新疆狹窄河谷當(dāng)?shù)夭牧蠅侮P(guān)鍵技術(shù)研究

王恩輝

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

新疆SMTS水電站位于河流出山口狹窄河谷段，正常蓄水位1930 m，總庫(kù)容1.298×108m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，屬大(2)型工程，壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。擋水壩采用混凝土面板砂礫-堆石壩，最大壩高101 m，其中底部高趾墻最大高度31.5 m，壩長(zhǎng)141.3 m，寬高比1.3，為1級(jí)建筑物；樞紐布置利用左岸Ⅴ級(jí)階地凸出山脊分高程分別布置導(dǎo)流兼深孔泄洪洞、發(fā)電洞和岸邊表孔溢洪道；發(fā)電廠房布置于壩軸線下游約780 m處的Ⅱ級(jí)階地上。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000 a一遇。

1.2 地形、地質(zhì)條件

壩址區(qū)位于河流出山口的峽谷河段，河谷呈基本對(duì)稱“V”形，長(zhǎng)約1.0 km，為河流深切Ⅴ級(jí)階地形成，兩岸地勢(shì)南高北低，峽谷上游段300 m左右范圍，兩岸地勢(shì)均較高，左岸高程在1935.00 m～1940.00 m之間，右岸高程在1955.00 m～1970.00 m之間；上游300 m之后左岸地勢(shì)驟降，右岸雖地勢(shì)較高，高程在1945.00 m～1965.00 m之間，但河谷已逐漸變寬，并且兩岸覆蓋層較厚。壩址區(qū)域左岸山體雄厚，岸坡較陡，坡度多在40°～80°，局部為陡坎，基巖裸露，山頂高程1915.00 m～1936.00 m；右岸山體高陡，坡度多在50°～85°，局部近直立，基巖裸露，山頂高程1965.00 m～1970.00 m；壩址現(xiàn)代河床寬8 m～16 m，正常水位1930 m高程處，谷寬約116 m。出露巖性單一，巖性為華力西中期第二次侵入次黑云母花崗巖類。

2 混凝土面板堆石壩

本工程為降低河谷底部趾板開(kāi)挖和澆筑難度，將壩體底部約1/3高度岸坡趾板采用河床高趾墻代替，同時(shí)借鑒瀝青心墻壩設(shè)計(jì)理念，將上游圍堰與上游壩體相結(jié)合，高趾墻兼作圍堰防滲墻。高趾墻最大高度31.5 m，頂寬3 m，最大底寬8 m，上游側(cè)為垂直坡，下游坡度1∶0.172，墻體縱向10 m設(shè)一條垂直伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)銅止水，基礎(chǔ)位于基巖上[1]。并對(duì)底部基巖進(jìn)行固結(jié)和帷幕灌漿，帷幕控制標(biāo)準(zhǔn)為3 Lu。在趾墻頂部與趾板之間設(shè)置3.0 m寬水平連接板，以協(xié)調(diào)高趾墻與趾板間的不均勻沉降[2]。

上游圍堰與壩體結(jié)合在縮短混凝土面板向上游的延伸距離，解決狹窄河谷中趾板布置的復(fù)雜性同時(shí)，增強(qiáng)施工期導(dǎo)流調(diào)蓄能力并降低了場(chǎng)內(nèi)道路布置難度。

3 泄水建筑物體型設(shè)計(jì)

泄水建筑物布置軸線、消能方式、水流入河角度等條件決定著建筑體型的結(jié)構(gòu)型式。本工程結(jié)合壩址區(qū)地質(zhì)地形條件，將導(dǎo)流兼深孔泄洪洞和岸邊溢洪道均布置在壩體左岸，導(dǎo)流兼深孔泄洪洞采用一次建成，施工期承擔(dān)導(dǎo)流，運(yùn)行期承擔(dān)泄洪、沖砂和應(yīng)急放空功能。由于泄洪水頭高、泄量大，泄洪建筑物均采用挑流消能型式，同時(shí)由于河谷狹窄，挑流水舌如何不對(duì)岸坡基巖造成破壞和充分消能后不對(duì)下游發(fā)電廠房造成影響，成為工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3.1 溢洪道體型設(shè)計(jì)

