枢纽布置下工程设计论文

【摘要】本文对地下洞室群的地质条件进行充分分析的基础上，提出了地下厂房厂区防渗排水系统采取自流结合抽排的思路，并通过对多层排水廊道的布置以及对复杂洞室排水的设计，充分考虑地下厂房埋深大的特点提出了厂房厂内排水系统，采取中下层排水先自流排放到底层集水井后用抽水泵集中抽到顶层自流排水廊道与顶层排水一起直接自流排出山体的方案。今天小编为大家推荐《枢纽布置下工程设计论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

枢纽布置下工程设计论文 篇1：

贵州省新寨水库导流洞综合利用与封堵设计

摘要：贵州省赫章县新寨水库大坝为混凝土面板堆石坝，导流洞及放空兼取水建筑物均布置于大坝左岸。根据实际情况，将导流洞、放空建筑物、取水建筑物及生态流量下泄设施结合布置，最大限度地利用了导流洞，在保证工程施工期导流度汛的同时，可以满足水库运行期放空、取水以及下泄生态流量的需求，简化了工程布置，方便工程施工，减少了工程量及施工工期，节省了工程投资，且便于后期运行管理。

关键词：面板堆石坝;导流洞;放空建筑物;取水建筑物;生态流量;新寨水库

中图法分类号：TV551.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.008

0 引 言

對于土石坝、心墙坝、面板堆石坝等柔性坝，为了修筑大坝、溢洪道等枢纽建筑物，需要先期修建挡水的上、下游围堰，利用设置在山体内的导流洞[1]将河水自一旁引至下游，导流洞一般为临时性建筑物，在工程完工后废弃并进行封堵处理。放空建筑物[2]是在大坝需要检修等非常时期需要放空水库而设置的，一般设置于大坝坝体或者两岸山体内，为便于施工和控制，多采用钢管进行水库放空。取水建筑物[3]是指利用从水库或河流引水、提水的水工建筑物，对于水库工程，通常采用库内或者坝身取水塔结合取水钢管进行取水，满足工程取水或者灌溉的需要。另外，为了维持下游生态环境[4]，水库工程还需要合理设置生态流量下泄设施。

在水利工程建设中，为便于控制，避免相互干扰，通常采用导流洞、放空建筑物及取水建筑物单独布置的形式进行工程设计与施工，这样加大了枢纽区各建筑物的布置及施工难度，增加了工程量及投资。有些工程将临时导流洞改造为永久放空洞，有些工程将放空建筑物、取水建筑物及生态下泄设施部分结合布置[5]，但较少有工程将导流洞、放空建筑物、取水建筑物及生态流量下泄设施四者结合布置。本文介绍的贵州省赫章县新寨水库将导流洞、放空建筑物、取水建筑物及生态流量下泄设施结合布置，简化了工程布置，方便施工、节省工期、减少了工程量，降低工程投资761万元，在同类工程中具有较高的推广价值。

1 工程概况

新寨水库位于贵州省赫章县东北部，地处河镇彝族、苗族乡马家寨德卓河上游河段，坝址以上集水面积为10.28 km2，主河道长5.7 km，加权平均坡降为32.5‰，多年平均流量0.131 4 m3/s。水库校核洪水位2 124.27 m，总库容235.03万m3，工程为Ⅳ等小（1）型水库，水库枢纽工程包括：挡水、泄水、取水建筑以及灌溉供水系统。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高39.50 m，坝顶高程为2 124.50 m;单孔开敞式溢洪道宽7 m，布置在左岸坝肩;取水塔布置于左岸坝肩，取水塔后接直径0.8 m的放空钢管，放空钢管采用水平段及竖井段引入左岸山体内的导流洞，穿过永久堵头后于导流洞内明管布置;导流洞出口设置闸阀室，以便控制工程放空、取水以及下泄生态流量。大坝枢纽平面布置见图1。

