韓江高陂水利樞紐工程設(shè)計與創(chuàng)新

羅子波，李少科

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635)

1 綜述

韓江高陂水利樞紐工程壩址位于廣東省梅州市大埔縣高陂鎮(zhèn)上游約5km處，壩址以上集雨面積26590km2。工程任務(wù)以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、航運等綜合利用。正常蓄水位38.0m，設(shè)計、校核洪水位均為47.44m，防洪庫容2.673億m3，總庫容3.656億m3，電站裝機容量100.0MW，通航最大船舶500t級。

工程等別為二等大(2)型，主要建筑物級別為2級，設(shè)計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為1000年一遇，次要建筑物為3級，設(shè)計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為200年一遇，導(dǎo)流洪水標準為10年一遇。

樞紐建筑物主要有泄水閘、排漂閘、電站廠房、船閘、魚道和兩岸連接碾壓混凝土重力壩，壩頂高程49.0m，壩頂長698.5m；施工采用兩期四段先圍船閘的導(dǎo)流方式。

工程建設(shè)征收土地總面積34162畝，搬遷移民994戶4112人，拆遷房屋15.5萬m2，共設(shè)6個移民集中安置點。施工總工期66個月，總投資59.19億元。

2015年10月，水利部批復(fù)《初步設(shè)計報告》，工程于2015年11月開工建設(shè)。目前，一期工程的左岸重力壩、船閘、10.5孔泄水閘等建筑物基本完成，2018年10月將拆除圍堰過流，開始建設(shè)二期工程的7.5孔泄水閘、排漂閘、魚道、電站廠房、右岸重力壩等建筑物。

2 工程設(shè)計

2.1 地形地質(zhì)條件

壩址區(qū)屬于低山丘陵地貌，所在河段呈“︹”形，壩址位置河段較順直，兩岸分布不對稱的一級沖積階地，上游河道在壩址上游約300m處向西南向拐彎，下游河道在壩址下游約850m處向東南向拐彎，河床縮窄較大，無階地分布，河床寬僅260m。壩址處左岸階地寬約60m，右岸階地寬120m，河床寬約400m，河床面高程約25m。河床沖積層厚度9～37m，總體由左至右逐漸變厚。

基巖為中粗粒花崗巖，兩岸全風化花崗巖3～14m，河床部位大部分為全風化帶，僅F12和f23斷層附近有分布，厚度5～9m。強風化巖分布、發(fā)育主要受斷層控制，以F12斷層為界，左側(cè)河床至左岸，強風化巖厚1～4m，右河床至右岸厚5～10m，斷層附近厚度大一些。弱風化巖頂面高程以F12斷層為界，左側(cè)河床較高，高程7～14m，右側(cè)河床較低，高程-7～2m。

F12斷層是壩址區(qū)主要的工程地質(zhì)問題，由3條斷層組成，寬15～20m，由角礫巖、糜棱巖組成，斷層均嚴重蝕變，上、中、下斷層間夾強風化花崗巖，巖石破碎，強度低。

2.2 樞紐布置

樞紐主要建筑物有泄水閘、排漂閘、電站廠房、船閘、魚道以及兩岸連接重力壩，壩頂總長698.5m，建筑物布置需有一定的寬度和順直河段的長度。根據(jù)歷次規(guī)劃論證，壩址位于急彎束窄呈“︹”形的河段上，壩線可選范圍十分有限。經(jīng)綜合比較所選的壩線位置河段相對順直，河谷呈平寬“U”形，河床寬僅約400m，階地寬60～120m，樞紐建筑物布置較為困難。

