郝永志

淵新疆水利水電勘測設計研究院袁830000袁烏魯木齊冤

一、工程概況

新疆大石門水利樞紐是國務院172項節水供水重大水利工程和2015年國家新開工的27項重點水利工程之一，項目總投資19.6億元，是一項承擔防洪、發電和灌溉任務的綜合利用水利樞紐。工程為Ⅱ等大（2）型，水庫總庫容1.27億m3，水庫正常蓄水位2 300 m，調節庫容0.99億m3，死庫容0.18億m3，碾壓式瀝青混凝土心墻壩最大壩高128.8 m，壩頂長度205 m；水庫控制灌區34.14萬畝（1畝=1/15 hm2）耕地的灌溉用水要求，可將下游防護對象的防洪標準由現狀的不足3年一遇提高到20年一遇，電站裝機60 MW，發電引水流量82 m3/s，年發電量1.765 億 kWh。

工程由攔河壩、古河槽帷幕灌漿、表孔溢洪洞、底孔泄洪洞（導流洞改建，龍抬頭型式）、發電引水洞、地面廠房及過魚設施等組成。工程抗震設計烈度為Ⅷ度，地震峰值加速度為0.26 g，是我國目前已建和在建水利工程中抗震設防烈度最大、壩高最高的瀝青混凝土心墻壩。

二、設計關鍵問題

1.高地震帶瀝青心墻壩

新疆地區20世紀90年代開始嘗試將瀝青混凝土心墻用于水利工程，并最先在多拉特水庫使用了該防滲方法，該水庫20多年來工作性能良好。隨著防滲技術的發展，新疆已經建設40多座各類瀝青心墻壩，通過多年的不斷實踐和科學總結，陸續建造了一些大型水利工程，如壩高105 m的阿拉溝水庫、壩高106 m的石門水電站、壩高91.6 m的庫什塔依水電站以及在建的壩高128.6 m的巴木墩水庫、壩高102.5 m的五一水庫和壩高101.5 m的吉爾格勒水利樞紐等，這些水利工程庫容大，控制流域廣，設計等級高，基本修建在北部嚴寒或寒冷地區。另外2010年啟動的自治區“定居興牧”水利工程中確定立項的25座中小型水庫工程中有14座為瀝青混凝土心墻土石壩，從2010年下半年開始陸續開工建設，并于2012年全部投入運行。

隨著水能資源開發力度加大，一系列壩高在160 m左右的大壩也正在設計規劃和開工建設之中。通過20多年的發展，逐步積累了較為成熟的設計、施工和運行管理經驗。本工程抗震設計烈度為Ⅷ度，最大壩高128.8 m，可參考國內外已建類似工程經驗解決壩體抗震問題。

2.古河槽防滲處理

庫區兩岸地形較高，庫區車爾臣河右岸為阿爾金山，河岸邊基巖裸露，后緣分水嶺山體雄厚，水庫右岸不存在大的永久性滲漏問題，但庫區西側為托其里薩依河左岸古河道，古河道較寬，進口位于壩址庫區左岸，距上壩軸線100 m，出口位于壩址下游2.3 km。古河道在進口處寬度為2.8 km，底寬1 km。古河道兩岸基巖出露，河道內沉積了約200 m深的深厚砂卵礫石覆蓋層，水庫蓄水后，古河槽存在滲漏和繞滲等問題。本工程采取“上防下排”的防滲處理措施解決古河槽的滲漏和繞滲問題。

對深度近200 m的深厚覆蓋層采用純帷幕灌漿的防滲處理國內并無先例，也無規范可循。法國的謝爾·龐桑壩壩高122 m，坐落于120 m深厚的、夾有大礫石和細砂的砂礫石沖積層上，采用19排灌漿帷幕，帷幕厚度15～35 m；瑞士馬特馬克壩壩高115 m，建于厚100 m的覆蓋層上采用帷幕灌漿；埃及的阿斯旺壩最深一排灌漿孔穿透225 m的沖擊層，灌漿后透水性降低1 000倍左右，但其帷幕厚度近40 m。本工程參考國外類似工程，通過帷幕灌漿達到減少水庫滲漏量和降低繞滲水流水力坡度的目的。

三、樞紐建筑物布設

1.總體布置

受地形、地質條件限制，左岸不宜布置水工建筑物，因此除大壩外的其他工程建筑物主要布置于右岸。表孔溢洪洞利用壩前右岸距壩軸線約125 m處的凹槽進行布置，以盡量減小洞長，節省投資；為避免洪水期泥沙對發電引水的影響，底孔泄洪洞進口與發電洞進口聯合布置，均布置在壩前河道近90°河灣前的右岸；表孔溢洪洞、底孔泄洪洞軸線近平行布置，尾部投入壩后右轉河道內；導流洞根據底孔泄洪洞軸線布置，底孔泄洪洞在進口閘井后通過龍抬頭方式與導流洞結合；發電廠房為河岸式地面廠房，布置在壩軸線下游330 m的右岸河床邊，尾水管軸線與河道軸線平行布置，尾水直接投入下游車爾臣河河道內。在左岸壩頂高程2 300 m沿壩軸線方向，設570 m（樁號為古0+000 m～古0+570 m）長的灌漿廊道，純帷幕灌漿深近200余m。在左岸古河槽帷幕下游布置主排水洞、交通兼排水洞及濾水花管等排水設施組成的排水孔幕。樞紐布置見圖1。