2 导流洞地质条件

导流洞布置于左岸山体内，全长222.5 m，断面宽3.0 m，高3.5 m，呈城门洞形。导流洞进口前为长20.5 m的引渠，前10 m地表出露主要为第四系残坡积（Qel+dl）黏土夹碎块石，结构松散，后10 m洞段为基岩出露，地层岩性为三叠系下统飞仙关组上段（T1f2）粉砂岩夹泥岩。导流洞洞身段长192 m，地层岩性为三叠系下统飞仙关组上段（T1f2）粉砂岩夹泥岩，洞向与岩层走向从小角度相交（近似水平）渐变为大角度相交（约60°），埋深15～30 m，洞段处在弱风化下部至新鲜岩体中，岩层倾角较平缓，洞室围岩整体稳定性较好，以Ⅲ～Ⅳ类围岩为主。导流洞出口的尾端长10 m，地层岩性为三叠系下统飞仙关组上段（T1f2）粉砂岩夹泥岩，出口洞脸为逆向坡，洞向与岩层走向夹角60°，处在强风化及弱风化岩体中，裂隙较发育，岩体较破碎，完整性较差，局部可能存在塌方、掉块现象。

3 导流洞与取水兼放空隧洞结合布置

新寨水库大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，为满足施工期导流度汛的需要，需设置导流洞。经综合比选，导流洞布置于左岸山体内。为满足工程取水、放空的需要，还需设置取水、放空建筑物。另外，为满足下泄生态流量的要求，需设置生态流量下泄设施。若采用取水兼放空隧洞与导流洞单独设计方案，则需另外布置一条245 m长的隧洞，增加投资761万元。参考同类工程导流洞永临结合经验，本工程采取导流洞与取水兼放空隧洞结合布置的方式以节省工程投资。

将导流洞与取水兼放空隧洞结合布置，则牵涉到如何合理利用原已建导流洞进行工程的取水、放空以及下泄生态流量。为便于放空建筑物的运行期控制，该工程于大坝左岸坝肩设置取水塔，取水塔后设置DN820放空钢管，并采用竖井形式将钢管接入导流洞内，以满足水库放空的需要。在导流洞出口设置闸阀室，闸阀室内放空钢管上接取水管及生态流量管，以满足工程取水及下泄生态流量的需要。同时，导流洞设置了临时封堵措施及永久堵头，可以保证永久堵头的施工质量及防渗效果。

4 导流洞结构设计

新寨水库大坝坝址位于河湾地段，左岸是凸岸，故将导流隧洞布置在左岸，使导流洞洞线最短。导流洞进、出口高程主要考虑尽量减少明挖、底板高程高于常枯水位线等因素，从而使进出口施工受河水影响小。另外，考虑导流洞进口截流时能够顺利过流及防止河道砂石、淤泥进入导流洞等因素，导流洞进口底板高程定为2 092.00 m，出口底板高程定为2 087.00 m，进口明渠长14.5 m，进口闸门井长6 m，导流洞洞身长192 m，底坡2.607%，出口明渠长10 m，进口洞脸、洞身以及出口洞脸根据地形地质条件采取相应支护加固措施。大坝施工期临时度汛标准为20 a一遇洪水，相应洪峰流量Q5%=48.6 m3/s，计算出导流洞断面尺寸为3.0 m×3.5 m（宽×高），导流隧洞断面选择城门洞型，过流断面面积9.65 m2。

5 放空兼取水建筑物设计

5.1 取水塔设计

取水塔布置于溢洪道引渠上游侧的左岸岸坡高程2 112 m开挖平台上，取水塔进水口底板高程为2 112.50 m，塔顶检修层高程为2 125.50 m，塔顶启闭机室高程为2 131.00 m，启闭机室内设拦污栅、事故闸门起吊设备。取水塔设计取水流量为0.094 m3/s（含生态流量），依水流方向布设拦污栅、三椭圆面收缩喇叭口、平板闸门及通风检修井。进口采用椭圆面收缩喇叭口，拦污栅孔口尺寸为1.5 m×2.5 m（宽×高），平面闸门孔口尺寸为1.5 m×1.5 m（宽×高），闸门后设置通风检修井，孔口尺寸为0.8 m×1.5 m（宽×高）。取水塔塔身采用C25常态混凝土，门槽采用C30常態混凝土。

5.2 放空兼取水钢管设计

取水塔后接渐变段（桩号QS000.0～002.0）以便与DN820放空兼取水钢管相接，渐变段长度为2.0 m，由1.5×1.5 m的方形孔渐变为圆形，渐变段后接桩号 QS0+002.0～0+022.0水平段钢管，水平段钢管外包混凝土60 cm;桩号QS0+022.0～0+026.0为转弯、竖井段钢管，竖井段钢管外包混凝土60 cm，放空兼取水钢管通过水平段、转弯段及竖井段接入导流洞内;QS0+024.0～0+030.0为临时堵头段，QS0+030.0～0+040.0为永久堵头段;放空兼取水管穿过堵头后于导流洞内明管布置，按照每6～8 m的间距设置支墩。放空兼取水建筑物剖面见图2。

