土溪口水庫樞紐布置研究

王 靜，王 曦，鄒 駿，朱 永

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

土溪口水庫樞紐布置研究

王 靜，王 曦，鄒 駿，朱 永

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

土溪口水庫位于州河主要支流前河上游，上、下壩址相距約3.7km，為峽谷地貌，河谷狹窄，均存在泄洪建筑物與電站廠房的布置協調問題。下壩址因存在渡口鄉淹沒問題，投資高，確定上壩址為推薦壩址。根據上壩址工程地質條件及當地建筑材料，擬定混凝土面板堆石壩、碾壓混凝土重力壩和拱壩進行壩型比選。同時，對推薦壩型樞紐的主要建筑物布置及結構設計進行方案比選，包括左右岸引水發電系統方案比選、取水口方案比選、泄洪建筑物型式及尺寸比選等。經綜合比較，推薦方案樞紐布置采用碾壓混凝土拱壩擋水，壩身雙表孔雙底孔聯合泄洪，水墊塘消能，左岸引水發電系統，岸邊地面廠房。

工程選址 壩型選擇 樞紐布置 巖溶滲漏 泄洪消能 土溪口水庫

土溪口水庫位于達州市宣漢縣樊噲鎮以上的州河左岸支流前河上游河段，是《四川省渠江流域防洪規劃》中確定的大型防洪控制性水庫之一，是達州、宣漢等城市防洪體系的重要組成部分，工程建設任務以防洪為主，兼顧發電。水庫正常蓄水位562m，防洪高水位562.5m，校核洪水位562.8m，死水位526m，汛期限制水位526m，總庫容1.59億m3，防洪庫容1.05億m3，興利庫容1.03億m3，電站最大發電引用流量79.2m3/s，裝機51MW。本文主要介紹該工程的選址、壩型選擇和建設物布置及設計方案比選。

1 工程選址

前河宣漢縣上游至樊噲鎮之間河段，南壩、土黃、五寶、樊噲等鄉鎮沿河而建，人口密集，涉及移民多、淹沒大；且河谷相對開闊，水庫封閉條件差，兩岸山體低矮單薄，不利建壩。樊噲鎮上游約4km處的土溪溝口峽谷河段，河道順直，兩岸山體高大，水庫封閉條件好，壩基巖石主要為塊狀砂巖夾砂質泥巖、炭質頁巖，地形地質條件適宜建壩，選為下壩址，即原規劃壩址。下壩址上游約2.5km處為渡口鄉，渡口鄉所在地河谷相對開闊，谷底寬度100m～400m，庫容條件較好。渡口鄉上游為峽谷河道，河谷狹窄，谷坡陡峻，上游約1km處的鰱魚泉河段河道順直，河勢穩定，兩岸山體高大寬厚，不存在鄰谷滲漏問題，壩基巖石主要為三疊系嘉陵江組灰巖夾鹽溶角礫巖，地形地質條件適宜建壩，選為上壩址。上壩址上游至抱木灘之間3.3km河段內，地形條件與上壩址類似，分布地層主要為三疊系下統大冶組中～薄層狀灰巖，夾厚度3m～5m的泥質灰巖和泥灰巖薄層，巖體質量較差，且越往上游，控制集水面積越小，不利防洪。因此，根據工程防洪任務、地形地質條件、移民及淹沒影響等方面綜合考慮，分別在渡口鄉上游1km處的峽谷河段及渡口鄉下游2.5km處的土溪溝口峽谷河段選擇上、下兩個壩址進行比選，兩壩址控制集雨面積僅相差約100km2，防洪作用相同。