在選定壩線的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形條件，樞紐布置遵循泄水閘行洪順暢、盡量保持原河道走勢，避免對岸坡沖刷，電站廠房進出口流態(tài)較好、水頭損失較小，船閘需有足夠長且順直的河道、上下游口門區(qū)流態(tài)較好、流速較小，魚道進口有經(jīng)常性水流、避免外部干擾，投資較小等因素。經(jīng)綜合比較，為滿足過流能力、控制上游水位壅高、減少下游沖刷，泄水閘布置于河床中央；為避免電站尾水對船舶通航的影響及相互干擾，電站廠房與船閘分別布置在泄水閘兩側(cè)，結(jié)合地形考慮兩側(cè)河道的順直長度、航道銜接、投資等因素，將船閘布置在泄水閘左側(cè)，廠房布置在右側(cè)；由于電站廠房尾水為經(jīng)常性水流，是魚類的集群地，魚道布置在電站廠房旁；根據(jù)兩岸地質(zhì)條件和建筑物彼此之間的銜接，兩岸均采用碾壓混凝土重力壩連接。

2.3 泄水閘

泄水閘最大下泄流量21980m3/s，規(guī)模按宣泄20年一遇洪水恢復(fù)天然確定，以減少庫區(qū)永久淹沒。根據(jù)水庫運行調(diào)度原則，發(fā)生超過20年一遇而小于1000年一遇洪水時，通過閘門開度進行控泄，以發(fā)揮水庫防洪功能。

泄水閘共18孔，為寬頂堰，右側(cè)布置一孔排漂閘，凈寬均為14.0m，總寬度336.0m。由于正常蓄水位與校核洪水位之間的落差較大，為降低閘門高度，采用胸墻與閘門共同擋水，孔口高13.5m，胸墻高10m，底流消能。順水流向依次布置護底、閘室、消力池、防沖墻、海漫、防沖槽。閘基置于強風化中下部或弱風化上部花崗巖，最大壩高50m，其中閘室下部為碾壓混凝土溢流堰體，最大堰高26.6m；上游護底長20.0m，厚0.6m；消力池深3.0m，總長度79.0m，末端設(shè)防沖墻，厚0.8m，入強風化巖2m，以防止池底基礎(chǔ)被淘；海漫長100m，末端設(shè)深3.0m的拋石防沖槽。

2.4 電站廠房

電站為低水頭河床式徑流電站，內(nèi)裝4臺貫流式燈泡機組，總裝機容量為100MW；廠房總長123m，跨度24.0m，機組中心間距20.0m。為方便清污、加大過柵斷面、降低過柵流速，以減小水頭損失，提高發(fā)電效益，在進水渠前緣設(shè)置固定式攔污柵，由擋墻連接段、斜線段及導(dǎo)水墻段三部分組成，總長348.7m。

2.5 船閘

船閘規(guī)模為Ⅳ級，為下置式船閘。設(shè)計年通過貨運能力900萬t/a，單向通過能力720萬t/a，客運5萬人/a。

上、下閘首均為整體式結(jié)構(gòu)，口門凈寬均為16.0m，工作門均采用液壓啟閉人字型鋼閘門；閘室采用整體式結(jié)構(gòu)，尺寸為200m×18m×3.5m(長×寬×門檻最小水深)，采用閘底長廊道頂支管分散輸水系統(tǒng)；上、下游引航道采用不對稱式平面布置，總長均為290m，凈寬40m。

2.6 魚道

根據(jù)相關(guān)建筑物布置以及過魚種類的特性，考慮魚類沿岸性洄游的特點，方便魚類洄游能夠較容易找到上溯通道，魚道進口布置在廠房尾水渠下游右側(cè)岸邊，出口布置在廠房左側(cè)，魚槽沿岸邊布置全部為開敞式。從上至下依次布置魚道出口、工作閘門、魚槽、觀察室、進口檢修閘門及魚道進口，總長894.3m，斜坡段縱坡1.6%；為適應(yīng)下游水位變幅，共設(shè)3個進口；進出口及魚槽凈寬均為2.0m，采用組合式橫隔板，設(shè)置表孔和底孔，交替布置。魚槽底部設(shè)置粗底質(zhì)塊石、卵石，側(cè)墻鑲嵌卵石，營造仿天然河道的環(huán)境，方便魚類上溯。