5.3 出口闸阀室设计

放空兼取水管出口布置阀门室以保护及控制放空管、取水管及生态流量管，闸阀室内放空管上按水流方向依次设置叉管接取水管及生态流量管，其中取水管为DN300 K9级球墨铸铁管，设置DN300活塞阀及DN300偏心半球阀;生态流量管为DN159钢管，设置DN150活塞阀及DN150偏心半球阀;放空管出口设置DN800活塞阀及DN800偏心半球阀用于水库放空。取水管由阀门室下游跨河，连接至右岸灌溉主管。阀门室采用框架结构，底板采用40 cm厚C20混凝土，墙壁为砌体结构。

6 导流洞封堵设计

6.1 导流洞进口临时封堵设计

导流洞进口孔口尺寸3.0 m×3.5 m，底槛高程2 092.00 m，最大设计挡水水头24 m。为减少专业交叉，方便施工，加快工程进度，导流洞进口采用钢筋混凝土预制叠梁门进行封堵。综合考虑施工吊装难度，确定叠梁梁高40 cm，梁厚60 cm，长3.6 m，共13根，其中1根为备用，采用C30混凝土预制梁。

6.2 导流洞永久堵头设计

导流洞堵头布置于QS0+030.0～0+040.0桩号，长度为10.0 m，断面尺寸3.0 m×3.5 m（城门洞型），帷幕轴线贯穿永久堵头，堵头与大坝帷幕灌浆线相交于QS0+035.0桩号，交点距永久堵头上游端点5 m。堵头采用楔形体设计，混凝土强度等级为C20，采用二级配微膨胀混凝土[6]。堵头施工时，需对堵头接触的原衬砌混凝土表面进行凿毛，堵头与隧洞接触面顶拱采用预埋灌浆管进行回填灌桨，灌浆在堵头混凝土达到70%设计强度后进行。

为保证永久堵头混凝土干地施工，确保永久堵头施工质量，结合放空兼取水钢管下弯段布置，在永久堵头上游设置长6 m的临时堵头进行临时挡水，并对临时堵头顶部进行回填灌浆，临时堵头（图3）施工完毕并进行上游导流洞洞身段充水排气后，方可进行永久堵头的施工。

6.3 导流洞堵头排水、排气设计

导流洞洞内排水主要为经常性排水，包括洞身及叠梁门渗水、施工期上游临时挡水围堰渗水、施工用水等。在临时堵头上、下游设置临时黏土草袋挡水围堰，在临时堵头混凝土浇筑期间，临时堵头段之前的洞内各种渗水利用预埋的1根DN300 mm的钢管下排。

为防止临时堵头前洞内充水时挤压空气产生气爆，临时堵头内部设有1根DN150 mm排气钢管。排气管上游延伸至导流洞进口位置，采用直角弯头向上伸至导流洞进口洞顶位置，下游延伸至永久堵头首部，临时堵头上游导流洞洞身段充水时，其内部空气可自排气管排出（图4）。

7 结 语

新寨水库工程结合实际情况，将导流洞、放空建筑物、取水建筑物及生态流量下泄设施四者结合布置，简化了工程布置，减少工程量，方便施工，达到了加快工程进度、节省投资的目的。

（1）工程前期设计时，应结合实际地形地质条件，导流洞设计应优先考虑永临结合，充分利用已建导流洞进行工程的放空、取水以及下泄生态流量，避免单独布置上述建筑物导致工程量增加、工期延长、投资增加等问题。

（2）放空兼取水建筑物首部设置取水塔及启闭机室，尾部设置闸阀室，并设置相应控制设施，便于运行期工程放空、取水及下泄生态流量的控制。

（3）导流洞永久堵头前设置临时堵头，并设置排水、排气设施，保证永久堵头施工质量。

（4）其他同类工程采用类似布置时，需合理考虑放空设施与导流洞洞身的衔接设计、穿过导流洞永久堵头时的防渗处理措施以及放空设施布置于导流洞永久利用段的安全性、耐久性，以便于后期运行管理。

参考文献：

[1] 文志颖，张晨. 夹岩水利枢纽工程施工导流隧洞设计[J]. 水利水电快报，2020（9）：25-29.