下壩址屬構造剝蝕型高中山地貌。前河自北東向南西流經壩址處，河床高程為445m～450m，谷底寬度32m～50m，正常蓄水位高程533m時河谷寬度192m，河谷寬高比為2.3∶1。壩址兩岸山體高大，左岸山頂高程710m，相對高差約260m；右岸山頂高程920m，相對高差約470m。左、右谷坡基本對稱，自然坡度40°～50°，局部為懸崖、倒坡，基巖裸露，巖層走向與河流近直交，為“V”型橫向河谷。壩址下游440m處，河流左轉南東，左岸為順向坡，由臺地和斜坡組成，當地材料壩的泄洪洞及溢洪洞出口即布置于該岸。左右岸分布地層為塊狀砂巖夾含煤砂巖、砂質泥巖，其中含煤砂巖和砂質泥巖受擠壓錯動影響較嚴重，對拱壩來說，存在不均勻變形及拱座穩定問題，不適宜修建拱壩。河床覆蓋層為砂卵礫石層，厚度約15m～20m，壩基巖石主要為三疊系須家河組塊狀砂巖夾砂質泥巖、炭質頁巖，具備修建當地材料壩和混凝土重力壩的條件。根據地形地質條件、建筑材料、施工等方面綜合考慮，當地材料壩采用混凝土面板堆石壩方案：混凝土面板堆石壩擋水，左岸溢洪洞、泄洪放空洞聯合泄洪，右岸引水發電系統，壩后地面廠房方案?；炷翂尾捎媚雺夯炷林亓畏桨福耗雺夯炷林亓螕跛?，壩身雙表孔、單底孔聯合泄洪，壩內進水口，左岸壩后地面廠房方案。因本工程為防洪工程，泄洪量大、泄洪頻繁，當地材料壩方案泄洪建筑物布置困難，工程量大。從地形地質條件、樞紐布置、施工、環境影響、運行安全、工程造價等方面綜合比較，選擇碾壓混凝土重力壩方案為下壩址代表方案。

上壩址屬侵蝕溶蝕高中山地貌。壩址處河流流向南東，略向右岸彎凸，至壩址下游0.7km處轉向西。河床高程459m～464m，谷底寬度50m～70m，正常蓄水位時河谷寬237m，河谷寬高比為2∶1，總體呈“V”型峽谷特征。左岸山體高大寬厚陡峻，坡頂高程860m左右，相對高差約400m，自然坡度約45°～55°，局部為懸坡或倒坡。右岸從上游至下游地形漸變低矮，由多個山包和埡口相連組成，坡頂高程從上游890m至下游降低為560m，相對高差430m～100m，巖溶比較發育。河床覆蓋層為砂卵礫石層，厚度約11.8m～15.3m，壩基巖石主要為三疊系嘉陵江組灰巖夾鹽溶角礫巖，具備修建當地材料壩和混凝土壩的條件。根據地形地質條件、建筑材料、施工等方面綜合考慮，面板堆石壩、混凝土重力壩、混凝土拱壩三種基本壩型均適用，經綜合比較，選擇碾壓混凝土拱壩擋水、壩身雙表孔雙底孔聯合泄洪、左岸發電引水系統、地面廠房方案為代表方案。

上下壩址地形、地質條件均適合建壩，其中上壩址在河床覆蓋層厚度、壩基巖體質量等方面優于下壩址，但存在巖溶問題、防滲帷幕線長、處理相對復雜；上壩址下游三道河和渡口鄉的存在，使得上壩址的場內交通、施工生產生活區的布置條件比下壩址優越；下壩址庫容條件好，壩高較低，工程量及土建投資相對較省，但水庫淹沒渡口鄉，移民安置難度大、淹沒及占地補償投資高，工程總投資比上壩址多7.5億元，因此選擇上壩址為推薦壩址。

2 壩型選擇

壩址區巖性以灰巖為主，石料豐富，防滲土料缺乏，因而當地材料壩擬為面板堆石壩方案。綜合上壩址的地形、地質、建筑材料、施工等方面綜合考慮，擬定混凝土面板堆石壩方案、碾壓混凝土重力壩方案、碾壓混凝土拱壩方案進行壩型比選。