2.7 兩岸連接建筑物

兩岸均采用碾壓混凝土重力壩連接，左岸壩頂長103.0m，最大壩高36.5m；右岸壩頂長133.5m，最大壩高51.0m，壩頂寬7.0m。

2.8 基礎(chǔ)處理

泄水閘、重力壩基礎(chǔ)為強風化或弱風化巖，為提高壩基巖石的完整性、承載能力和加強淺層防滲，進行固結(jié)灌漿，上游2排孔排距均為1.5m，孔深8m，其余強風化基礎(chǔ)采用滿堂紅固結(jié)灌漿，弱風化基礎(chǔ)上下游側(cè)各布置5排，孔排距均為3m，孔深5m，梅花形布置。由于F12斷層破碎、較寬(15～20m)且綠泥石化蝕變嚴重，遇水易散，承載力低，可灌性較差，為提高其承載力及防滲效果，采用回填混凝土塞處理后先進行水泥固結(jié)灌漿，再進行化學(xué)灌漿加固處理。對于其他斷層破碎帶或軟弱結(jié)構(gòu)面則采用混凝土塞和固結(jié)灌漿加深加密處理。

廠房主機間基礎(chǔ)位于沖積層上，承載力較低，不能滿足廠房基礎(chǔ)承載及沉降要求，因此將廠房基礎(chǔ)挖至強風化以下1.0m再換填C15混凝土；安裝間則采用鉆孔灌注樁處理。

船閘上、下閘首底板均置于強風化巖，為增強地基承載力和防滲能力，進行固結(jié)灌漿處理，并對斷層破碎帶進行加密處理；閘室基礎(chǔ)為中粗砂層和全風化層，挖至強風化以下1.0m再換填C15混凝土。

2.9 施工導(dǎo)流

導(dǎo)流設(shè)計洪水標準為10年一遇，相應(yīng)流量11130m3/s，施工洪水峰高量大。根據(jù)樞紐布置特點及地形、地質(zhì)、水文和通航等條件，為盡量降低上游施工期水位，最大限度減少臨時淹沒，經(jīng)充分論證，采用了超常規(guī)的兩期四段先圍左岸船閘的施工導(dǎo)流方案，其中一期一段及二期一段采用全年圍堰，一期二段及二期二段采用枯水期擋水、汛期可過水的過水圍堰。一期一段圍左岸重力壩+船閘+相鄰的3.5孔泄水閘，一期二段圍左岸重力壩+船閘+相鄰的10.5孔泄水閘；二期一段圍右岸重力壩+廠房，二期二段圍右岸重力壩+廠房+魚道+排漂孔+剩余的7.5孔泄水閘。

根據(jù)主體建筑物的布置特點及地形、地質(zhì)條件，為充分利用當?shù)夭牧虾烷_挖棄渣，降低導(dǎo)流費用，除二期二段縱向圍堰為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外，其他一、二期圍堰均采用土石圍堰，堰體采用黏土心墻防滲，基礎(chǔ)采用混凝土防滲墻防滲；最大堰高17.1m，最大堰頂長度1500m。

3 設(shè)計特點與創(chuàng)新

3.1 優(yōu)化選址，創(chuàng)新樞紐運行調(diào)度模式

韓江高陂水利樞紐是韓江下游及三角洲防洪控制性工程，從20世紀50年代開始，經(jīng)歷數(shù)次規(guī)劃研究報批，由于淹沒人口及耕地較多，且梅州市和大埔縣人多地少，移民安置困難，地方難以承受，因此在項目建議書編制后被擱置。