[2] 姚敏杰，高雅芬. 水电站放空洞混凝土和钢管联合封堵系统设计[J]. 人民长江，2016（17）：110-112，141.

[3] 张毓成，何志华. 万家寨水利枢纽布置及主要技术问题[J]. 水力发电，1999（1）：29-31.

[4] 方国华，丁紫玉，黄显峰，等. 考虑河流生态保护的水电站水库优化调度研究[J]. 水力发电学报，2018（7）：1-9.

[5] 胡允楚，曾锃，陆佳华，等. 一种新型导流、放空洞封堵方式研究与应用[J]. 中国农村水利水电，2012（6）：159-160.

[6] 赵芹，何江达，梁照江. 导流洞堵头常规设计方法的修正[J]. 岩石力学与工程学报，2004（8）：1336-1338.

（编辑：江 文）

作者：王瑞 曾树元 张斌

枢纽布置下工程设计论文 篇2：

黑麋峰抽水蓄能电站地下厂房排水设计

【摘要】本文对地下洞室群的地质条件进行充分分析的基础上，提出了地下厂房厂区防渗排水系统采取自流结合抽排的思路，并通过对多层排水廊道的布置以及对复杂洞室排水的设计，充分考虑地下厂房埋深大的特点提出了厂房厂内排水系统，采取中下层排水先自流排放到底层集水井后用抽水泵集中抽到顶层自流排水廊道与顶层排水一起直接自流排出山体的方案。

【关键词】地下洞室群; 厂区排水、厂内系统设计;直接;自流;抽排

1、工程简介

黑麋峰抽水蓄能电站位于长沙市望城县境内，电站总装机容量1200MW，共安装4台单机容量为300MW的混流可逆式水泵水轮发电机组。电站额定水头为295m，机组额定转速300r/min。枢纽永久性主要建筑物，包括上水库挡水建筑物、下水库挡水及泄水建筑物、输水系统建筑物、地下厂房系统、高压电缆洞、地面副厂房及开关站、排水廊道等。

地下厂房的排水是抽水蓄能电站地下厂房设计的关键问题之一，由于黑麋峰电站上库位于黑麋峰西侧坡麓，紧邻黑麋峰森林公园风景区，其下库位于杨桥东侧湖溪冲谷，为保证湖溪冲水库下游的生态用水的水质保护提出了更高的要求。既要保证地下厂房洞室的正常运行，又要避免厂区排不水对下库水体造成污染。

2、地下厂房工程地质条件

地下厂房布置区山体雄厚，地表高程240m～290m，洞室埋深180m～230m，上覆弱風化～新鲜岩体厚160m～210m，主厂房纵轴线为南北向布置。围岩以微风化～新鲜二长花岗岩为主，少量花岗伟晶岩脉。主机间围岩岩体完整性较好，未发现大的断裂构造，据平洞、钻孔资料，围岩岩石质量指标（RQD）80%以上，围岩工程岩体质量类别以Ⅱ2类为主，局部为Ⅲ1～Ⅲ2类;安装间岩体质量次于主机间围岩，部分地段岩体较破碎，节理裂隙较发育。厂房布置区地质构造较简单，主要断层为NEE向陡倾角断层F43和F61，两断层均与厂房纵轴线大角度相交，交角均为70°，分别穿过厂房主机间和安装间，两断层在平硐内揭露的破碎带宽度分别为20cm～50cm、30cm，沿断层具有明显的蚀变现象，对厂房边墙及顶拱有不利影响，断层破碎带及影响带围岩岩体质量级别为Ⅳ2～Ⅴ1级，其余部位围岩岩体质量级别主要为Ⅱ2～Ⅲ级。

3、地下厂房排水设计

3.1 厂区排水设计

地下厂房、主变洞距下水库库岸水平距离最近约260m，主厂房、主变洞规模较大，拱顶高程均低于下水库正常蓄水位50余米，为防止下水库库水、山体内地下水和高压管道渗漏水渗入厂房及主变等洞室，降低钢管和厂房边墙所承受的外水压力，保持厂房围岩的稳定，改善地下厂房的运行环境，在主厂房洞室周边和厂房内设置了渗漏水排水系统。