圖1 大石門水利樞紐主要建筑物布置

2.擋水建筑物設計

壩頂高程2 304.5 m，防浪墻頂高程2 305.7 m，建基面高程2 175.7 m，最大壩高128.8 m。根據本工程筑壩材料（砂礫料）的性質及三維有限元計算結果，并結合工程區地震烈度高的特點，參照設計規范，確定其上游壩坡高程2 265 m以上坡度為1∶2.75，高程2 265 m以下上游壩坡坡度為1∶2.5，變坡處設2 m寬馬道，上游圍堰與壩體結合，上游圍堰壩坡（高程2 229 m以下）坡度為1∶2.25，下游壩坡坡度為1∶1.8～1∶1.6。 為解決運行期的交通問題，在下游坡設10 m寬、縱坡為8%的“之”字形上壩公路，則最大斷面下游平均坡度約為1∶2.32。下游壩坡在2 270 m高程以上設200 mm厚鋼筋混凝土板，護坡板分塊尺寸為5 m×5 m，錯縫布置，填縫材料采用高壓閉孔板，迎水面壩縫采用M20砂漿嵌縫，厚度3 cm。在2 270 m高程以下采用0.4 m厚干砌石護坡；上游壩坡采用素混凝土護坡，護坡厚0.3 m，混凝土強度等級為C25，抗滲等級為W6，抗凍等級為F300。

瀝青混凝土心墻防滲體軸線偏向上游側，距壩軸線距離為4 m。采用碾壓式瀝青混凝土心墻，心墻厚度根據規范規定及參考有關工程類比，確定瀝青混凝土心墻寬度由頂厚0.6 m采用臺階漸變至底厚1.4 m。底部與混凝土基座接觸處厚度由1.4 m臺階式漸變為2.6 m。瀝青混凝土心墻與基座間鋪設一層瀝青馬蹄脂厚2 cm，心墻與混凝土基座之間采用銅片止水，沿心墻軸線布置。混凝土強度等級為C30，抗滲等級為W8，抗凍等級為F100。心墻基座每8 m設一道伸縮縫。

3.泄水建筑物設計

大石門水利樞紐工程屬Ⅱ等大（2）型工程，大壩為土石壩1級建筑物，設計洪水標準為100年一遇，設計泄量Q=1 359 m3/s，校核洪水標準為2 000年一遇，校核泄量Q=1 903 m3/s。本工程壩高128.8 m，庫容1.27億m3，泄水建筑物按不同高程布置為兩層，即表孔和底孔。在泄量分配上，底孔泄流能力應充分利用導流洞所需的泄流斷面，以節省工程投資；表孔應有一定超泄能力，在非常運行水位時，其泄量應占總下泄量的1/2以上。表孔工作閘門采用露頂弧形閘門，使表孔具有承擔泄洪和排漂任務的功能。由于底孔與導流洞結合布置，因此底孔在施工期除滿足導流要求外，在運行期還需滿足泄洪、排沙、水庫放空及發電洞進口“門前清”的要求。

表孔溢洪洞布置在右岸，溢洪洞進口堰頂高程2 291 m，設計洪水位2 300 m，設計泄量660 m3/s，校核洪水位2 303.36 m，校核泄量1 063 m3/s。由引渠段、控制段、洞身段、挑流鼻坎段和護坦段組成，總長542 m。控制段采用WES堰，單孔，堰寬12 m，堰面曲線y=0.0904x1.85。堰頂高程2 291 m，堰高4 m；控制段順水流方向長20 m，邊墻頂部高程2 305 m，側墻高18 m，C30鋼筋混凝土結構；控制段內設一道12 m×10 m弧形工作門、一道12 m×11 m平板檢修門。洞身段長477.9 m，斷面尺寸 8 m×9.8 m（寬×高）城門洞形。挑流鼻坎段長28 m，混凝土矩形斷面，底寬10 m，挑流鼻坎頂高程2 189.254 m，挑角 25°，反弧半徑30 m。

底孔泄洪洞布置在右岸，其軸線與導流洞部分軸線一致，采用 “龍抬頭”方式與導流洞結合，在樞紐中起到渲泄洪水、沖沙、放空水庫作用，總長904.7 m，由進口引渠段、閘井段、洞身段（漸變段、渥奇段、反弧段、連接段、結合段）、挑流鼻坎段及護坦段組成。

