淺析引子渡峽谷拱橋式泵站創(chuàng)新設(shè)計(jì)

馬富強(qiáng)，符昌勝，汪 羅

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 概 述

引子渡水電站工程位于烏江上游南源三岔河的下游，是烏江水電基地中的一個(gè)梯級(jí)電站，工程以發(fā)電為主，壩址以上集雨面積6422 km2，水庫(kù)正常蓄水位及設(shè)計(jì)洪水位均為1086 m，死水位1052 m，校核洪水位1091.09 m，總庫(kù)容5.31億m3。電站總裝機(jī)容量36萬(wàn)kW，年均發(fā)電量9.78億kW·h。

引子渡提水工程是貴陽(yáng)市和貴安新區(qū)供水安全和城市可持續(xù)發(fā)展的重要配置水源，工程擬在引子渡電站庫(kù)區(qū)右岸大寨村附近新建兩級(jí)泵站[1](一級(jí)穿洞泵站、二級(jí)楓香田泵站)，從庫(kù)內(nèi)提水至高位水池，自流進(jìn)入秀洞河，經(jīng)由秀洞河流入石朱橋水庫(kù)后進(jìn)入紅楓湖(貴陽(yáng)市、貴安新區(qū)重要水源點(diǎn))。一級(jí)穿洞泵站距離引子渡水庫(kù)大壩約10 km，位于主河道右側(cè)，設(shè)計(jì)提水流量2.25 m3/s，年可提水量6060萬(wàn)m3，泵站裝機(jī)容量8000 kW，是引子渡提水工程的首部建筑物。

2 泵站型式的確定

綜合考慮引子渡提水工程供水對(duì)象的重要性、水質(zhì)要求、后期擴(kuò)容要求、施工風(fēng)險(xiǎn)的可控性等，穿洞泵站站址選擇位于引子渡庫(kù)區(qū)中部右岸水跳巖支流上，緊鄰匯口處。泵站采用庫(kù)內(nèi)取水，水庫(kù)消落水深34 m，結(jié)合泵站布置和水泵類型，可選擇多種泵站型式[2]，在項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)綜合比選了浮船式泵站[3]、庫(kù)岸井筒式泵站、岸坡地下式泵站、庫(kù)內(nèi)排架式泵站、庫(kù)岸豎井式泵站、峽谷拱橋式泵站6種泵站型式。綜合考慮侵占航道影響、施工難度、投資造價(jià)、對(duì)自然風(fēng)景區(qū)影響、工程耐久性和運(yùn)行期的維護(hù)管理等多方面因素，最終確定選用峽谷拱橋式泵站(泵型為立式長(zhǎng)軸泵[4])。

3 泵站地形地質(zhì)條件

穿洞泵站所在位置為溶蝕峽谷地貌，河谷走向約N60°W，為橫向“U”形谷，河谷底部高程約1049 m，寬約30 m。底部地形平緩，兩岸地形下陡上緩。河床覆蓋層由湖積淤泥質(zhì)黏土、沖洪積砂卵礫石、含碎石砂質(zhì)土及少量崩塌堆積碎塊石組成，成分較雜，推測(cè)厚3～8 m左右，兩岸基巖多裸露，覆蓋層零星分布，為含碎石黏土，一般厚0～2.5 m。基巖巖性為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1 m)灰色、深灰色中厚層至厚層塊狀?yuàn)A薄層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。未發(fā)現(xiàn)較大地質(zhì)構(gòu)造通過(guò)，為單斜地層，巖層產(chǎn)狀為318°∠21°，傾下游稍偏右岸，節(jié)理裂隙發(fā)育，隱型溶溝溶槽發(fā)育，強(qiáng)溶蝕風(fēng)化帶、強(qiáng)卸荷帶巖體厚4～8 m，弱溶蝕風(fēng)化帶、弱卸荷帶巖體厚10～25 m不等。

泵站兩側(cè)邊坡為橫向坡，自然邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯的不良地質(zhì)現(xiàn)象，順河谷向卸荷裂隙發(fā)育，局部巖體風(fēng)化較深。地下水類型主要為巖溶裂隙水。

4 泵站設(shè)計(jì)

4.1 廠區(qū)布置

穿洞泵站廠區(qū)布置由主廠房、副廠房、主變場(chǎng)、出水管道和進(jìn)廠公路組成。結(jié)合水跳巖支流匯口附近地形地質(zhì)條件，泵站主廠房布置于穿洞埡口至主河道河谷段的最窄處，距離上游支流匯口約220 m。副廠房位于橋北端左側(cè)，基礎(chǔ)面為坡面開(kāi)挖形成，底板高程1093.50 m，副廠房西北端為主變場(chǎng)，副廠房、主變場(chǎng)與山體之間設(shè)4 m運(yùn)輸通道。進(jìn)廠公路從附近的大寨村引入，與拱橋北端右側(cè)相接。泵站出水管道沿廠房?jī)蓚?cè)引出，在廠房北側(cè)下彎至廠區(qū)平臺(tái)高程以下采用埋管鋪設(shè)，在拱橋北端合并后向東沿山體坡面鋪設(shè)，末端接高位水池。