环绕主厂房和主变洞外围设置了三层排水廊道。顶层排水廊道包括外围排水廊道和主厂房与主变洞中间排水廊道，沟底高程58.85～62.00m，坡度0.5%～2.5%，廊道断面为城门洞型，净空尺寸2.5m×3.3m。

中层排水廊道绕主厂房、主变洞外围一圈，沟底高程为30.45～28.50m。廊道断面为城门洞型，净空尺寸2.5m×3.3m。廊道分别在主厂房和主变洞的右端设有与主厂房和主变洞的联系通道。中层排水廊道还与进厂交通洞、主厂房排风洞相连。交叉口设有封闭门。

底层排水廊道包括主厂房上游侧和主厂房右端排水廊道以及安装间左端排水廊道。沟底高程为5.60～4.0m和16.20～4.0m。坡度0.5%～15%。断面形式：为2.50×3.30m城门洞型，底层排水廊道还与④施工支洞相连作为进出口。底层排水帷幕内渗水排入渗漏集水井由水泵抽制顶层排水廊道经自流排水廊道自流排出厂区外部。

各上、下层排水廊道间设有排水幕孔，孔径D90，间距3m。顶层排水廊道在主厂房和主变洞上、下游侧均布设有300斜向上的排水幕孔，两端垂直向上设有排水幕孔，以排除主要洞室顶部渗漏水。

厂房中层排水廊道汇集渗漏水经主厂房安装场上游侧6个直径170排水孔流入底层，厂房渗漏水经底层排水廊道汇集至渗漏集水井，集水井上游侧设有排水支洞与底层排水廊道相接，再经主厂房安装场上游侧设有一条直径1.50m的竖井内的4根排水钢管用水泵抽至顶层排水廊道。

上述抽至顶层排水廊道的渗漏水、顶层排水廊道渗水以及机组检修时抽至顶层排水廊道的检修水，由自流排水廊道自流排出。自流排水洞出口位于进厂交通洞口下游侧，洞口高程为54m，在山体内与厂房顶层排水廊道左端相接，高程58m，洞长939m，城门洞型，尺寸为2.5m×3m，平均纵坡约0.5%。外接排水明渠，将地下水引排至湖溪冲主排水沟。

黑麋峰工程地下厂房工程地质条件较好，围岩岩石较坚硬～坚硬，岩体多较完整、以Ⅱ2～Ⅲ1类为主，地质构造较简单。地下厂房位于地下水位以下200m～220m，厂房区岩体透水性较弱，多属微透水岩体，施工开挖揭示其地下水不丰富，仅在断层带部位和节理密集带部位局部见有零星滴水或浸润现象。因此，经专题会议研究后决定厂房不设置防渗帷幕。

3.2 厂内排水设计

厂内排水系统设计包括检修排水系统设计和渗漏排水系统设计两部分。

3.2.1检修排水系统设计

由于本电站地下厂房埋深180～230m，属中部式布置，若采用间接排水方式，存在如下主要问题。①对于集水井结构，进人孔盖板承压设计难度较大，且厂房存在安全隐患，应加强防水淹厂房事故。②因下厂房埋深较大，存在集水井通通气管布置困难的问题。③尾水事故闸门靠近下库进（出）水口布置，因此机组检修排水时排水管路较长，约400m左右。④水泵扬程较高且变幅较大。

鉴于以上问题，机组检修排水采用直接排水的方案。厂房底部设置一根DN500的检修排水总管同，布置于检修排水廊道;每台机组尾水管设计盘形排水阀，并在检修排水廊道另设置一道阀门，以保证地下厂房的安全;每台机组检修排水管与检修排水总管相连，检修排水廊道作为机组检修排水的操作廊道，在排水廊道同层设一检修排水泵房。机组检修时，关闭上游侧球阀和尾水事故闸门，通过设置尾水管的排水盘形阀和设置于检修排水廊道的球阀，与检修排水总管相连，通过检修排水泵房和检修排水总管，沿厂房顶层排水廊道、自流排水洞排出厂外。