4.引水發電系統建筑物設計

發電引水系統進水口布置于壩體右側，電站廠房布置于壩后河道右岸。發電引水系統采用一洞四機的布置方案。發電引用流量為82 m3/s，額定水頭84 m。

發電引水系統全長811.304 m，由引渠段、進口閘井段、鋼筋混凝土襯砌隧洞段、鋼襯隧洞段、鋼襯回填管段、岔管和支管組成。進口閘井段布置為岸塔式進水口，進水口閘井由攔污柵段和事故門閘井段組成，全長28.7 m，閘井前段寬20 m，后段寬11 m。攔污柵段設清污機軌道、攔污柵各一道、各三孔，攔污柵孔口尺寸為4 m（寬）；攔污柵后設置迭梁進水口一道，共三孔，迭梁門孔口尺寸為4 m（寬），設置迭梁門庫兩道，共六孔，門庫底板高程為2 274.5 m，門庫孔口尺寸為4 m（寬）；事故門閘井段設平板事故門一道，一孔，孔口尺寸6 m×6 m。

主廠房內布置4臺15 MW混流式水輪發電機組，主廠房總長68.9 m，其中安裝間長18.35 m，主機間長50.55 m。主機間總高34.3 m，安裝間高24.1 m，機組間距11.5 m。根據設備及結構布置要求，確定廠房上游側寬9m，下游側6m，總寬18.8m，主廠房設1臺100 t/20橋式起重機，跨度15 m。

在發電機層2 185.6 m高程，上游側設有蝶閥吊物孔，靠上游側排架柱之間分別設置機旁屏、調速器等。水輪機層高程為2 179.4 m，上游側布置吊物孔、蝶閥液壓站及下蝶閥層樓梯。安裝間下部2 179.4 m層布置有空壓機室、油處理室、透平油庫、通風機室、轉子檢修墩等。安裝間上部為發電機層高程，可滿足一臺機安裝檢修需要，其上布設轉子檢修墩孔、上吊車鋼梯及消防設施，安裝間右側布置進廠大門，主機間靠左端墻布置安全疏散門。

5.左岸古河槽防滲處理設計

根據物探資料顯示，水庫左岸出露巖性上部為第四系上更新統砂卵礫石，層厚約為5～8 m；下部為第四系中更新統砂卵礫石，呈青灰～土黃色，結構密實，泥質弱膠結，厚度約95～208 m；最下部為第四系下更新統砂卵礫石，層厚約10～61 m。古河槽上部寬約2 883 m，下部寬約974 m。蓄水后，該砂礫石層古河槽存在滲漏和繞滲等危及庫區安全運行等問題。

根據中國水利水電科學研究院《新疆車爾臣河大石門水利樞紐工程水庫左岸三維滲流計算分析研究》報告的計算結果顯示，左岸古河槽在全帷幕灌漿防滲情況下水庫滲漏量減少不明顯，且工程投資和施工難度大，因此左岸古河槽處理以防止左岸滲透破壞為主。最終確定在左岸壩頂高程2 300 m沿壩軸線方向設570 m（樁號為古0+000 m～古0+570 m）長灌漿廊道，純帷幕灌漿深近200余m。現場一期、二期灌漿試驗已完成，分析壓水試驗成果可知，滲透系數從原來的 6×10-3cm/s降至 1×10-4cm/s，達到了預期目標。同時，在防滲帷幕后布置一條主排水洞并利用#1交通洞和#1-1交通洞兼排水洞形成一道排水孔幕，實現“上防下排”的防滲處理形式。

6.升魚機設計

升魚機的工作原理為：通過在壩后布置誘魚設施將魚類誘入升魚機集魚系統內，通過提升過壩裝置將集魚池內聚集的魚類提升過壩，最終投放至庫區。大石門水利樞紐工程升魚機主要構筑物包括集誘魚系統及提升過壩裝置。

本工程集誘魚系統布置在電站尾水渠左側，利用發電尾水作為系統供水。利用布置在電站廠房尾水渠上的誘魚道，使壩后聚集魚類進入升魚機集魚系統內。針對建筑物的布置特點，采用“誘魚道+軌道運輸+回轉吊”的運輸和過魚設施來滿足魚類回游過壩，達到保護魚類資源的目的。過魚設施由誘魚道、集魚池、集魚斗、單梁吊、壩后軌道牽引機、壩前運輸臺車和回轉吊等部分組成。其中金屬結構設備主要設置在集魚池、集魚斗、單梁吊、壩后軌道牽引機、壩前運輸臺車和回轉吊等基礎部分。

四、結 語

大石門水利樞紐是我國目前已建和在建水利工程中抗震設防烈度最大、壩高最高的瀝青混凝土心墻壩，同時具有目前國內最深的近200余m的純帷幕灌漿古河槽深厚覆蓋層防滲處理，升魚機設計在新疆尚屬首創。本文對新疆大石門水利樞紐各建筑物的設計原則、工程布置特點進行總結，其諸多設計研究均居于國內領先地位，希望對同類工程有所借鑒。 ■