石門水電站樞紐布置及建筑物特點綜述

張合作 羅光其

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

石門水電站樞紐布置及建筑物特點綜述

張合作 羅光其

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

結合工程實際概況及當地氣候、地形地質條件，介紹了石門水電站樞紐布置的特點，并從瀝青混凝土心墻堆石壩設計、泄洪沖沙兼導流洞設計、溢洪洞設計等方面，對建筑物的設計特點進行了研究，其實踐經驗可供類似工程借鑒。

水電站，樞紐布置，建筑物，溢洪洞

1 工程概況

呼圖壁石門水電站是呼圖壁河中游河段規劃的第三個梯級，位于新疆維吾爾自治區呼圖壁縣南側，距呼圖壁縣縣城公路里程50 km，距昌吉市公路里程95 km，距烏魯木齊市公路里程127 km，對外交通十分便利。

工程的開發任務是“灌溉、防洪、發電”，水庫正常蓄水位1 240 m，總庫容7 975萬m3，為年調節水庫，水庫建成后可提高下游的灌溉保證率和防洪標準，電站裝機容量95 MW。

樞紐由瀝青心墻壩、右岸泄洪沖沙洞、右岸溢洪洞、左岸引水系統和地面廠房等建筑物組成。

2 基本條件

2.1 氣象條件

工程位于我國西北地區，冬季干燥寒冷、夏季炎熱、年降水量少、蒸發量大。電站多年平均降水量為408.0 mm，多年平均蒸發量為888.2 mm；多年平均氣溫為6.4 ℃，多年月平均氣溫最高為20.7 ℃，多年月平均氣溫最低為-10 ℃。

2.2 地形地質條件

壩址河段河道較平直，坡降相對平緩，河谷較開闊，河床寬20 m～50 m。1 210 m高程以下河谷呈基本對稱“V”型，1 210 m～1 220 m高程左岸為一寬緩的Ⅳ級階地平臺，1 220 m高程以上為陡壁地形，右岸1 180 m～1 220 m以上沿J3k1與J2q2-5分界線之上均為陡壁，陡壁以下為35°～50°的斜坡。

壩址區出露地層主要為紫紅色泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖及泥質粉砂巖等，兩岸上部涉及J3k1厚層塊狀巖屑砂巖與J3k2厚層塊狀礫巖地層。兩岸崩積、坡積、殘積堆積體厚2 m～18 m，其中右岸老壩上游一帶，分布4號崩塌堆積體，塊度大小不一，架空明顯。

兩岸下部及河床因巖性軟弱，風化較深，發育有1號、2號卸荷拉裂體的上游端部分，2號、3號、4號、5號、6號危巖體，4號崩塌堆積體及1號滑坡體。施工期對影響工程安全的危巖體進行了爆破。

巖體物理力學特性，屬以軟巖為主的塑性巖體，軟化和崩解特性明顯，力學強度低。

3 樞紐布置

壩址河谷地形受巖性控制，已建混凝土拱壩(簡稱老壩)上游開闊，兩岸山體上部為陡崖峭壁，構成平面上“喇叭”型收斂。河谷地形為不對稱“V”字型，左岸1 210 m以上為寬緩臺地。老壩下游河谷狹窄，河谷斷面呈“U”字型，切割深度100 m左右，寬幾米至幾十米，兩岸均為陡峭絕壁，不適宜布置建筑物。樞紐布置充分考慮地形地質條件、施工交通和經濟性，將首部樞紐布置在老壩上游河段。樞紐布置具有以下特點：

1)利用兩岸山體和下游老壩布置壩體，節約壩體填筑量。

考慮利用老壩，使老壩位于壩腳，以節省壩體堆筑量，老壩同時作為下游圍堰；從地形條件上，壩線盡可能結合老壩下移。從地質條件上，礫巖和砂巖分界線向下游逐漸降低，壩肩礫巖陡壁開挖量往下游越來越大，J1,J2,J3夾層作為右岸山梁的控制底滑面，抗滲比降小，宜避開或少接觸；使J1夾泥層受水庫蓄水的影響較小，保持右岸山梁天然狀態下整體穩定現狀；綜合考慮引水建筑物進水口、泄洪建筑物的布置。

2)利用右岸凸岸布置泄洪系統，減小建筑物線路長度。

從河谷地形地質特點看，左岸為凹型，布置泄洪建筑物路線較長，且分布有多處危巖體和崩塌體，而右岸為凸型，路線較短，且線型順直，因此將泄洪建筑物布置在右岸。同時由于右岸可以布置泄洪建筑物的地形陡峻，布置開敞式泄洪建筑物，存在開挖量大，邊坡支護量大，投資高的問題。經比較后，推薦在右岸布置泄洪沖沙洞和溢洪洞，其中泄洪沖沙洞線路長668.6 m，進口邊坡最大高度120 m，溢洪洞線路長633 m，進口邊坡最大高度35 m。