溢洪道設(shè)計(jì)泄量402.75 m3/s，校核泄量537.78 m3/s，受岸坡地形限制進(jìn)口控制段軸線與壩軸線夾角90°，緊挨大壩左岸布置。為使溢洪道泄洪水流不對(duì)導(dǎo)流兼泄洪洞的泄洪造成影響，控制段后利用水平緩坡段(流速較低)設(shè)置彎道將泄槽段軸線盡量隨地形走勢(shì)布置，出口緊貼面板壩壩踵，使溢洪道出口和導(dǎo)流洞出口之間形成150 m原始河道，避免了對(duì)導(dǎo)流兼泄洪洞的泄洪造成影響。挑流入河采用大角度扭曲后順應(yīng)河道走向[3]。

(1)緩坡彎道段：緩坡坡度1/200，總長(zhǎng)70.27 m，其中轉(zhuǎn)彎段長(zhǎng)13.663 m，轉(zhuǎn)彎半徑50 m，轉(zhuǎn)彎角度為15.66°，經(jīng)模型試驗(yàn)測(cè)算最大流速7.6 m/s，如不采取措施輔助措施存在凸岸水流小流量溢出邊墻現(xiàn)象。通過(guò)設(shè)置凸岸貼角、底板設(shè)置斜向?qū)蚩埠驼驅(qū)蚩苍囼?yàn)對(duì)比，確定在彎道末端底板寬度一半設(shè)置3道正向?qū)蚩玻g隔5.0 m，導(dǎo)向坎頂寬0.3 m，高0.6 m，上游垂直，下游坡比1∶1。

(2)陡坡泄槽段：根據(jù)地形走勢(shì)確定陡坡泄槽坡比1∶1.25，長(zhǎng)140 m(斜長(zhǎng))，底寬9 m，槽深10.0 m～5.0 m，采用C25矩形槽整體式結(jié)構(gòu)。為防止發(fā)生水流空蝕及出口水流影響導(dǎo)流洞出口泄流等問(wèn)題，采用臺(tái)階消能，階高1 m，寬1.25 m。模型試驗(yàn)中測(cè)定出泄槽及臺(tái)階陡槽段出現(xiàn)微小負(fù)壓，最大負(fù)壓值不過(guò)-0.69×9.81 kPa，各斷面平均流速不足20 m/s，臺(tái)階的摻氣特性良好，不致產(chǎn)生空蝕破壞。

(3)出口挑流段：壩踵下游至發(fā)電廠房尾水渠入河口段，河谷底寬不足20 m，為使挑坎水流不沖刷岸坡，對(duì)挑流坎部位進(jìn)行轉(zhuǎn)角扭曲，挑流坎采用折線形分流墩直墻挑坎，在泄槽反弧段末端將出口分成兩孔，其中的水流均導(dǎo)向40余度，形成兩個(gè)縱向拉開(kāi)水舌，在空中兩水舌又交匯重疊，落入極其狹窄的河道[3]。

3.2 導(dǎo)流兼深孔泄洪洞體型設(shè)計(jì)

導(dǎo)流兼深孔泄洪洞除滿足施工期導(dǎo)流度汛要求外，還需滿足運(yùn)行期泄洪、排砂、放空的要求。根據(jù)壩址區(qū)的地形地質(zhì)條件，進(jìn)行左岸無(wú)壓洞方案、右岸有壓洞方案和左岸龍?zhí)ь^式三個(gè)方案的布置比選。通過(guò)布置的合理性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行管理便利性等方面綜合比較，選取左岸無(wú)壓洞方案，由引渠段、岸塔式進(jìn)水閘、洞身段、出口挑流段組成，全長(zhǎng)589.363 m。導(dǎo)流兼深孔泄洪洞進(jìn)口底板高程1843 m，最大水頭近90 m，閘井工作弧門存在局開(kāi)震動(dòng)問(wèn)題、洞身段存在高速水流空化、空蝕等問(wèn)題，同時(shí)由于出口河床狹窄，挑流水舌影響兩岸山體的關(guān)鍵問(wèn)題。