依據(jù)歷次規(guī)劃，水庫壩址不斷上移。若再向上移，將淹沒人口密集的大埔縣三河壩鎮(zhèn)，同時影響梅、汀兩江已建的水電梯級，因此本工程壩址只能在高陂鎮(zhèn)上游局部河段區(qū)間(約5km范圍)進行選擇；同時為減少移民安置，為樞紐建設(shè)創(chuàng)造外部條件，樞紐正常蓄水位只能在36～40m之間進行選擇，正常蓄水位超過40m，水庫淹沒將大幅度增加，這在人多地少的大埔山區(qū)縣來說，難以實現(xiàn)。2009年我院對《廣東省韓江流域綜合規(guī)劃報告》進行修編，研究在滿足防洪、供水任務(wù)的前提下，從減少移民及房屋拆遷角度出發(fā)，提出正常蓄水位由43m降至38m、結(jié)合下游堤防現(xiàn)有的防洪能力優(yōu)化水庫調(diào)度運行的規(guī)劃方案。經(jīng)省政府批復(fù)同意的《廣東省水利“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，將本樞紐列為“十二五”水利重點建設(shè)項目。

根據(jù)工程實際情況，超常規(guī)提出水庫運行調(diào)度方案：一般情況下，電站維持正常蓄水位按徑流式電站運行；在承擔供水任務(wù)時，發(fā)電服從供水按供水要求進行調(diào)度；在承擔防洪任務(wù)時，水庫的防洪庫容設(shè)置在水庫正常蓄水位以上，按臨時淹沒處理。

壩址控制流域面積占韓江流域面積的88%。工程建成后，通過與上游汀江棉花灘水庫聯(lián)合調(diào)度，結(jié)合下游堤防達標建設(shè)，將韓江下游及三角洲的韓江南北堤、汕頭大圍防洪標準由50年一遇提高至100年一遇，上蓬圍、一八圍、蘇溪圍、蘇北圍等堤圍防洪標準由30年一遇提高至50年一遇；通過調(diào)蓄枯水期徑流，與棉花灘水庫、潮州水利樞紐及河口五閘等工程聯(lián)合運用，可有效提高下游及三角洲地區(qū)的供水保證率。

3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，創(chuàng)新全貫通弧門檢修通道

泄水閘采用液壓弧形閘門擋水，其液壓啟閉機支鉸一般固定在閘墩的側(cè)面，需在閘墩一期混凝土中設(shè)置相應(yīng)的圓形二期混凝土孔洞，以安裝液壓啟閉機支鉸。為便于施工、保證質(zhì)量、避免定制圓形異形模板，對傳統(tǒng)的二期混凝土布置進行了優(yōu)化，提出了一種新型弧形閘門的閘墩結(jié)構(gòu)，該技術(shù)已獲國家知識產(chǎn)權(quán)局授予的實用新型專利，專利號為ZL201721372274.9。

對于泄水閘潛孔式弧形閘門，一般在不影響閘門啟閉、泄流的情況下，為滿足檢修圍護需要，在閘墩和胸墻上設(shè)置混凝土或者鋼結(jié)構(gòu)爬梯等作為檢修通道。為提高檢修通道安全度、易施工、方便檢修、不影響外觀，提出一種新型水閘縱向全貫通檢修通道，即在閘墩內(nèi)布置豎向或斜向進人孔，下至貫穿閘墩的檢修廊道，廊道與兩側(cè)的胸墻下游側(cè)門楣梁頂?shù)目v向通道相連且同高程，從而將所有閘孔縱向全貫通，該通道不僅外觀簡潔、投資省，且閘門開啟后仍能使用，大大方便滿足運行檢修圍護的需要。該“新型水閘縱向全貫通檢修通道”正申請國家發(fā)明專利，專利申請?zhí)枮?01711027000.0。

3.3 創(chuàng)新施工導(dǎo)流方案，減少施工期臨時淹沒

根據(jù)樞紐布置特點及地形、地質(zhì)和水文等條件，施工采用河床內(nèi)分期導(dǎo)流方案。由于河床狹窄，施工洪水峰高量大，經(jīng)計算，施工導(dǎo)流期間導(dǎo)流設(shè)計洪水位高于樞紐設(shè)計正常蓄水位，將產(chǎn)生施工期臨時淹沒損失。