4.2 主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 主廠房上部拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泵站主廠房結(jié)構(gòu)型式設(shè)置為拱橋式，下部采用拱橋結(jié)構(gòu)，拱上結(jié)構(gòu)采用空腹式結(jié)構(gòu)，腹孔布置為拱式。泵型采用長(zhǎng)軸深井泵，共8臺(tái)(6用2備)，裝機(jī)容量8×1000 kW。泵站長(zhǎng)軸深井泵泵軸長(zhǎng)度超過(guò)40 m，為了保證水泵安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)采用外套鋼管對(duì)泵管進(jìn)行保護(hù)，頂部采用止推環(huán)固定在主拱結(jié)構(gòu)上，下部采用折線拱進(jìn)行水平約束。

參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[5]3.4.3條第4款的規(guī)定，無(wú)鉸拱拱腳允許被設(shè)計(jì)洪水淹沒(méi)，本橋單跨跨徑62.5 m，屬于大橋(規(guī)范JTG D60—2015中1.0.5條)，參考規(guī)范JTG D60—2015中3.2.9條，設(shè)計(jì)洪水頻率取1%(與穿洞泵站洪水頻率一致)。引子渡電站水庫(kù)洪水頻率1%時(shí)的水位為1086.860 m，拱橋拱腳高程1077.811 m，拱腳洪水埋深9.049 m<2/3凈矢高9.260 m，拱頂?shù)酌娓叱?091.700 m，距洪水位4.84 m，符合規(guī)范JTG D60—2015中3.2.9條第4款拱腳被洪水淹沒(méi)的要求。結(jié)合拱橋淹沒(méi)要求，同時(shí)兼顧水庫(kù)正常蓄水位時(shí)橋下通過(guò)小型游船的需求，穿洞泵站主拱拱底高程取1091.700 m，加上1.5 m拱厚和0.3 m鋪裝層厚，泵站平臺(tái)高程1093.500 m。

對(duì)于泵站拱橋結(jié)構(gòu)采用了有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力計(jì)算，根據(jù)《三岔河引子渡提水工程穿洞泵站拱橋結(jié)構(gòu)計(jì)算與研究報(bào)告》[6]計(jì)算分析，考慮到上部泵站機(jī)組運(yùn)行的振動(dòng)，拱橋橋體采用C40鋼筋混凝土板拱，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)1.7，主拱凈跨62.5 m，凈矢高13.889 m，矢跨比1∶4.5，主拱厚1.5 m，主拱寬度結(jié)合上部主廠房結(jié)構(gòu)取17.0 m。拱上結(jié)構(gòu)采用空腹式結(jié)構(gòu)，腹孔布置為拱式，腹孔跨徑為3 m，腹孔混凝土采用C30。根據(jù)動(dòng)力結(jié)構(gòu)計(jì)算分析建議，主拱圈與拱上結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)[7]，因此拱上泵站平臺(tái)采用橡膠支座置于拱身支撐之上，每個(gè)支承面面積為2 m×17 m，布置8組橡膠支座。

穿洞泵站采用長(zhǎng)軸深井泵取水，水庫(kù)死水位1052 m，目前取水位置淤積高程約為1049 m(已淤積14 a)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范水庫(kù)再運(yùn)行50 a，計(jì)算其淤積高程為1050.37 m。根據(jù)水機(jī)專業(yè)要求，水泵最低點(diǎn)位于取水最低水位以下1.5 m，因此水泵底部高程取1050.5 m，高于50年淤積高程，滿足取水要求。

主廠房長(zhǎng)78.155 m，寬17 m，布置8臺(tái)長(zhǎng)軸深井泵，采用兩排布置，排間距5 m，出水管分別向兩側(cè)伸出主廠房后接出水管道。為了在水庫(kù)高水位時(shí)為穿過(guò)拱橋的游船留出通道，靠近河床中線的機(jī)組間距取11 m，靠?jī)砂镀路较驒C(jī)組間距取5 m。結(jié)合水泵安裝位置，廠房主安裝間布置與副安裝間分別布置在主機(jī)間兩側(cè)，且對(duì)稱布置，對(duì)下部拱橋結(jié)構(gòu)受力有利。

為適應(yīng)下部拱橋結(jié)構(gòu)變形，廠房縱向不設(shè)聯(lián)通的縱梁，同時(shí)為了保證結(jié)構(gòu)一定的縱向剛度，縱向18榀排架均勻布置7組雙排架頂部連接。泵站位于斯拉河省級(jí)風(fēng)景區(qū)，為融入斯拉河省級(jí)風(fēng)景區(qū)自然環(huán)境，泵站墻外立面及屋頂結(jié)構(gòu)外觀均采用了具有少數(shù)民族特色的建筑風(fēng)格，泵站與自然景觀渾然一體，很有可觀賞性。

