嘉陵江金溪航電樞紐工程的技術特點

王 波， 彭薇薇

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 工程概況

金溪航電樞紐工程位于嘉陵江中游蓬安縣金溪鎮，是嘉陵江蒼溪至合川段水電規劃中的第六級航電工程，樞紐上接新政工程，下與馬回電站相接，距蓬安縣城31 km，對外交通十分方便。

金溪航電樞紐工程是一座以開發水電資源、發展航運為主，兼顧旅游及養殖的綜合利用工程。水庫正常蓄水位高程310 m，總庫容4.602億m3。船閘有效尺度為120 m×16 m×3 m(閘室長度×閘室寬度×吃水深度)，設計通航船隊為2×500 t。電站為河床式，總裝機容量為150 MW，共安裝4臺單機容量為37.5 MW的貫流式燈泡機組。枯水年枯期平均出力為42.9 MW，多年平均發電量為7.1 022億kW·h，年平均利用小時4 735 h。

該工程為Ⅱ等工程。鑒于該樞紐為低閘壩擋水，水庫庫容為槽蓄庫容，因此，該樞紐建筑物級別按降低一級設計，即主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。

金溪航電樞紐工程樞紐建筑物從左到右由左岸接頭壩段、船閘、左岸擋水壩段、二十孔泄洪沖沙閘壩段、廠閘連接壩段、廠房壩段及右岸接頭壩段組成，壩頂高程321.5 m，壩頂總長度為652.99 m。建筑物地基置于弱風化泥質粉砂巖夾粉砂質泥巖及砂巖巖體上，巖體完整性較好。

圖1為已建成的金溪航電樞紐工程。

圖1 已建成的金溪航電樞紐工程

2 工程主要技術特點

(1)電航一體，渠化開發。

嘉陵江由北向南貫穿全川，是一條戰備河流，也是長江水系的主要通道之一，是連接川、陜、甘、渝三省一市的主要交通運輸線，是西南地區綜合運輸體系的重要組成部分，地位十分重要，也是我國第一條全江渠化的河流。渠化后，通航能力從兩、三百噸提高到上千噸。千噸級船隊將可以從廣元直達上海，形成一條連接內陸的出海通道。在四川水運的版圖上，嘉陵江將成為繼長江后的又一條“水上高速路”。

嘉陵江河段兩岸城鎮、農田和交通工礦企業沿江分布，人口稠密，為了減少淹沒、渠化河道、發展航運及適應壩基砂泥質巖層性軟弱的特點，采用了中低水頭的梯級開發方式。各梯級電站集航運、發電、灌溉及旅游為一體，電航互相受益，既渠化了河道，滿足了通航要求，又解決了用電問題，緩解了用電緊張局面，水電與水運通力協作，互相促進，共同發展，具有巨大的社會影響與經濟效益。

金溪航電樞紐工程作為嘉陵江全江渠化的第7個梯級，是一座航運、發電、灌溉及旅游綜合利用的工程，對實現嘉陵江航道的全面渠化、改善通航條件、水運發展起到了重要作用。

(2)樞紐建筑物布置優化調整。

2003年7月，中國水電顧問集團成都勘測設計研究院(以下簡稱“成都院”)參與了金溪航電樞紐工程的設計投標工作。針對初步設計成果，深入研究，作出了以下幾方面的優化調整:

①泄洪建筑物布置的調整。

初設方案中，樞紐建筑物由左岸接頭壩、船閘、溢流壩、泄洪沖沙閘、沖沙廊道、廠房及右岸擋水壩等組成，其中，溢流壩為開敞式，布置3孔，每孔寬10 m。經過對“19孔泄洪閘+30 m溢流壩”、“19孔泄洪閘”、“20孔泄洪閘”、“21孔泄洪閘”四種布置方案進行泄流計算，發現“20孔泄洪閘”方案和“19孔泄洪閘+30 m溢流壩”方案所形成的上游逼高水位(設計、校核)相當接近，前者略低。綜合考慮樞紐布置、泄流能力、溢流前緣寬度、水庫淹沒以及工程工期要求等因素，擬定采用“20孔泄洪閘”方案，即用1孔泄洪閘代替30 m溢流壩，溢流前緣寬度由334.4 m縮短為315.7 m，廠房壩段向主河床(左岸)偏移11.7 m，從而使廠房的進水、尾水更順暢，還可較大幅度地減少廠房壩段的開挖工程量。

