沙灣水電站首部樞紐布置設(shè)計簡介

唐志丹，袁 瓊，魏剛文

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

沙灣水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上，系木里河干流(上通壩～阿布地河段)水電規(guī)劃“一庫六級”的第三個梯級，上游與卡基娃水庫電站、下游與俄公堡水電站相銜接。閘址位于瓦郎溝溝口下游1.5km河段，水庫正常蓄水位2 572.00m，相應(yīng)庫容316萬m3，閘頂長76.20m，最大閘高27.00m。右岸引水至沙灣大橋下游1.5km處建廠發(fā)電，引水隧洞長18.7km，利用落差256m，裝機容量240MW，年發(fā)電量為12.511億kW·h,年利用小時數(shù)為5 210h，具有日調(diào)節(jié)能力。

2 設(shè)計基礎(chǔ)資料

2.1 工程等別、建筑物級別及洪水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-94)及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)之規(guī)定，本工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，永久性主要水工建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時性建筑物級別為5級。相應(yīng)各主要建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)混凝土擋水、泄水建筑物按100年一遇洪水設(shè)計，500年一遇洪水校核；

(2)電站廠房按100年一遇洪水設(shè)計，200年一遇洪水校核；

(3)泄水建筑物消能防沖按30年一遇洪水設(shè)計。

2.2 水文氣象及泥沙條件

沙灣電站閘址位于瓦郎下游約3km處，集水面積6 813km2。廠址位于沙東河匯口下游約600m，集水面積7 522km2。根據(jù)木里縣氣象站1961～2007年資料統(tǒng)計，多年平均氣溫為12.4℃，極端最高氣溫34.1℃(1983年7月3日)，極端最低氣溫為-10.6℃(1982年12月31日)。多年平均年降雨量為832.0mm，最大一日降雨量77.4 mm，多年平均年蒸發(fā)量2 052.6mm，多年平均相對濕度57%，最小相對濕度接近于0，多發(fā)生在春季。多年平均風(fēng)速1.8 m/s，最大積雪深度13.0cm。閘址100年一遇設(shè)計洪峰為1 260m3/s，500年一遇校核洪峰為1 500m3/s。

沙灣水電站閘址多年平均懸移質(zhì)年輸沙量139萬t，多年平均含沙量398g/m3。懸移質(zhì)顆粒最大粒徑1.0mm，平均粒徑0.061 8mm，中數(shù)粒徑0.033mm，粒徑大于0.25mm的沙重占4.5%。閘址推移質(zhì)多年平均年輸沙量3.57萬t。

2.3 工程地質(zhì)條件

2.3.1 區(qū)域地質(zhì)與地震

區(qū)內(nèi)無大的地震構(gòu)造存在，歷史及現(xiàn)今地震活動較弱，工程區(qū)地震危險性主要受到外圍(理塘地震帶，木里-鹽源地震亞區(qū))的強震及中強震波及影響，波及到工程區(qū)的地震烈度不超過Ⅶ度，區(qū)域構(gòu)造基本穩(wěn)定。據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)，工程區(qū)基巖地震動水平峰值加速度為0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

經(jīng)過5·12汶川大地震后評價復(fù)核表，并經(jīng)四川省地震安全性評定委員會和四川省地震局審批同意，沙灣水電站閘址和廠址未來50年超越概率10%的基巖水平峰值加速度值分別為155cm /sec2、150cm/sec2，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(DL5073-2000)的規(guī)定，本工程建筑物抗震設(shè)防類別為丙類，采用基本烈度作為設(shè)計烈度。

2.3.2 首部樞紐工程地質(zhì)條件

閘基覆蓋層地基各層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成因類型不同，顆粒大小懸殊，結(jié)構(gòu)不均一，其物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，存在不均一變形問題。閘基下的第③層含礫石砂層：分布連續(xù)，埋深一般5～8m， 厚度一般3～6m，局部10m。經(jīng)初判和復(fù)斷：在發(fā)生Ⅶ度地震時，該層可能液化，建議進(jìn)行工程處理。①-2層礫石砂土：主要分布于橫Ⅰ線上下游約50m的①-1層頂部，分布不連續(xù)，呈透鏡體，頂板埋深18～23m，厚0.3～5m，偏右岸較厚，最厚達(dá)5m，向上、下游及左岸變薄，厚度差異較大。經(jīng)標(biāo)貫錘擊法復(fù)判，該層在發(fā)生Ⅶ度地震時，不液化。閘基覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，透水性強，無相對隔水層，故存在滲漏及滲透變形問題，鑒于河床覆蓋層厚度不大，厚22～33m，建議閘基覆蓋層進(jìn)行全封閉防滲處理、閘基巖體防滲帷幕穿過中等透水巖體，即基巖頂板面下20～30 m，或者應(yīng)根據(jù)水庫允許滲漏量和允許比降，做好閘基防滲工程處理。