面板堆石壩方案：混凝土面板堆石壩擋水、左岸溢洪道和泄洪放空洞聯合泄洪、右岸發電引水系統、壩后地面廠房方案。最大壩高121.4m，壩頂寬10m，上、下游壩坡1∶1.4，下游壩中設置一級3m寬馬道。為適應不同庫水位時的泄洪需要，并滿足泄量要求，布置溢洪道和泄洪放空洞進行聯合泄洪。壩址處地形整體略向右凸，左岸地質條件好于右岸，溢洪道和泄洪放空洞布置于左岸。結合地形地質條件，并考慮與泄洪建筑物的互相干擾，電站廠房布置于右岸壩后。

碾壓混凝土重力壩方案：碾壓混凝土重力壩擋水、壩身雙表孔雙底孔聯合泄洪、壩身進水口、左岸引水隧洞、地面廠房方案。最大壩高129m，從左岸到右岸依次為：左岸非溢流壩段、電站進水口壩段、表底孔泄洪壩段、右岸非溢流壩壩段組成。因壩址處河床狹窄，河床寬度不足70m，壩身布置泄洪建筑物后，若再布置廠房，開挖量大，存在高邊坡開挖及處理問題。而在大壩下游0.7km處的三道河與前河匯口處，有布置廠房的條件。因而，采用壩身進水口，經壩后背管引入左岸山體內的有壓引水隧洞至三道河匯口處的地面發電廠房。

碾壓混凝土拱壩方案：碾壓混凝土拱壩擋水、壩身雙表孔雙底孔聯合泄洪、左岸獨立式進水口、左岸引水隧洞、地面廠房方案。大壩采用碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高132.00m，壩身設雙表孔雙底孔聯合泄洪，跌流消能，下游設水墊塘。利用地形，在左岸上游約180m處，設置獨立的岸塔式進水口，經左岸有壓隧洞引至三道河匯口處的地面廠房。

面板壩方案壩體體型寬大，導流洞最長，需修建溢洪道和泄洪放空洞進行泄洪，土建工程量大。重力壩方案與拱壩方案工程布置條件類似，但重力壩體型比拱壩大，導致大壩開挖量及混凝土量較大，工程投資大。經綜合經濟比較，面板壩方案比拱壩方案投資多1.1億元，重力壩方案比拱壩方案投資多0.8億元，碾壓混凝土拱壩方案經濟性最優。拱壩方案投資省，壩身泄洪運行安全、管理方便，壩體體型優美，作為風景區的一部分，與周圍環境相得益彰，推薦拱壩方案。

3 建筑物布置及設計方案比選

根據地形、地質條件、建筑物功能要求，對推薦壩型樞紐的主要建筑物布置及結構設計進行方案比選。主要進行左右岸引水發電系統方案比選、引水發電系統取水口方案比選，泄洪建筑物型式及尺寸比選等。

3.1 左、右岸引水發電系統方案比選

壩址處河谷狹窄、河道順直、兩岸山高坡陡，壩后無布置廠房的地形條件，而壩址下游約0.7km處左岸三道河與前河匯口處，有布置廠房條件，選擇作為左岸廠址。河灣右岸下游百果壩地勢開闊平坦，適宜布置廠房，選擇作為右岸廠址。由于電站規模較小，未研究地下廠房方案。

左、右岸引水發電系統方案有壓引水隧洞左岸洞徑6.0m，不設調壓室方案作為代表方案；右岸洞徑4.8m，設直徑13m阻抗式調壓室方案為代表方案。左岸引水發電方案從大壩左岸上游設獨立岸塔式取水口，經有壓引水隧洞、壓力管道引水至三道河匯口發電廠房；右岸引水發電方案從大壩右岸上游設獨立式取水口，經有壓引水隧洞、調壓室、壓力管道引水至百果壩發電廠房。