3)長引水線路布置，充分利用水頭發電。

本工程引水隧洞左右岸地質條件基本相同，均要穿越石梯子向斜、齊古活動斷裂帶，右岸的地形較左岸緩，局部沖溝切割較深，在滿足最小埋深的情況下繞過沖溝布置引水線路，右岸的引水線路較左岸長約200 m，而且有至齊古油田公路通過左岸，如果引水線路布置在右岸將增加臨建工作量，所以本工程的引水線路推薦左岸，洞線為折線方案。

引水系統采用一洞兩機的布置方式，由進水口、引水隧洞、上游調壓室、壓力鋼管組成，單機引用流量25.07 m3/s，引水線路總長約8 615 m。電站引用流量小，主要利用水頭發電，最大設計水頭234 m，額定水頭215 m。沿引水隧洞分別布置了3條施工支洞，長度分別為690 m，470 m和160 m。

4)橋、隧結合，優化交通布置。

由于壩頂以上兩岸地形近乎垂直，壩軸線和引水系統進口自然坡度80°左右，泄洪沖沙洞進口自然邊坡45°以上。設計為控制邊坡的處理工程量，對永久交通布置以“橋梁+隧洞”為主，包括左岸引水系統工作橋、引水進口交通洞、上壩交通洞和泄洪洞工作橋。其中引水系統工作橋跨度34.2 m，橋臺最大高度21.3 m；泄洪洞工作橋跨度54.1 m，橋臺最大高度20 m。

4 建筑物設計特點

4.1 瀝青混凝土心墻堆石壩設計

1)利用天然砂礫石料筑壩，充分彰顯當地材料壩的經濟性。

壩體填筑總量約307萬m3，其中砂礫石料287萬m3。壩址區天然建筑砂礫料源豐富，可以利用C2砂礫石料場直接上壩，距離壩址0.8 km～2.0 km。料源為早期河流沖積、冰積的階地砂卵礫石堆積層，石質致密、堅硬，抗風化能力強，其表層覆蓋有1 m～3 m不等的風積黃色粉砂質粘土。料場產地面積41.12萬m2，剝離量82.24萬m3，可采儲量517.44余萬平方米。

天然砂礫石料具有單價低、易壓縮等優點，保障了工程的經濟性，且利于控制壩體變形量值。但也有明顯的缺陷，就是抗水力沖蝕性差，所以在壩體設計中，對可能產生滲漏的通道設置了塊石排水體和排水管，以保護砂礫石填筑體。

2)因地制宜選擇壩型，瀝青心墻壩在經濟性、施工、環保等方面有優越性。

壩址地形開闊，河谷寬高比約3，巖體強度低，所以適宜布置當地材料壩?？蛇x的壩型包括土心墻壩、瀝青心墻壩和混凝土面板壩。而對于土心墻壩主要是工程附近缺少滿足筑壩的防滲土料?；炷撩姘鍓我驗樾枰趦砂堕_挖趾板基礎，導致邊坡規模大，相應開挖量增加明顯。綜合比選后，瀝青心墻壩的投資最省，見表1。且工程附近有豐富的瀝青用料，該壩型施工受氣象條件影響也最小。所以，推薦瀝青心墻壩為本工程的推薦壩型。

表1 導流洞與泄洪洞結合方案比較表

4.2 泄洪沖沙兼導流洞設計

1)導流和泄洪沖沙洞完全結合布置。

根據樞紐布置、施工布置和河谷地形地質特點，左岸為凹型，且存在與引水洞進水口布置干擾，導流洞較長；右岸為凸型，導流洞洞線較短，且線型好，故導流洞布置于右岸。基于壩址汛期洪水規模較小，研究了兩洞合一的結構布置方式。

單獨布置導流洞和泄洪沖沙洞后，則導流洞需要向山體內側移動，洞線增加，而泄洪沖沙洞與導流洞底板高程接近，所以考慮兩者結合，主要分析了兩種方案，如表1所示。

兩者完全結合后在截流、封堵、經濟性和工程風險控制方面優勢明顯，所以本工程沖沙洞是一條多用途隧洞，在施工期作導流洞，運行期作泄洪和沖沙用，并在必要時作水庫防空用。

經設計和運行實踐，認為對于百米級的堆石壩工程，宜盡量研究導流和永久建筑物結合的形式，確保工程具有一條防空通道，以備應急之用。

2)巧妙利用進水塔空間布置生態流量設施。

本工程引水線路較長，為確保首部樞紐和下游尾水之間河段的生態，將生態流量放水設施布置在右岸泄洪沖沙(兼導流)洞進口段中墩混凝土內，放水管進口高程1 175.70 m，出口位于中墩末端，放水管出口高程1 159.53 m。放水管采用管徑500 mm不銹鋼管，并在1 174.90 m平臺設置電動錐形閥和渦輪傳動檢修蝶閥。

