庫什塔依水電站工程樞紐布置及主要設計特點

汪 洋，喬 玲，焦 陽

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 樞紐總布置

1.1 壩型

通過比較粘土心墻壩、混凝土面板壩、碾壓式瀝青混凝土心墻壩和碾壓混凝土重力壩等4種壩型，并結合壩址區(qū)地形地質(zhì)條件的適應性、壩基防滲可靠性、壩體運行安全性、筑壩材料、施工條件、施工工期和經(jīng)濟性指標等多方面綜合比較分析表明，碾壓式瀝青混凝土心墻壩具有技術可靠，施工簡單，可提前發(fā)電產(chǎn)生經(jīng)濟效益等優(yōu)點，經(jīng)濟效益顯著。因此，故選用碾壓式瀝青混凝土心墻壩作為推薦壩型。

1.2 樞紐布置方案

由于本工程規(guī)模較大，又處于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，為確保樞紐安全，建筑物布置時應考慮以下因素：

（1）經(jīng)電站規(guī)模論證，電站裝機100 MW，裝機4臺，布置一條發(fā)電引水洞。

（2）由于庫什塔依水電站下游的哈拉軍引水式電站的引水渠布置在右岸直接與庫什塔依電站尾水連接，故庫什塔依電站發(fā)電廠房需布置在右岸泄洪建筑物出口的下游靠山邊處。

（3）本工程最大壩高91.1 m，壩型為碾壓式瀝青混凝土心墻壩。參考類似工程經(jīng)驗，泄水建筑物布置成兩層，即開敞式溢洪洞和導流兼泄洪洞。導流洞作為永久性的底孔使用。

（4）由于左岸卸荷裂隙發(fā)育，卸荷帶較寬，并已產(chǎn)生傾倒變形，從壩頂以下30 m到山體頂部，左岸強卸荷帶水平寬度5～37 m，弱卸荷帶水平寬度15～30 m。若在左岸布置表孔泄洪建筑物，則表孔泄洪建全處于強卸荷巖體內(nèi)；若在左岸布置導流兼泄洪洞，泄洪洞進口位于強卸荷帶內(nèi) （或穿過強卸荷帶），不能保證引水發(fā)電系統(tǒng)進水口的 “門前清”。因此，在左岸布置建筑物對工程安全不利。

經(jīng)多種樞紐布置方案比較，確定樞紐布置方案為：泄洪及發(fā)電引水建筑物均布置在右岸，從里到外依次導流兼泄洪洞、溢洪洞及發(fā)電引水洞，廠房布置在壩下游較寬闊的Ⅱ級階地上。庫什塔依水電站工程總平面布置見圖1。

圖1 庫什塔依水電站工程總平面布置

1.3 泄水建筑物進口高程及規(guī)模

（1）根據(jù)樞紐布置，導流洞作為永久性的底孔使用。導流兼泄洪洞進、出口孔口尺寸和進、出口底板高程首先應滿足施工期導流要求；在運行期還需同時滿足泄洪、排沙、水庫放空及發(fā)電洞進口“門前清”的要求。

（2）在泄量分配上，應充分發(fā)揮表孔溢洪洞所具有的超泄能力，加大溢洪洞的設計泄量，在設計（或校核洪水）水位時，其泄量應占總下泄流量的1/2～2/3左右。

（3）導流兼泄洪洞規(guī)模按庫水位1 270.0 m （發(fā)電洞進口底板高程）時，能下泄河道5月份多年平均來水流量，以滿足發(fā)電洞檢修要求。

（4）由于該工程位于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，泄水建筑物的泄流能力應滿足水庫緊急放空要求，能在較短時間內(nèi)放空水庫。

通過對表孔溢洪洞和導流兼深孔泄洪洞不同孔口高程、不同孔口尺寸、不同季節(jié)入庫流量等多組合調(diào)節(jié)計算，確定泄水建筑物規(guī)模見表1。

1.4 泄水建筑物消能形式

泄洪系統(tǒng)均布置在右岸，右岸Ⅱ級階地寬60～120 m，階地河拔6～10 m。階地上部為砂卵礫石，厚1～10 m，下伏為凝灰?guī)r、安山巖。導流兼泄洪洞靠近岸邊布置，溢洪洞布置在導流兼泄洪洞外側，出隧洞后都布置有消力池和一段明渠，消力池加明渠長220～280 m，為深挖方渠道。各泄水建筑物出口明渠軸線與河道走向夾角為45°～60°，該處河道寬度約75 m，河床表層為河床沖積砂卵礫石層，厚2～3 m，下伏基巖為凝灰?guī)r、安山巖，塊狀結構，強風化帶厚2～5 m，弱風化帶厚10～15 m。