左岸引水隧洞長約840m，沿線圍巖條件較好；右岸引水道長約1200m，沿線地質條件較復雜，斷層及褶皺等構造發育，洞身段受鰱魚泉巖溶管道系統的影響，圍巖條件較差；左岸廠房布置條件差，需進行一定的邊坡開挖；右岸廠房布置條件較好，但位于渡口鄉人口聚居地，涉及移民拆遷；因河道平緩，雖右岸廠房方案引水河道較長，但由此獲得的電能增加非常有限，而增加了引水隧洞長度。經綜合比較，推薦左岸引水發電系統方案。

3.2 引水發電系統取水口方案比選

對引水發電系統取水口，擬定壩身取水口方案和左岸獨立取水口方案進行比選。壩身取水口方案在大壩左側近岸坡壩段設置壩身取水口、壩后背管，接入左岸山體內有壓引水隧洞至發電廠房，其引水道全長702m；岸邊獨立取水口方案在左岸壩前布置獨立發電取水口，經有壓引水隧洞、壓力鋼管引入下游廠房，引水道全長840m。

壩身設置取水口使拱壩的整體性削弱、拱壩體型結構變復雜；且結構復雜部位只能采用常態混凝土澆筑，不利于碾壓混凝土壩大倉面快速施工；壩身取水口方案雖引水道總長度比獨立取水口方案短，但高水頭段長，壓力鋼管費用增加。兩方案從工程投資上相差不大，但結合拱壩的受力特點，并利于壩體碾壓混凝土大倉面施工，推薦左岸獨立式取水口方案。

3.3 泄洪建筑物型式及尺寸比選

根據防洪調度要求，擬定“表孔+底孔”泄洪建筑物布置。底孔泄洪形態為有壓孔流，泄洪能力較小，主要功能為滿足汛限水位泄量要求；表孔為開敞式，泄洪能力強，與底孔聯合泄洪宣泄設計及校核洪水，控制壩前特征水位，確保大壩安全。

底孔設計應滿足防洪調度要求，方便調度運行，控制金結制作難度。根據調度運行要求，汛限水位526m時，要求泄洪能力不小于1100m3/s，即常遇小洪水不占防洪庫容；在汛限水位526m至防洪高水位562.50m之間時，根據區間洪水的不同，泄洪量在100m3/s～2300m3/s之間調度。因泄洪量變化范圍大，為使泄洪調度更加靈活，布置雙底孔泄洪。為降低底孔運行風險，同時盡量降低底孔閘門制造及運行難度，在滿足泄流能力要求的基礎上盡量抬高底孔布置高程。根據泄量、淹沒深度及泄洪條件等綜合分析，2個泄洪底孔對稱布置于溢流表孔兩側，底孔底板高程489.00m，出口壓坡段孔口為5m×6m(寬×高)，閘門承受最大水頭為73.5m。汛限水位526m，雙底孔下泄流量為1257m3/s，滿足運行要求，并留有適當裕度。

在底孔確定的基礎上，根據河谷寬度、泄洪能力要求，兼顧方便工程運行，采用雙表孔對稱布置，擬定12m×16m、14m×16m、12m×17m、14m×17m、12m×18m(寬×高)5種方案進行表孔孔口尺寸比選，經綜合比較，推薦雙表孔12m×18m(寬×高)方案。

4 推薦方案工程設計

推薦方案樞紐布置采用碾壓混凝土拱壩擋水，壩身雙表孔雙底孔聯合泄洪，二道壩和水墊塘結合消能，左岸引水發電系統、岸邊地面廠房，生態放水管從發電引水隧洞引接。

4.1 大壩設計

大壩采用碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程565.30m，最大壩高132.00m。拱冠梁上、下游壩面曲線均為三次拋物線，壩頂寬8m，拱冠梁底部厚度38m。大壩上游迎水面采用二級配碾壓混凝土作為主要防滲措施，同時上游壩面采用LJP型高分子柔性防水涂層作為輔助防滲措施。大壩基礎均置于弱風化巖體中部或中下部。