3 首部樞紐布置設(shè)計

根據(jù)河道的沖淤特征、地形地質(zhì)條件以及取水防沙的要求，首部樞紐建筑物的布置從左至右依次為左岸連接壩段、3孔泄洪閘、1孔沖沙閘、右岸連接壩段及取水口。除兩岸連接壩段及進(jìn)水閘建基于基巖上外，其余均建基于覆蓋層上。攔河閘壩均采用混凝土結(jié)構(gòu)，閘頂高程2 574.00m，閘頂長度76.20m。首部樞紐布置見圖1。

圖1 首部樞紐平面布置示意

上壩公路由過壩交通洞分岔洞至右岸連接壩頂，上壩交通洞總長約108m。

3.1 左、右岸擋水建筑物

左、右岸擋水建筑物均為混凝土重力壩，壩頂高程2 574.00m，最大壩高24.50m，壩頂寬度均為12.00m。左岸連接壩段長為18.30m，設(shè)2個壩段，均建基于基巖上。右岸連接壩段長為19.90m，設(shè)2個壩段，分別建基于砂卵礫石層和基巖上。泄洪閘和沖沙閘檢修門儲門槽均設(shè)在左岸擋水壩段內(nèi)。為保護生態(tài)，滿足環(huán)保要求，在右岸連接壩段設(shè)置一根φ55cm的泄水鋼管，穿過連接壩段出口于護坦斜坡段邊墻上。由于右岸2號壩段建基于砂卵礫石層，壩址部位基礎(chǔ)承載力不能滿足實體重力壩對壩址應(yīng)力要求，采用了空腹重力壩的形式。

3.2 泄洪閘、沖沙閘建筑物

沖沙閘、泄洪閘布置在主河床，取水口布置在右岸，構(gòu)成“正向沖沙、泄洪，側(cè)向取水”的引水防沙和泄洪沖沙的樞紐體系。沖沙閘為1孔，孔口尺寸為4.00m×10.00m(寬×高)，設(shè)弧形工作閘門和平板檢修閘門各一扇；泄洪閘為3孔，孔口尺寸為6.00m×7.00m(寬×高)，各設(shè)一扇弧形工作閘門，共用一扇平板檢修閘門。閘室順?biāo)鞣较蜷L35.00m，閘室邊墩厚2.50m，中墩厚3.50m和3.00m，縫墩厚4.50m，閘底板厚3.50m，底板高程均為2 553.00m，最大閘高27.00m。閘前設(shè)置10.00m長鋼筋混凝土鋪蓋，其中泄洪閘前鋪蓋厚3.00m，沖沙閘及取水口前鋪蓋厚1.50～3.00m，鋪蓋頂高程為2 553.00m。

3.3 引水防沙、排沙布置

取水口為直立岸塔式，采用側(cè)向取水的布置型式，閘頂高程為2 574.00m。取水口攔污柵閘為3孔布置，單孔凈寬8.00m，孔口內(nèi)設(shè)置一道工作攔污柵及機械清污系統(tǒng)。進(jìn)水閘為胸墻式，底板高程2 551.50m，設(shè)有一道平板工作閘門。取水口攔污柵閘與進(jìn)水閘間為長9.00m的漸變段，底坡1∶2。取水口上游側(cè)設(shè)置清污平臺，其上游側(cè)用重力式導(dǎo)墻引導(dǎo)、平順?biāo)?，并與岸坡相接。

木里河流屬于山區(qū)多泥沙河流，引水防沙問題突出。為了解決好引水防沙問題，在首部樞紐布置中采取以下幾項措施：

(1) 根據(jù)閘址處地形條件，將取水口置于河床右岸，緊靠取水口布置一孔沖沙閘和三孔泄洪閘，采用“側(cè)向取水，正向排沙”的布置形式。

(2) 取水口底坎高程在滿足取水口引用流量及過柵流速要求的前提下，盡量抬高，選定為2 556.00m，前緣設(shè)2.00m高的坎，高出沖沙閘底板5.00m，使取水口前緣形成一道攔沙坎，以攔截推移質(zhì)，防止其進(jìn)入取水口。

(3) 在沖沙閘和泄洪閘之間的閘墩上游和喇叭口中部設(shè)一道縱向束水導(dǎo)墻，使之與取水口前緣攔沙坎之間形成兩個喇叭型沖沙槽，利用坎、墻之間的狹道束水攻沙，并通過沖沙閘排向下游，以保證取水口前“門前清”。