為降低施工期水位，經(jīng)綜合比較論證有關(guān)施工導(dǎo)流方式，采用了兩期四段先圍船閘方案，即一、三段采用全年洪水圍堰，二、四段采用枯水期圍堰擋水、汛期可過水的圍堰，將施工期最高設(shè)計洪水位從40.7m降至39.5m，減少臨時淹沒人口806人，并相應(yīng)減少淹沒房屋，有利于施工期的社會穩(wěn)定。

3.4 開展急彎束窄河道樞紐區(qū)流態(tài)及通航條件研究

工程壩址區(qū)域河道彎曲，壩址下游河道縮窄較大，地形復(fù)雜，工程施工期采用河床內(nèi)分期導(dǎo)流方案，河床束窄度高，運行期泄水閘下泄流量大、消能防沖要求高，并有發(fā)電、通航、過魚要求，施工期和運行期水流條件復(fù)雜。為探究河道水流流態(tài)對工程施工期、運行期建筑物及通航的影響，開展了急彎縮窄型河道樞紐區(qū)流態(tài)及通航條件的研究，主要包括樞紐區(qū)流態(tài)、通航條件、過魚條件及施工導(dǎo)流研究等。

通過水力數(shù)學(xué)模型分析和水力物理模型試驗研究，比較完整、系統(tǒng)地研究了樞紐區(qū)在施工期、運行期的流態(tài)和通航條件，為樞紐工程設(shè)計、施工及運行管理提供科學(xué)依據(jù)，并對相關(guān)建筑物進行了優(yōu)化設(shè)計。

3.5 開展外摻MgO厚層碾壓混凝土快速筑壩技術(shù)研究與應(yīng)用

目前，國內(nèi)外碾壓混凝土RCC筑壩技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)成熟，但RCC筑壩一般采用薄層(壓實厚度一般30cm)碾壓，壩體碾壓混凝土層面較多，層面結(jié)合易出現(xiàn)問題，且壩體工程量較大，很難在一個低溫季節(jié)完成，為保證施工進度需在高溫季節(jié)施工，導(dǎo)致溫控措施更為復(fù)雜，增加施工難度和投資。

本工程碾壓混凝土方量約33萬m3，為了減少RCC筑壩技術(shù)存在的不足，開展了外摻MgO厚層碾壓混凝土快速筑壩技術(shù)研究與應(yīng)用。研究內(nèi)容主要包括碾壓混凝土配合比、外摻MgO碾壓混凝土試驗、MgO對碾壓混凝土的補償效應(yīng)、仿真計算、外摻MgO碾壓混凝土厚層碾壓試驗等。通過增加壓實厚度以減少不利結(jié)合面，以加快進度，縮短工期；同時考慮外摻MgO可使混凝土具有微膨脹性，對壩體應(yīng)力有明顯的補償效應(yīng)，起到防裂作用，從而簡化溫控措施，降低工程造價，并推動碾壓混凝土筑壩技術(shù)的發(fā)展。

3.6 注重生態(tài)保護，促進生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展

泄放生態(tài)基流。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及規(guī)劃，生態(tài)環(huán)境流量應(yīng)不小于90%保證率最枯月平均流量和多年平均天然徑流量的10%兩者之間的大值。經(jīng)計算，壩址斷面生態(tài)基流按90%保證率最枯月平均流量確定為117m3/s，樞紐運行中將通過電站、泄水閘等方式確保生態(tài)基流的泄放。