②廠區建筑物布置的調整。

a.初設方案中，副廠房與升壓站等布置在右岸階地上。投標階段，將副廠房與升壓站布置在廠房壩段內，其中一次副廠房設在主機間下游側，二次副廠房設在安裝間上游側，升壓站設在安裝間下游側，從而使廠房布置緊湊，便于管理;減少了母線長度與電力損耗，可提高經濟效益。

b.初設方案中，在發電機層下設置電氣夾層，電氣夾層下為流道頂板。在投標設計階段，機電與水工緊密配合，經過充分論證，對該布置進行了優化，即取消該夾層，在流道頂部大體積混凝土中增設電纜廊道，由此取消了其電氣夾層板梁柱系統，通過調整，可縮短施工工期3個月左右。

③施工導流方案調整。

總體上維持初設階段枯期施工、分兩期導流的方案，但作了以下幾個方面的調整:

a.為不過分束窄一汛期間的主河床，同時又要兼顧施工的均衡，將一期圍堰中的泄洪閘由7孔調整為6孔。

b.考慮到廠房基坑圍堰與永久建筑物的結合，并為保證廠房小基坑的完整性，將廠閘連接壩段(兼作廠房小基坑的縱向圍堰)由10 m調整為17 m，廠房小基坑的上游圍堰由初設方案中的土石圍堰調整為與攔沙坎相結合的混凝土及漿砌條石圍堰。

c.為保證廠房小基坑縱向圍堰(廠閘連接壩段)高強度連續施工，將沖沙廊道移至廠房左側邊墻墻體內。

(3)實施廠房小基坑圍堰施工，提前發電效益顯著。

金溪航電樞紐工程是嘉陵江上第一個采用廠房小基坑圍堰施工的工程，可使首臺機發電工期縮短12個月。

金溪工程之前投建的桐子壕、金銀臺、新政等電站均采用明渠導流，廠房基坑次枯施工且在當年汛期過水的方式。在金溪工程的設計中打破常規，施工中采用了廠房小基坑圍堰施工、河道過流的一期導流方案。

該方案一期先圍右岸廠房岸側，利用一枯(第一年11月～第二年4月)完成7.5孔泄洪沖沙閘及305 m高程以下的全部土建工程和門槽等埋件安裝，廠房底板混凝土、廠閘連接壩段及其下游縱向混凝土圍堰混凝土澆筑、廠房攔沙坎及其加高部分混凝土澆筑。至一枯末，可形成由加高的攔沙坎、廠閘連接壩段及其下游縱向混凝土圍堰、下游土石圍堰構成的廠房小基坑圍堰，該圍堰可擋5年一遇汛期洪水。一汛期間(第二年5～10月)，在該圍堰保護下廠房可繼續施工土建工程，左岸河床行汛期洪水。二枯(第二年11月～第三年4月)，由一枯形成的7孔泄洪沖沙閘過枯期流量，施工剩余的左岸13孔泄洪沖沙閘及船閘等工程，而此時廠房不受影響，仍繼續施工。至二汛(第三年5～10月)，廠房自身已經具備攔擋20年一遇洪水標準的能力，期間進行剩余的土建工程及機電安裝，7孔泄洪沖沙閘聯合左岸基坑破堰過水。進入三枯(第三年10月)，恢復左岸基坑圍堰，同時7孔泄洪沖沙閘下閘蓄水，廠房首臺機組發電，其余機組繼續安裝。至此，首臺機組僅用兩年時間即可發電(由于河道安全事故，直接影響了金溪工程建設，首臺機組的實際發電時間推遲了半年)。

按照明渠導流方案，一枯(第一年11月～第二年4月)僅施工左岸導流明渠，一汛期間(第二年5～10月)主體工程停工;二枯(第二年11月～第三年4月)開始右岸廠房及閘壩施工;二汛(第三年5～10月)基坑過水，主體工程再次停工;三枯(第三年11月～第四年4月)左岸閘壩完成，廠房具備擋20年一遇洪水標準的能力并可以在三汛(第四年5～10月)進行機電安裝;進入四枯(第四年11月)，利用左岸施工圍堰擋水，首臺機組發電。

綜上所述，從理論上講，廠房小基坑圍堰方案較明渠導流方案首機發電時間可提前一年。即便金溪工程受事故影響，首機實際發電時間推遲半年，也比原明渠導流方案提前了半年時間，經濟效益和社會效益明顯。有此成功的范例，嘉陵江開發的后續工程諸如沙溪等均采用了該導流模式。