(1)進(jìn)水閘井：閘井長(zhǎng)度30 m，布置平板檢修閘門和弧形工作閘門，閘井底板高程1843.00 m，閘頂平臺(tái)高程為1934.50 m，閘井高91.50 m。根據(jù)水工模型試驗(yàn)成果，0+029處設(shè)置通氣槽，深0.45 m，寬1.0 m。檢修閘門孔口尺寸b×h=4 m×6 m，采用平板門，進(jìn)水口前部采用三向收縮。工作閘門采用弧形港閘門，孔口尺寸為滿足施工期導(dǎo)流要求需設(shè)置為b×h=4 m×4.0 m，但運(yùn)行期由于閘前水深大，為滿足泄洪規(guī)模和洞身段無(wú)壓要求需對(duì)閘門進(jìn)行局部開(kāi)啟運(yùn)行，開(kāi)啟范圍在0.1～0.7之間。疆內(nèi)已建類似工程閘門水彈性試驗(yàn)得出開(kāi)度在0.2、0.6、0.8局開(kāi)時(shí)，均會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重閘門振動(dòng)，對(duì)閘井運(yùn)行非常不利。為此決定在施工期維持4.0 m×4.0 m孔口尺寸運(yùn)行，在下閘蓄水之后對(duì)壓坡段及弧門孔口進(jìn)行改建，將工作弧門孔口尺寸4 m×2.5 m，寬度不變，高度方向壓坡段及弧門頂眉進(jìn)行改建，對(duì)已建壓坡段下部增設(shè)鋼襯，采用錨筋將原上部壓坡混凝土與鋼襯進(jìn)行連接，鋼襯與原壓坡之間空腔采用泵送自密實(shí)微膨脹混凝土回填。弧門采用全開(kāi)、全關(guān)的運(yùn)行方式，事故平板門采用動(dòng)水關(guān)閉，靜水開(kāi)啟運(yùn)行方式。

(2)出口挑流段：由于下游河谷狹窄，為滿足挑流水舌挑人河床中心，經(jīng)模型試驗(yàn)分析采用Y型窄縫挑流消能，長(zhǎng)12.5 m。底板迎水面首部接隧洞出口設(shè)0.8 m平直段，后部由兩段圓弧組成，前段圓弧半徑22.427 m，后段圓弧為挑坎反弧段半徑5.0 m，尾部為0.5 m長(zhǎng)1∶1降坡段。斷面由起始端的b×h=4.0 m×8.0 m矩形斷面漸變?yōu)榈讓扽型束窄斷面。Y型束窄斷面底部1.386 m高度為寬1.5 m矩形斷面，上部8.0 m為底寬1.5 m，頂寬4.0 m梯形斷面[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

大壩于2010年初開(kāi)始填筑，2011年11月30日大壩填筑到頂。水庫(kù)于2012年7月28日下午下閘蓄水，目前已運(yùn)行6年，根據(jù)壩體埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得知，壩體最大沉降發(fā)生在壩軸線下游40 m范圍，最大沉降量為492 mm，不足壩高1%，壩體填筑料順軸線方向最大位移量?jī)H為25 mm，壩體滲水量不足20 L/s，河谷高趾墻斷面選擇合理，壩體填筑質(zhì)量、防滲效果良好。

溢洪道臺(tái)階混凝土表面基本完好，無(wú)空蝕破壞，泄洪時(shí)分流墩將水流拉成兩條水舌，空中交疊，消能充分，未對(duì)岸坡及下游導(dǎo)流洞泄洪造成影響。

導(dǎo)流兼深孔泄洪洞閘門運(yùn)行正常，未發(fā)生震動(dòng)破壞和閘體混凝土開(kāi)裂破壞，出口Y型挑坎對(duì)水流控制較好，未對(duì)岸坡及下游廠房運(yùn)行造成影響。

通過(guò)對(duì)本工程壩體及泄水建筑物布置及體型的研究，不僅為該工程的設(shè)計(jì)、施工提供了可靠依據(jù)，其研究成果也加深對(duì)類似面板砂礫堆石壩壩體結(jié)構(gòu)及岸邊泄水建筑物體型選擇的深入研究。