在河床部位大壩壩身設2個表孔、2個底孔聯合泄洪，泄洪表孔堰頂高程為544.0m，堰型WES，孔口尺寸為12m×18m(寬×高)；泄洪底孔進口底板高程為489.0m，洞身段孔口尺寸5m×7.5m(寬×高)，壓坡段為5m×6m。表、底孔上游側均設平板事故檢修閘門，共用一臺門機；下游側工作門均為弧形閘門、液壓啟閉。

4.2 下游消能工設計

表、底孔均采用跌流消能，下游設水墊塘。水墊塘池底高程450m，底板厚度3m，二道壩位于壩下150m處，壩頂高程470m；水墊塘整體采用C25鋼筋混凝土，表面設C50抗沖磨混凝土；水墊塘底部設縱橫向排水系統。二道壩后接混凝土護坦，長38m，厚3.0m；下游接鋼筋混凝土海漫，長75m，海漫末端設置防沖齒槽。

4.3 壩基處理設計

本工程主要存在的工程地質缺陷，是巖溶滲漏及鹽溶角礫巖對壩基變形、穩定的影響?；趯皦蔚膽Ψ治?，對建基面及壩肩推力作用影響范圍內的巖溶洞穴，采取平洞追蹤清挖、回填微膨脹混凝土的處理措施；針對防滲帷幕線上不同的巖溶發育類型，采取灌注細石混凝土，一定范圍內追蹤清挖并回填微膨脹混凝土等不同的處理方式；對鹽溶角礫巖，根據其分布位置、影響程度，分別采取建基面槽挖、平洞追蹤清挖并回填微膨脹混凝土、高壓固結灌漿等不同處理方式。

4.3.1 鹽溶角礫巖處理

在壩軸線上、下游100m范圍內，基巖巖性為三疊系嘉陵江組灰巖夾鹽溶角礫巖。其中，鹽溶角礫巖為軟巖類，分布面積約占5%，部分對壩基及壩肩巖體傳力有一定影響，需進行處理。

(1)對河床建基面出露部分，影響壩基承載力，采取槽挖回填C20微膨脹混凝土處理；

(2)左壩肩影響巖體的傳力，在高程433.30m(建基面高程)、443.30m(通道結合左岸底層灌漿平洞)、470m(通道結合壩下游公路)、502.30m高程(通道結合左岸中層灌漿平洞)，順巖溶角礫巖的發育方向對其進行追蹤清挖，澆筑C20微膨脹混凝土，形成抗剪傳力洞，提高基巖的整體性，置換高度8m，洞長分別為100m、120m、200m和220m；

(3)右壩肩鹽溶角礫巖在高程500m～520m之間，埋深0～30m。其中，高程517m～520m之間，距建基面0～5m，采取明挖處理方式；高程517m以下，距建基面5m以上，采取洞挖處理：在高程500m建基面下游側進行洞挖，洞挖尺寸為3.8m×3.8m城門洞形，洞深以穿透鹽溶角礫巖夾層2m控制，在洞底對鹽溶角礫巖順夾層追蹤清挖，向山體內部方向追蹤至鹽溶角礫巖夾層尖滅點，向山體外部方向追蹤長度40m。高程500m處洞挖完成后，澆筑1m厚混凝土墊板，對其下部未清挖部分順夾層進行高壓深孔固結灌漿。灌漿完成后對洞室進行封堵，并對洞頂進行回填灌漿、接觸灌漿。追蹤洞室封堵完成后，在高程517m處混凝土墊板上布孔，對下部鹽溶角礫巖夾層順夾層進行高壓深孔固結灌漿。