3)多結構和抗沖磨混凝土結合，規避高速水流對混凝土的空化、氣蝕等影響。

泄洪洞在校核水位1 240.86 m時的最大泄量為1 059 m3/s，最大流速33.2 m/s。設計中在工作閘門后邊墩結構中設置φ120 cm通氣鋼管，在邊墩結構中設置1.55 m×1.92 m矩形通氣孔，無壓隧洞洞身段設置3個摻氣坎，降低高速水流對接的空化、氣蝕。

結合水力學模型試驗，在進水塔以上8 m墻體和閘墩、洞身底板和邊墻0.6 m高度、出口消能工底板和邊墻結構采用外摻HF C90-40混凝土進行抗沖磨設計。

4.3 溢洪洞設計

溢洪洞位于大壩右岸，溢流堰底及隧洞段坐落于J2q2-1～J2q2-5中～厚層砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖。設計水位1 240 m時，最大流速21.32 m/s。隧洞出口采用挑流消能，出口高程1 185.0 m，距離河床水平距離約30 m，垂直高度約94 m，在小流量條件下水流很難完全挑入河床范圍，會對本岸山體產生沖刷。

工程運行調度要求溢洪洞正常情況下不參與泄洪，在出現超標準洪水或特殊情況下才開啟，主要是作為非常溢洪洞使用?；谝绾槎闯隹诘匦味盖?，無施工通道。結合現場地形條件，將原明挖出口調整為洞挖出，簡化了施工。

4.4 引水發電系統設計

1)噴錨+柔性格賓相結合的進水口支護形式。

進水口引渠邊坡上部為砂礫石、底部為J2q2-5，J2q2-4，J2q2-3紫紅色泥巖、粉砂質泥巖，且分布范圍廣，設計中針對開挖后的泥巖、粉砂質泥巖采取了噴錨和貼坡處理，而上部砂礫石邊坡采用格賓護坡處理，坡面1∶1.75，最大高度約20 m。

采用格賓護坡可避免坡體內部因排水不暢而積水，在冬季結冰而擠壓護坡結構，同時格賓護坡的柔性結構能適應坡體的變形。運行表明，水庫冬季結冰厚度大于1 m時，格賓護坡結構運行正常，沒有出現明顯的破壞。

2)多層優化，控制引水隧洞投資。

3)具有防滲和保溫要求的調壓井。

調壓室布置于廠房后Ⅳ級階地平臺內側條形山梁內，地面高程1 285.86 m。調壓井井筒直徑11.0 m，高度約107 m。調壓室地層為Ktga,Ktgb薄層、極薄層、中厚層粉砂質泥巖、泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖等，巖性軟弱，屬易風化、崩解巖體類。

針對以上地質條件，為避免運行時調壓井內水外滲對山體穩定造成影響，要求對調壓井內壁進行防滲處理。同時為防止頂部有冰凍影響，在調壓井頂部布置網架結構，進行井筒保溫。

4)采用限溫+保溫的措施，限制壓力鋼筋結構縱向溫度變形。

壓力鋼管布置線路總長1 225.8 m，根據地形條件分為埋藏式、淺埋式和明管，淺埋式壓力鋼管段除了外包混凝土以外，按照凍土深度回填了砂礫石料。而明管段由于位于斜坡段，高度約90 m，需研究低溫和溫差變幅大不利條件下的保溫措施，以控制管壁內外溫差過大引起的混凝土開裂和鋼管應力增加。

5 結語

石門水電站樞紐布置充分利用上“喇叭”型地形，將首部樞紐布置在老壩上游位置，并選擇右岸凸岸布置泄洪系統。從地質條件上規避卸荷拉裂體，2號、3號、4號、5號、6號危巖體，4號崩塌堆積體及1號滑坡體對建筑物的不利影響。利用左岸山體布置了引水發電系統，充分利用水頭發電。

工程所推薦的瀝青心墻壩筑壩技術研究和建設經驗可以供類似工程參考，同時為百米級以上瀝青心墻壩設計和建設提供了理論和實踐依據。本工程通過寒冷地區的水工建筑物設計、建設和運行實踐，提出了一套寒冷地區水工建筑物防冰凍、保溫和不良地質條件處理的設計和施工經驗，對于指導寒冷地區水工建筑物結構設計具有較好的現實意義。

[1] 中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院,呼圖壁河石門水電站可行性研究報告(工程布置及建筑物)[R].2008.

HublayoutandstructurecharacteristicsofShimenhydropowerstation

ZhangHezuoLuoGuangqi

(GuiyangEngineeringCorporationLimited,PowerChina,Guiyang550081,China)

Combining with actual engineering conditions and local climatic and morphological conditions, the paper introduces hub layout characteristics of Shimen hydropower station, and studies the building design characteristics from aspects of asphalt concrete hollow wall rock-fill dam design, spillway sand-washing and diversion tunnel design, and spillway tunnel design. The practical experience can provide some guidance for similar engineering.

hydropower station, hub layout, building, spillway tunnel

1009-6825(2017)23-0017-03

2017-06-04

張合作(1979- )，男，高級工程師

TU271.1

：A