新疆大石門水利樞紐建筑物工程布置及關(guān)鍵技術(shù)

郝永志

淵新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)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(wù)院172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程和2015年國家新開工的27項(xiàng)重點(diǎn)水利工程之一，項(xiàng)目總投資19.6億元，是一項(xiàng)承擔(dān)防洪、發(fā)電和灌溉任務(wù)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(diào)節(jié)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(qū)34.14萬畝（1畝=1/15 hm2）耕地的灌溉用水要求，可將下游防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)由現(xiàn)狀的不足3年一遇提高到20年一遇，電站裝機(jī)60 MW，發(fā)電引水流量82 m3/s，年發(fā)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(dǎo)流洞改建，龍?zhí)ь^型式）、發(fā)電引水洞、地面廠房及過魚設(shè)施等組成。工程抗震設(shè)計(jì)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(shè)防烈度最大、壩高最高的瀝青混凝土心墻壩。

二、設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

1.高地震帶瀝青心墻壩

新疆地區(qū)20世紀(jì)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(shù)的發(fā)展，新疆已經(jīng)建設(shè)40多座各類瀝青心墻壩，通過多年的不斷實(shí)踐和科學(xué)總結(jié)，陸續(xù)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(shè)計(jì)等級(jí)高，基本修建在北部嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)。另外2010年啟動(dòng)的自治區(qū)“定居興牧”水利工程中確定立項(xiàng)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(xù)開工建設(shè)，并于2012年全部投入運(yùn)行。

隨著水能資源開發(fā)力度加大，一系列壩高在160 m左右的大壩也正在設(shè)計(jì)規(guī)劃和開工建設(shè)之中。通過20多年的發(fā)展，逐步積累了較為成熟的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。本工程抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度，最大壩高128.8 m，可參考國內(nèi)外已建類似工程經(jīng)驗(yàn)解決壩體抗震問題。

2.古河槽防滲處理

庫區(qū)兩岸地形較高，庫區(qū)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(qū)西側(cè)為托其里薩依河左岸古河道，古河道較寬，進(jìn)口位于壩址庫區(qū)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(jìn)口處寬度為2.8 km，底寬1 km。古河道兩岸基巖出露，河道內(nèi)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(duì)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(nèi)并無先例，也無規(guī)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(xì)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(dá)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(shè)

1.總體布置

受地形、地質(zhì)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(jìn)行布置，以盡量減小洞長，節(jié)省投資；為避免洪水期泥沙對(duì)發(fā)電引水的影響，底孔泄洪洞進(jìn)口與發(fā)電洞進(jìn)口聯(lián)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(zhuǎn)河道內(nèi)；導(dǎo)流洞根據(jù)底孔泄洪洞軸線布置，底孔泄洪洞在進(jìn)口閘井后通過龍?zhí)ь^方式與導(dǎo)流洞結(jié)合；發(fā)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(nèi)。在左岸壩頂高程2 300 m沿壩軸線方向，設(shè)570 m（樁號(hào)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(shè)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(shè)計(jì)

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(jù)本工程筑壩材料（砂礫料）的性質(zhì)及三維有限元計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合工程區(qū)地震烈度高的特點(diǎn)，參照設(shè)計(jì)規(guī)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(shè)2 m寬馬道，上游圍堰與壩體結(jié)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(yùn)行期的交通問題，在下游坡設(shè)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(shè)200 mm厚鋼筋混凝土板，護(hù)坡板分塊尺寸為5 m×5 m，錯(cuò)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(hù)坡；上游壩坡采用素混凝土護(hù)坡，護(hù)坡厚0.3 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，抗?jié)B等級(jí)為W6，抗凍等級(jí)為F300。

瀝青混凝土心墻防滲體軸線偏向上游側(cè)，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(jù)規(guī)范規(guī)定及參考有關(guān)工程類比，確定瀝青混凝土心墻寬度由頂厚0.6 m采用臺(tái)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(tái)階式漸變?yōu)?.6 m。瀝青混凝土心墻與基座間鋪設(shè)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?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，抗?jié)B等級(jí)為W8，抗凍等級(jí)為F100。心墻基座每8 m設(shè)一道伸縮縫。

3.泄水建筑物設(shè)計(jì)

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(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，設(shè)計(jì)泄量Q=1 359 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)充分利用導(dǎo)流洞所需的泄流斷面，以節(jié)省工程投資；表孔應(yīng)有一定超泄能力，在非常運(yùn)行水位時(shí)，其泄量應(yīng)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(dān)泄洪和排漂任務(wù)的功能。由于底孔與導(dǎo)流洞結(jié)合布置，因此底孔在施工期除滿足導(dǎo)流要求外，在運(yùn)行期還需滿足泄洪、排沙、水庫放空及發(fā)電洞進(jìn)口“門前清”的要求。

表孔溢洪洞布置在右岸，溢洪洞進(jìn)口堰頂高程2 291 m，設(shè)計(jì)洪水位2 300 m，設(shè)計(jì)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(hù)坦段組成，總長542 m?？刂贫尾捎肳ES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?biāo)鞣较蜷L20 m，邊墻頂部高程2 305 m，側(cè)墻高18 m，C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；控制段內(nèi)設(shè)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(dǎo)流洞部分軸線一致，采用 “龍?zhí)ь^”方式與導(dǎo)流洞結(jié)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(jìn)口引渠段、閘井段、洞身段（漸變段、渥奇段、反弧段、連接段、結(jié)合段）、挑流鼻坎段及護(hù)坦段組成。

