失穩。因此，對柳洪溝下游側變形土體進行了工程處理。經方案論證比選，柳洪溝下游側變形土體加固方案首先考慮地表截、排水措施，在此基礎上，采用錨索加混凝土框格梁來加固變形土體。錨索加混凝土框格梁護坡范圍為高程1 067.50～1 095.50m，寬73.00m。預應力錨索采用750kN級拉力分散型無粘結錨索，布置在混凝土框格梁結點上，間、排距6.00m×6.00m，深15.00～30.00m，穿過變形土體，錨入完整基巖。

4 結束語

坪頭水電站首部樞紐為集引水與泄洪于一體的具有較大壩高的閘壩工程，樞紐布置充分考慮了引水防沙與泄洪消能相結合的原則。為實現“以庫代池”的目標，閘前設置了“導、攔、沉、沖”等工程措施，將入庫泥沙經沖沙閘、泄洪閘排向下游，為山區河流上的引水式電站的首部樞紐布置提供了一種典型而實用的參考方式。電站首臺機組于2011年5月28日并網發電，近一年的運行監測表明，首部樞紐布置的方案是合理可靠的。

[1] SL265-2001水閘設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

[2] 陳寶華，張世儒.水閘[M].北京：中國水利水電出版社，2003.