(4) 在束水導(dǎo)墻和取水口之間設(shè)置一道斜向的攔沙坎，攔截較大的推移質(zhì)，使進(jìn)入到取水口前的推移質(zhì)盡量減少。

在本工程的引水防沙設(shè)計中，開展了首部樞紐水工模型試驗研究。模型為長度比尺1∶40的正態(tài)整體模型，模擬范圍為閘軸線上游1 200m至閘軸線下游450m，采用精煤粉輕質(zhì)沙模擬庫區(qū)泥沙淤積沖刷試驗。

根據(jù)水工模型試驗結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

(1)經(jīng)模型試驗修改優(yōu)化后的取水口前束水墻、攔沙、導(dǎo)沙坎等防排沙措施，可以有效地起到引水防沙的作用。

(2)通過庫區(qū)沉降、敞泄排沙以及中水代表年系列輸沙過程試驗，表明沙灣水庫采用合理的水沙調(diào)度運行方式可以起到“以庫代池”的作用。中水代表年輸沙過程中，按運行方式經(jīng)4次停機敞泄排沙(每次6h)運行，可以保證庫區(qū)泥沙調(diào)度要求：各引水發(fā)電時段入庫懸沙庫區(qū)總沉降率達(dá)64%～83%，其中，d>0.25mm粗沙沉降率均在80%以上；取水口汛期發(fā)電引水平均含沙量230.17g/m3，對于d≥0.25mm 顆粒，引水時段最大含沙量<10g/m3，平均引水含沙量<2.0g/m3，滿足規(guī)范有關(guān)發(fā)電引水防沙要求。

試驗表明，沙灣水庫在采用合理水沙調(diào)度方式下，“以庫代池”是合理可行的。

3.4 消能防沖設(shè)計

因木里河屬山區(qū)多泥沙河流，汛期洪水夾帶有較多的推移質(zhì)和懸移質(zhì)，而地形上沒有設(shè)置地面沉沙池的條件，根據(jù)水庫調(diào)度運行方式，大量的推移質(zhì)和懸移質(zhì)將通過泄洪閘和沖沙閘排向下游河道，因此做好過水過沙建筑物的防沖耐磨設(shè)計是非常重要的。根據(jù)模型試驗結(jié)果和已建類似工程的經(jīng)驗，從有利于沖沙考慮，在下游護坦上不宜設(shè)置消能建筑物。出閘水流采用急流與下游河道銜接的方式更有利于沖沙，但由于單寬流量較大，對下游河床沖刷嚴(yán)重。為減小對下游河床的沖刷，考慮抬高下游水深并采用底流式消能方式與下游河床相接。護坦采用擴散狀鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板高程2 549.00m，厚3.00m，長60.00m，坡段縱坡為1∶4。護坦末端設(shè)6.00m深的防沖齒槽，其后設(shè)25.00m長的海漫保護區(qū)，并在海漫末端施工開挖預(yù)留槽內(nèi)拋填大塊石保護。

由于汛期推移質(zhì)大量過閘，以及庫區(qū)不定期敞泄排沙，故首部樞紐泄水建筑物過流易磨損部分需采取抗磨保護措施。在防沖抗磨設(shè)計中，根據(jù)各泄水部位的磨損情況及其重要性，并考慮其修復(fù)施工及檢修的難易，分別采用不同的措施進(jìn)行處理。泄洪閘、沖沙閘閘室底板和閘室底板以上1.50m高度范圍內(nèi)的閘墩采用12mm厚鋼板保護。上游鋪蓋、下游護坦表面采用0.40m厚的C40HF耐磨混凝土保護。

3.5 基礎(chǔ)防滲設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)條件，閘基處河床覆蓋層較深，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、松散，透水性強，存在閘基滲漏變形穩(wěn)定的問題。地震烈度為Ⅶ度，閘、壩河床基礎(chǔ)防滲采用全封閉式防滲墻，防滲墻伸入基巖1.00m，最大深度約30.00m，防滲墻厚度為0.8m，防滲墻布置在攔河閘底板上游齒槽下，并經(jīng)擋水壩向兩岸延伸與兩岸壩肩的基巖灌漿帷幕相連接。灌漿帷幕封閉中等不透水地基，根據(jù)地質(zhì)滲透剖面圖及建筑結(jié)構(gòu)布置，灌漿帷幕頂高程為壩頂高程2 574.00m，左岸利用帷幕灌漿平硐向山體內(nèi)延伸長32.00m，右岸利用上壩交通洞兼作帷幕灌漿平硐向山內(nèi)延伸24.5m，向下封閉相對中等不透水地基。帷幕灌漿孔原則上采用間距2m孔布置，分三序孔施工，防滲要求達(dá)到灌漿后巖石滲透率小于5Lu，如達(dá)不到防滲要求，需施工錯開布置的第二排灌漿孔(下游排距1m)。最終使閘基防滲墻與左、右岸灌漿帷幕形成全封閉的防滲體系，滿足工程需要。首部防滲布置見圖2。