拱橋兩端拱座置于中厚層至厚層塊狀?yuàn)A薄層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r的強(qiáng)風(fēng)化底部至弱風(fēng)化上部，基礎(chǔ)開(kāi)挖高程1074.500 m，長(zhǎng)19.0 m，左岸拱座寬7.0 m，右岸拱座寬8.0 m，高均為6.7 m，采用C25鋼筋混凝土，拱端部分設(shè)C35鋼筋混凝土C25拱座臺(tái)帽。

按照《烏江索風(fēng)營(yíng)、引子渡、小興浪、阿珠四庫(kù)區(qū)航運(yùn)建設(shè)工程環(huán)境影響報(bào)告書(shū)》[8]通航標(biāo)準(zhǔn)，支流航道通航60客位客船尺度為20.0 m×3.4 m×1.0 m(長(zhǎng)×寬×吃水)，100 t貨船船型尺度為38.0 m×5.0 m×1.2 m(長(zhǎng)×寬×吃水深)。因此在泵站水泵布置設(shè)計(jì)時(shí)，中部取水泵之間設(shè) 9 m寬的小型游船通道，以滿足游船通航要求?？紤]到洪水期間暫不設(shè)游船旅游，因此根據(jù)結(jié)構(gòu)布置游船正常水面高度需小于4.7 m，預(yù)留1 m安全超高。

4.2.2 主廠房下部折線拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

穿洞泵站長(zhǎng)軸深井泵泵軸長(zhǎng)度超過(guò)40 m，經(jīng)方案比選采用折線拱進(jìn)行水平約束。結(jié)合水跳巖支溝埡口地面高程，折線拱拱頂高程取1062.50 m，同穿洞埡口高程，因此不會(huì)因折線拱增加阻航水位范圍。斜拱段坡比取1∶3，左側(cè)拱座基礎(chǔ)高程1057.30 m，左側(cè)拱座基礎(chǔ)高程1058.000 m。折線拱采用板形結(jié)構(gòu)，板厚0.8 m，寬7.8 m，采用C40鋼筋混凝土。護(hù)管穿過(guò)折線拱部分采用柔性材料填充鋼管與開(kāi)孔之間的間隙。

4.3 副廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

副廠房長(zhǎng)度34.98 m，寬10.6 m，為兩層結(jié)構(gòu)，層高均為5 m。副廠房設(shè)8副排架，采用“二四”墻分隔，下層為0.4 kV低壓配電室、無(wú)功補(bǔ)償裝置室和35 kV高壓開(kāi)關(guān)柜室(含10 kV高壓開(kāi)關(guān)柜室)、二層布置中控室、通信室、資料室和休息室。主變場(chǎng)位于副廠房靠北一端，與副廠房直線布置，副廠房和主變場(chǎng)靠山一側(cè)布置4 m寬道路，主變場(chǎng)地坪高程1093.5 m，長(zhǎng)度16.97 m，寬度8.01 m。

4.4 出水管設(shè)計(jì)布置

穿洞泵站出水管道由主廠房引出，沿主廠房?jī)蓚?cè)布置，至橋北端并攏后沿坡面鋪設(shè)，管長(zhǎng)787 m，雙管布置，管材經(jīng)比選采用成品鋼管[9]?？紤]到高洞泵站出水管道位于斯拉河風(fēng)景區(qū)內(nèi)，因此出水管道采用埋管型式，以減少景觀影響。

管道混凝土包管，混凝土回填厚度0.6 m，管槽坡度>30°部分，表面設(shè)臺(tái)階凹槽，便于后期植被覆蓋，在管槽坡度<30°部分采用土石回填上部土石回填厚度≥0.7 m，穿過(guò)耕地部分另外增加耕植土回填厚度；管道穿越公路部分，采用鋼筋混凝土包管，上部按原標(biāo)準(zhǔn)路面恢復(fù)。根據(jù)管道鋪設(shè)施工要求，管槽開(kāi)挖底寬4.2 m，兩側(cè)邊坡1∶0.75，鋼管底部距離管槽0.6 m，鋼管凈距0.8 m，中心距1.9 m。鋼管壁厚在下部高水頭部分取12 mm，上部水頭較低部分取10 mm，鋼材為Q345C。根據(jù)光面管抗外壓穩(wěn)定計(jì)算，滿足抗外壓0.2 MPa要求，但根據(jù)結(jié)構(gòu)布置加勁環(huán)，間距6 m。出水管道末端接高位水池。

5 結(jié) 論

綜合考慮了多種因素，引子渡提水工程一級(jí)穿洞泵站，采用了拱橋式泵站結(jié)構(gòu)，避免了其他類型泵站帶來(lái)的侵占航道、施工難度大、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)高、工程耐久性差、運(yùn)行管理復(fù)雜和對(duì)斯拉河省級(jí)風(fēng)景區(qū)影響程度大的諸多現(xiàn)實(shí)性問(wèn)題。另外拱橋式結(jié)構(gòu)對(duì)地形地貌的適應(yīng)能力強(qiáng)、跨越能力大，構(gòu)造簡(jiǎn)單，節(jié)省材料和空間，且能耐久、易養(yǎng)護(hù)、外形美觀,對(duì)于類似建設(shè)條件的工程項(xiàng)目，具有廣泛推廣使用價(jià)值。