保護、修復(fù)國家Ⅰ級重點保護動物龜?shù)纳?。根?jù)工程運行期對龜資源及其棲息生境的影響分析，工程建設(shè)對龜?shù)脑蕉?、索餌環(huán)境有積極作用，但部分產(chǎn)卵場被淹沒，對庫區(qū)范圍內(nèi)龜?shù)纳钞a(chǎn)生一定的影響。經(jīng)現(xiàn)場查勘和分析研究，結(jié)合龜生境適宜性分析，設(shè)置3個適宜龜進行產(chǎn)卵繁殖的淺灘，以恢復(fù)龜?shù)漠a(chǎn)卵生境。

解決國家Ⅱ級保護動物花鰻鱺洄游通道。工程建成后對花鰻鱺的索餌洄游形成阻隔，為緩解樞紐工程對水生生物洄游魚類的不利影響，解決魚類尤其是國家Ⅱ級保護動物花鰻鱺洄游通道，結(jié)合樞紐實際情況設(shè)置魚道。該魚道為廣東省水利樞紐中第一座魚道。

建設(shè)魚類增殖放流站。結(jié)合物種的數(shù)量分布、人工繁殖技術(shù)成熟程度等因素，對工程引起的魚類資源損失進行補償性放流，將保護對象分為近期放流和遠期放流兩類。增殖放流措施為建設(shè)魚類增殖放流站，增殖放流規(guī)模為60萬尾/年。

3.7 創(chuàng)新移民生產(chǎn)安置方式，保障移民生活長期穩(wěn)定

本工程涉及搬遷移民994戶4112人，設(shè)6個集中安置點。由于安置區(qū)人均耕地較少，調(diào)整土地安置困難；從生態(tài)保護、保障移民生活長期穩(wěn)定、社會長治久安出發(fā)，結(jié)合移民意愿和地方政府意見，移民生產(chǎn)安置采取長期補償方式。將土地補償費和安置補助費中16倍的部分投入電站建設(shè)經(jīng)營運作，每年從電站收益中優(yōu)先于其他債務(wù)資金提取，交由地方政府組織實施長期補償，補償年限從被征地開始至樞紐功能停止及電站報廢為止，不回收本金，其余水田14倍、旱地12倍的部分采取貨幣補償方式。長期補償方式切合實際，在解決群眾溫飽的同時，解放了勞動力，可從事其他行業(yè)，從而帶來其他經(jīng)濟收益，進一步提高生活水平，保障移民生活長期穩(wěn)定，得到移民群眾和各級政府的大力支持。

3.8 創(chuàng)新機制，建立水庫蓄洪運用避洪設(shè)施及補償基金

由于工程征地移民搬遷范圍以外仍有大量人口，且防洪庫容位于正常蓄水位以上，當啟用防洪庫容達到30～100年一遇洪水時，工程蓄滯洪比天然洪水影響的范圍和程度都會增加，給庫區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全帶來威脅和損失，因此為保障庫區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全，建立避洪安置點，分片規(guī)劃臨時避洪路線，購置避洪救生器材，建立洪水預(yù)警預(yù)報制度與系統(tǒng)等設(shè)施，并根據(jù)30年、50年、100年一遇洪水臨時調(diào)洪的淹沒影響，設(shè)立蓄洪運用補償基金，用于人口避洪、房屋受損、耕地及主要專業(yè)項目淹沒等臨時損失補償，以確保社會群眾利益。

4 結(jié)語

韓江高陂水利樞紐工程歷經(jīng)數(shù)十載的前期研究，是2014年國家加快推進水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的172項工程之一，也是韓江下游及三角洲河段防洪、供水兩大體系中的關(guān)鍵控制性水利樞紐工程。設(shè)計過程中，根據(jù)工程客觀條件，本著以最大限度滿足功能要求為前提，從技術(shù)、經(jīng)濟、安全等方面考慮，對水工建筑物布置、施工導(dǎo)流、環(huán)保和移民安置等方面的設(shè)計進行了充分的論證、優(yōu)化和創(chuàng)新，提出了完善的總體設(shè)計方案，目前工程建設(shè)正穩(wěn)步推進。