表1 泄水建筑物特性

為滿足導流要求，導流兼泄洪洞出口高程較低，出口明渠較長。經(jīng)過各種消能方案的經(jīng)濟技術比較，采用底流消能方案，通過明渠將水流退入河道。表孔溢洪洞出口到Ⅱ級階地高差達51 m且山坡坡度較陡，Ⅱ級階地高程相對較低且距現(xiàn)代河床較遠，出口明渠段較長并距發(fā)電廠房較近，不宜采用挑流消能。表孔溢洪洞消能形式選擇 “臺階式消能+底流消能”方式，表孔溢洪洞出口陡槽段采用臺階式消能，陡槽段下游接消力池，通過明渠將水流退入河道。

2 工程設計特點

2.1 冬季施工

（1）根據(jù)本工程的具體特點及當?shù)貧庀髼l件，壩型采用碾壓式瀝青混凝土心墻壩，總工期可提前6個月，提前8個半月發(fā)電，發(fā)電效益顯著。

（2）通過對瀝青混凝土心墻冬季施工可行性專題論證研究，碾壓式瀝青混凝土心墻可在-25.0℃氣溫下施工，瀝青混凝土上、下層結合良好，結合面和非結合面的密度 （孔隙率）均勻，防滲性能滿足規(guī)范要求。本工程2010年10月底大河截流，2011年11月大壩填筑到頂，碾壓式瀝青混凝土心墻壩的冬季施工經(jīng)驗，為西北寒冷地區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻壩的推廣應用創(chuàng)造了條件。

2.2 壩型選擇

左岸山體高陡，相對高差200～300 m，岸坡坡度50°～70°，卸荷裂隙發(fā)育并已產(chǎn)生傾倒變形。因此，采用受左岸山體影響較小的碾壓式瀝青混凝土心墻壩壩型。

2.3 泄水、引水建筑物布置

由于左岸卸荷裂隙發(fā)育，卸荷帶較寬并已產(chǎn)生傾倒變形，為避免左岸山體傾倒變形體對泄洪及發(fā)電引水建筑物造成危害，建筑物均布置在右岸。

2.4 消能工

表孔溢洪洞出口到Ⅱ級階地高差達51.0 m且山坡坡度較陡，Ⅱ級階地高程相對較低且距現(xiàn)代河床較遠，出口明渠較長并距發(fā)電廠房較近，表孔溢洪洞消能形式選擇 “臺階式消能+底流消能”方式。

2.5 抗震措施

在樞紐布置及建筑物設計時，采取了以下抗震工程措施：

（1）由于左岸山體較陡，卸荷裂隙發(fā)育并已產(chǎn)生傾倒變形，故壩體設計時采用受左岸山體影響較小，抗震性能較好的碾壓式瀝青混凝土心墻壩。

（2）導流兼泄洪洞和發(fā)電洞進口進水塔身采用抗震性能好的箱筒式結構。塔體下部大體積部分鑲嵌在弱風化巖石內(nèi)，塔身左、右兩側和下游側在一定高度范圍內(nèi)閘井與開挖邊坡之間采用混凝土回填。

（3）泄水建筑物的布置和設計具備在緊急情況下 （震前或震后）緊急降低庫水位的能力。

（4）在壩下游布置環(huán)形上壩道路，即在壩下游壩坡布置 “之”字形上壩道路；在壩下游右岸布置岸坡道路可到達泄洪洞進口閘井、發(fā)電洞進口進水塔和壩頂，并與壩坡 “之”字形道路形成環(huán)路，確保特殊情況時的交通暢通。

3 結語

（1）根據(jù)樞紐區(qū)的地形地質(zhì)條件、地層巖性及天然建筑材料，選擇了碾壓式瀝青混凝土心墻壩壩型。該壩型抗震性能較好，施工簡單；對左岸高陡邊坡擾動較小，并可避免左岸山體傾倒變形體對大壩造成危害；防滲性能較好。

（2）通過對碾壓式瀝青混凝土冬季施工可行性專題論證研究，碾壓式瀝青混凝土心墻可在-25.0℃氣溫下施工，瀝青混凝土上、下層結合良好，結合面和非結合面的密度 （孔隙率）均勻，防滲性能滿足規(guī)范要求。

（3）本工程碾壓式瀝青混凝土心墻壩冬季施工，使該工程提前8個半月發(fā)電，總工期提前6個月。提前發(fā)電產(chǎn)生的經(jīng)濟效益十分顯著。碾壓式瀝青混凝土心墻壩的冬季施工經(jīng)驗，為西北寒冷地區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻壩的推廣應用創(chuàng)造了條件。

（4）表孔溢洪洞采用 “臺階式消能+底流消能”組合消能方式，解決了表孔溢洪洞出口距現(xiàn)代河床較遠，高差較大，出口明渠較長并距離發(fā)電廠房較近的難題。