4.引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物設(shè)計(jì)

發(fā)電引水系統(tǒng)進(jìn)水口布置于壩體右側(cè)，電站廠房布置于壩后河道右岸。發(fā)電引水系統(tǒng)采用一洞四機(jī)的布置方案。發(fā)電引用流量為82 m3/s，額定水頭84 m。

發(fā)電引水系統(tǒng)全長811.304 m，由引渠段、進(jìn)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(jìn)口閘井段布置為岸塔式進(jìn)水口，進(jìn)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(shè)清污機(jī)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(shè)置迭梁進(jìn)水口一道，共三孔，迭梁門孔口尺寸為4 m（寬），設(shè)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(shè)平板事故門一道，一孔，孔口尺寸6 m×6 m。

主廠房內(nèi)布置4臺(tái)15 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，主廠房總長68.9 m，其中安裝間長18.35 m，主機(jī)間長50.55 m。主機(jī)間總高34.3 m，安裝間高24.1 m，機(jī)組間距11.5 m。根據(jù)設(shè)備及結(jié)構(gòu)布置要求，確定廠房上游側(cè)寬9m，下游側(cè)6m，總寬18.8m，主廠房設(shè)1臺(tái)100 t/20橋式起重機(jī)，跨度15 m。

在發(fā)電機(jī)層2 185.6 m高程，上游側(cè)設(shè)有蝶閥吊物孔，靠上游側(cè)排架柱之間分別設(shè)置機(jī)旁屏、調(diào)速器等。水輪機(jī)層高程為2 179.4 m，上游側(cè)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(jī)室、油處理室、透平油庫、通風(fēng)機(jī)室、轉(zhuǎn)子檢修墩等。安裝間上部為發(fā)電機(jī)層高程，可滿足一臺(tái)機(jī)安裝檢修需要，其上布設(shè)轉(zhuǎn)子檢修墩孔、上吊車鋼梯及消防設(shè)施，安裝間右側(cè)布置進(jìn)廠大門，主機(jī)間靠左端墻布置安全疏散門。

5.左岸古河槽防滲處理設(shè)計(jì)

根據(jù)物探資料顯示，水庫左岸出露巖性上部為第四系上更新統(tǒng)砂卵礫石，層厚約為5～8 m；下部為第四系中更新統(tǒng)砂卵礫石，呈青灰～土黃色，結(jié)構(gòu)密實(shí)，泥質(zhì)弱膠結(jié)，厚度約95～208 m；最下部為第四系下更新統(tǒng)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(qū)安全運(yùn)行等問題。

根據(jù)中國水利水電科學(xué)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(jì)算分析研究》報(bào)告的計(jì)算結(jié)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(shè)570 m（樁號(hào)為古0+000 m～古0+570 m）長灌漿廊道，純帷幕灌漿深近200余m?，F(xiàn)場一期、二期灌漿試驗(yàn)已完成，分析壓水試驗(yàn)成果可知，滲透系數(shù)從原來的 6×10-3cm/s降至 1×10-4cm/s，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)“上防下排”的防滲處理形式。

6.升魚機(jī)設(shè)計(jì)

升魚機(jī)的工作原理為：通過在壩后布置誘魚設(shè)施將魚類誘入升魚機(jī)集魚系統(tǒng)內(nèi)，通過提升過壩裝置將集魚池內(nèi)聚集的魚類提升過壩，最終投放至庫區(qū)。大石門水利樞紐工程升魚機(jī)主要構(gòu)筑物包括集誘魚系統(tǒng)及提升過壩裝置。

本工程集誘魚系統(tǒng)布置在電站尾水渠左側(cè)，利用發(fā)電尾水作為系統(tǒng)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(jìn)入升魚機(jī)集魚系統(tǒng)內(nèi)。針對(duì)建筑物的布置特點(diǎn)，采用“誘魚道+軌道運(yùn)輸+回轉(zhuǎn)吊”的運(yùn)輸和過魚設(shè)施來滿足魚類回游過壩，達(dá)到保護(hù)魚類資源的目的。過魚設(shè)施由誘魚道、集魚池、集魚斗、單梁吊、壩后軌道牽引機(jī)、壩前運(yùn)輸臺(tái)車和回轉(zhuǎn)吊等部分組成。其中金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要設(shè)置在集魚池、集魚斗、單梁吊、壩后軌道牽引機(jī)、壩前運(yùn)輸臺(tái)車和回轉(zhuǎn)吊等基礎(chǔ)部分。

四、結(jié) 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(shè)防烈度最大、壩高最高的瀝青混凝土心墻壩，同時(shí)具有目前國內(nèi)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(jī)設(shè)計(jì)在新疆尚屬首創(chuàng)。本文對(duì)新疆大石門水利樞紐各建筑物的設(shè)計(jì)原則、工程布置特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，其諸多設(shè)計(jì)研究均居于國內(nèi)領(lǐng)先地位，希望對(duì)同類工程有所借鑒。 ■