圖2 首部防滲布置示意

3.6 閘室基礎(chǔ)處理

首部樞紐河床覆蓋層沖積堆積的含漂砂卵(碎)礫石②層、冰水堆積的含漂砂土卵(碎)礫石①層，粗顆?；緲?gòu)成骨架，承載力較高，③、④層結(jié)構(gòu)較為松散，尤其是③層含卵礫石砂層，承載力低，僅0.10～0.13MPa，第④層含漂砂卵礫石層承載力僅0.20～0.30MPa，不能滿足建筑物地基承載力要求。由于各層結(jié)構(gòu)存在不均勻性及層與層之間的差異較大，閘基存在不均勻變形穩(wěn)定問題。且閘址區(qū)連續(xù)分布③層含卵礫石砂層，厚度3～6m，埋深5～8m。據(jù)鉆孔取樣物性試驗和顆分資料，主要以中細(xì)砂為主，次為粉砂和粘粒。地質(zhì)初判和復(fù)判在發(fā)生Ⅶ度地震時該層存在液化的可能。閘址區(qū)河床覆蓋層較深，閘基坐落在沖積堆積的第④層含漂砂卵礫石層上。第①層結(jié)構(gòu)較密實，第③層以細(xì)顆粒為主，滲透性相對較弱，第②、④層結(jié)構(gòu)較為松散，具強—極強透水性，閘基無相對隔水層，故閘基存在滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題。

為改善地基應(yīng)力分布，減小閘基不均勻沉降，防止③層含卵礫石砂層液化及變形，提高基礎(chǔ)承載力，須對閘基范圍作基礎(chǔ)加固處理。根據(jù)處理方案比較以及開挖揭示的閘基地質(zhì)條件，最終采用高壓旋噴灌漿進(jìn)行地基加固處理。在高壓旋噴施工中，對施工技術(shù)要求，除按相關(guān)規(guī)程、規(guī)范執(zhí)行外，設(shè)計推薦采用二重法旋噴灌漿施工，相應(yīng)的水灰比為1∶1～1.5∶1，其相應(yīng)漿液密度分別為1.5g/cm3和1.37g/cm3，施工參數(shù)據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及試驗確定。處理后地基應(yīng)達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：對梅花型布置，間排距為2.5m×2.5m的區(qū)域，滲透系數(shù)K≤1×10-4cm/s；地基承載力≥0.5MPa；對矩形布置，間排距為4.0m×4.0m的區(qū)域，地基承載力≥0.25MPa。旋噴樁底部穿過第③層深入第②層1m。

3.7 河道整治及岸坡保護

根據(jù)地形、地質(zhì)條件，結(jié)合引水防沙及抗沖的要求，在右岸取水口上游側(cè)設(shè)置混凝土導(dǎo)水墻與右岸岸坡相接，下游端與取水口清污平臺相連，墻頂高程2 565.50m，以改善取水防沙條件，對導(dǎo)水墻上游側(cè)采用大塊石壓坡護腳。

海漫下游的兩岸邊坡，左岸基巖裸露，右岸在海漫末端出口處為覆蓋層。為使海漫末端的下泄水流歸槽效果好，防止對兩岸的淘刷，左岸采用貼坡式混凝土擋墻歸順下泄水流，右岸采用重力式混凝土擋墻進(jìn)行護坡，擋墻末端與右岸基巖相接，并用大塊石對海漫下游右岸坡腳進(jìn)行保護。

閘址區(qū)河谷狹窄，兩岸自然邊坡高陡，坡高達(dá)100～200m以上，坡度50°～70°，地層巖性為變質(zhì)石英砂巖。兩岸自然坡體整體基本穩(wěn)定，但裂隙將巖體切割成楔型塊體，由于卸荷、風(fēng)化及自重作用，局部巖(塊)體易產(chǎn)生崩塌。為防止兩岸風(fēng)化巖塊脫落威脅大壩安全，須將近壩危巖塊撬掉，對近壩兩岸首部樞紐建筑物范圍內(nèi)表面裂隙發(fā)育的邊坡進(jìn)行錨噴支護。錨桿采用φ25，L=5m、6m及8m的系統(tǒng)錨桿，其間、排距為2.0m，梅花型布置。對破碎巖體邊坡增加掛網(wǎng)噴混凝土支護措施，鋼筋網(wǎng)采用φ6@20cm×20cm。

4 結(jié) 語

沙灣水電站首部樞紐自開工建設(shè)以來，在技施設(shè)計及施工過程中，從閘壩基礎(chǔ)、閘肩邊坡開挖情況來看，與原來勘探的地質(zhì)條件基本吻合，無重大工程地質(zhì)變更。沙灣水電站經(jīng)過幾年的施工建設(shè)，在參建各方的共同努力下，工程已基本完工。目前工程已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電，各部位運行正常。

參考文獻(xiàn)：

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