4.3.2 防滲帷幕設計

為控制滲漏對壩基及兩岸邊坡穩定的不利影響，控制建基面滲透壓力和滲流量，壩基及兩岸設有連續的防滲帷幕，左岸延伸至天然地下水位處，右岸延伸至三疊系巴東組非可溶巖地層。河床及兩岸的帷幕灌漿分別在基礎廊道和左右岸的灌漿平洞內進行，采用水泥灌漿。左岸設置3層灌漿平洞，洞長分別為360m、320m、65m；右岸設置3層灌漿平洞，洞長分別為1100m、1000m、920m。帷幕灌漿采用雙標準控制：帷幕灌漿孔底界深入3Lu線以下5m，可溶巖地層同時深入微巖溶帶內5m。左岸巖溶不發育，采用單排帷幕；壩高100m以上基礎采用雙排帷幕，囊狀透水區采用3排帷幕，其余壩高100m以下基礎采用單排帷幕；右岸巖溶發育，對強巖溶發育區采用3排帷幕；對于與灌漿平洞相通的大的巖溶洞穴，沿帷幕線對巖溶洞穴進行追蹤清挖，回填混凝土；對于小的落水洞、溶隙等，對其灌注細石混凝土進行封堵，然后再進行帷幕灌漿。

4.4 引水發電系統

引水發電系統由岸塔式獨立進水口、有壓引水隧洞、壓力管道、岸邊地面廠房組成，電站裝機容量為51MW。

岸塔式進水口設置在壩軸線左岸上游約120m處，進水口底板高程514.70m，采用疊梁門分層取水布置，進水口孔口尺寸為6m×6m，經漸變段與壓力隧洞相連，進口設置有攔污柵和事故檢修門。壓力隧洞直徑為6m，坡降i=0.009，鋼筋混凝土襯砌。壓力管道布置在斜井段、下彎段和下平段，主管管徑均為6m，下平段末端接岔管，岔管采用“卜”型布置。

發電廠房位于前河與三道河匯口處，布置有主廠房、安裝間、尾水渠、副廠房、GIS室及進廠公路等。主廠房內設3臺混流式發電機組，單機容量17MW。

5 結語

土溪口水庫是渠江流域大型防洪控制性水庫之一，工程的主要任務是防洪，主要防洪保護對象是達州市和宣漢縣。根據工程防洪任務、地形地質條件、移民及淹沒影響、控制集雨面積等方面綜合考慮，在規劃河段內擬定上、下兩個壩址進行比選，上壩址以碾壓混凝土拱壩為代表壩型，下壩址以碾壓混凝土重力壩為代表壩型。上壩址主要存在巖溶滲漏問題，下壩址因淹沒渡口鄉，淹沒補償投資大，總投資高于上壩址，推薦上壩址。

根據上壩址地形、地質條件、當地建筑材料及施工，擬定混凝土面板堆石壩、碾壓混凝土重力壩、碾壓混凝土拱壩進行壩型比選?；炷撩姘宥咽瘔畏桨感购榻ㄖ锊贾美щy，工程量大，投資高；重力壩及拱壩方案均可布置壩身泄洪建筑物，重力壩比拱壩體型大、工程量多、投資高。拱壩方案投資少、運行安全、管理方便、壩型優美，推薦拱壩方案。

對建筑物布置及設計方案進行比選，包括左右岸引水發電系統方案比選、引水發電系統取水口方案比選、泄洪建筑物型式及尺寸比選等。經綜合比較，推薦方案樞紐布置采用碾壓混凝土拱壩擋水，壩身雙表孔雙底孔聯合泄洪，二道壩和水墊塘結合消能，左岸引水發電系統，岸邊地面廠房，生態放水管從發電引水隧洞引接。

〔1〕楊再宏，孫懷昆.C水電站樞紐布置研究.水力發電，2015，41(5).

〔2〕徐根海.高拱壩的樞紐布置與泄洪消能.水資源與水工程學報，2005，(2).

〔3〕張超然，戴會超.三峽水利樞紐工程建設概況和若干關鍵技術問題.水力發電，1998，(2).

王 靜(1980-)，女，山東滕州人，高級工程師，主要從事水利水電工程設計工作；

王 曦(1979-)，男，四川蓬安人，高級工程師，主要從事水利水電工程設計工作；

鄒 駿(1963-)，男，吉林懷德人，高級工程師，主要從事水利水電工程設計工作；

朱 永(1971-)，女，重慶巴縣人，高級工程師，主要從事水利水電工程設計工作。

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