(4)特細沙混凝土特性試驗及設計齡期專題研究。

嘉陵江流域天然沙多為特細沙，在多個工程中均成功采用了低砂率、低用水量、低陷度、高粉煤灰摻量和摻高效減水劑的水工特細沙混凝土的配制方法，取得了很好的經濟效益。

按照目前《水閘設計規范》SL265－2001、《混凝土重力壩設計規范》DL5108－1999、《水工混凝土結構設計規范》DL/T 5057－2009等設計規范，均要求混凝土按C系列強度進行設計。在混凝土結構設計中，不宜利用混凝土的后期強度，但經充分論證后，也可根據建筑物的型式、地區的氣候條件以及開始承受荷載的時間，采用60 d或90 d齡期的抗壓強度。同時，在特細沙混凝土中摻用大量的粉煤灰(摻量為40%左右)，可以改善混凝土的和易性、降低水化熱，還能減少水泥用量，節約水泥。但粉煤灰的活性主要是靠二次水化作用，且粉煤灰混凝土具有早期強度較低、后期強度增長率較高的特點，在后期其強度可以趕上或超過未摻粉煤灰的混凝土強度。而目前水工特細沙混凝土的設計齡期均采用28 d，故沒有用到高摻粉煤灰的特細沙混凝土的長處。因此，在使用水工特細砂混凝土時，如將其設計齡期選為90 d，就可以充分利用高摻粉煤灰的特細沙混凝土后期強度較高的優點，同時，對施工期相對較長的水利水電工程也十分有利。

針對該問題，進行了嘉陵江流域特細沙混凝土特性試驗及設計齡期專題研究。按規范要求開展了水工特細沙混凝土強度性能、變形性能、熱學性能、體積穩定性及耐久性試驗研究，同時進行了90 d齡期混凝土設計強度及早期強度結構分析，并開展了溫控計算，結合樞紐建筑物的施工特點、工程的受力特點及結構的復雜性并考慮施工質量等因素的影響，綜合分析了各建筑物采用90 d齡期混凝土強度設計的部位為:

①擋水壩、儲門槽壩段、攔沙坎可考慮90 d齡期混凝土強度設計。

②泄洪沖沙閘底板及其下游護坦(除抗磨混凝土外)可考慮90 d齡期混凝土強度設計。

③廠房安裝間底板及其布置有儲門槽的上游防洪墻可考慮90 d齡期混凝土強度設計。

上述部位混凝土標號改為90 d齡期后，每m3混凝土平均可減少32 kg水泥用量，不僅經濟效益明顯，而且溫度裂縫控制也相對容易，可謂一舉兩得。

(5)充分考慮閘門開啟組合，取消部分消力墩。

在金溪航電樞紐工程原設計方案中，借鑒類似工程的經驗，每孔泄洪閘對應的護坦均設有兩座消力墩作為輔助消能工。在技施設計階段，根據金溪工程的實際特點對其作了優化。

有關消能工的研究成果表明，消力墩作為輔助消能工，在上下游水頭差較大、小流量泄洪的工況下才具有顯著的消能效果;而當下游水深達到消力墩高度的3倍左右時，消力墩的消能效果將很微弱。因金溪航電樞紐工程設有20孔泄洪閘，完全可以通過合理調控閘門的運行方式在大泄量期間使后開啟的閘孔在下游高水位運行，從而可以取消這些閘孔所對應的消力墩。據重慶西南水運工程科學研究所進行的泄洪閘斷面模型試驗研究成果，取消了第二～四廂消力池內的消力墩。

科學安排閘門開啟及運行方式，取消部分泄洪閘下游消力池內的消力墩，不僅節省了部分工程量，同時也對施工安排及工期保證有一定的積極作用。

3 結語

成都院在金溪航電樞紐工程的勘測設計過程中進行了大量的試驗、研究及論證工作，精心設計，合理優化，在確保工程安全及質量的前提下，對樞紐建筑物的布置型式、結構體型及導流方式等進行了合理優化，節約了投資、加快了施工進度，為類似工程積累了經驗。

該工程于2003年10月開工，由中國水利水電第五工程局承建，四川二灘建設工程咨詢有限公司監理，2006年4月首臺機組發電，2008年8月全面建成投產。

目前工程已運行4年多時間，擋、泄水建筑物經歷了每年的洪峰考驗，河床式廠房內部環境干凈整潔，基本無浸潤滲漏痕跡，機電設備運行狀況良好。2010年獲四川省優秀工程設計三等獎。