3.2.2渗漏排水系统设计

（1）厂房渗漏量和集水井结构尺寸确定。

渗漏排水系统主要包括厂房渗漏排水，迷宫环漏水、空压机冷却水、SFC变频器冷却水，冲污水及生活用水等。

厂房渗漏水量与电站地质条件、枢纽布置、施工质量及设备制造水平有关，经估算，渗漏排水总量约325.1m3/h.集水井有效容积按60min的渗漏水量的体积考虑，另外考虑厂房布置情况，并考虑施工初期排水量较大等各种因素，集水井有效容积设置为660m3。根据确实的集水井有效的容积渗漏集水井实际布置情况，确定集水井井筒总内尺寸为22.55m×5.9m。

（2）厂房渗漏水排水方式设计

渗漏排水总管若直接排入下水库，由于下水库水位变幅较大（65.0～103.7m），水泵扬程不仅较高，且变幅范围较大，约为85～125m，另外，直接排入下水库方案管路较长，约400m，沿程水力损失也较大，因此，该方案对整个电站投资和将来运行均不经济，最终采用的方式为将渗漏水排至厂房顶层排水廊道，再自流排出厂外。

（3）厂房渗漏水引流设计

主厂房水泵水轮机层以上及主变洞主变室层以上洞室周边均设置250mm厚防潮隔墙，其内设置排水沟，引排岩壁渗漏水至渗漏集水井内。

在主厂房、主变洞洞室周边均依据在开挖过程中渗水部位设置D56随机排水孔，孔深5.00m，间排距2.0m×2.0m。在主厂房水轮机层上下游侧及主变洞主变层下游侧均设置排水沟，主厂房、主变洞排水孔內的渗漏水均引至洞室内设置的排水沟后由排水沟管引至安装场下部的渗漏集水井。再由水泵抽排至顶层排水廊道经自流排水廊道自流排出厂外。

3.3 厂区排水与厂内排水的关系

地下厂房厂区排水主要根据电站的地质特征、水文等资料结合自身的布置条件选择合适防渗排水系统，主要设计排水廊道及排水幕“排”为主。厂区的渗漏水，应尽量采用自流排方式，以降低年运行管理费。为有效降低地下水位对地下厂房洞室群施工期及运行期的围岩稳定等影响。厂内排水主要是排除生产废水、检修积水、生活污水，避免厂房内部积水各潮湿，保证机组过水部分和厂房水下部的检修。

但对中小型水电站，有时为了减少设备，节约投资，简化管道，有时可把两个排水系统合在一起，提高系统的经济性。

4、排水系统效果

根据本工程的自身特点，黑麋峰抽水蓄能电站采取针对性的地下厂房洞室群防渗排水设计，有效降低了地下水对地下厂房洞室群的稳定等影响、厂内采用的直接排水方式克服了间接排水方式的安全隐患，同时也节约设备投资，提高了系统的经济性。黑麋峰抽水蓄能电站目前多年的运行实践表明，厂房内干燥、无渗水等现象，证明地下厂房防渗排水系统设计完全能满足渗流控制要求，是安全、合理的。

5、结论与建议

（1）厂区防渗排水各洞室排水孔以引排为主、自流相结合;厂内排水设计以直接抽排为主。抽、排、自流相结合的方式形成了一个防渗排水系统设计。保证了在暴雨及设防水位条件下厂房建筑物施工期安全及建成后运行安全。

（2）各排水廊道要经常清理干净，保证畅通。每年汛期来临前，要全面检查，确保各排水廊道通畅无阻，特别是高程较低的一些排水管、厂房内的排水沟、地漏要经常进行人工疏通，以防堵塞而无法修复。

（3）检修集水井、操作廊道内的密封钢盖板，在尾水管检修期间，一定要关闭，以避免非常情况水淹厂房，危及厂房安全运行。

（4）自流排水洞如果提前施工，可作为地下洞室施工期自流排水系统，大大节约施工期排水费用。

（5）厂内设置防潮隔墙也很重要，当边墙发生渗水时，不会直接影响设备运行和厂内美观，并且还可以利用防潮隔墙与岩壁之间的空腔布置风道。

作者简介：

杨辉（1982-），湖南邵阳人，本科学历，工程师，从事工程设计工作。

杨阔，四川剑阔人，工程师，从事工程管理工作，单位是五凌电力有限公司。

作者：杨辉 杨阔

枢纽布置下工程设计论文 篇3：

甲西水电站枢纽布置设计原则及比选思路

摘 要 甲西水电站枢纽由挡水、泄水、电站等建筑物组成。河床狭窄，岸坡陡峭，因此如何协调发电、泄洪和边坡开挖的关系，是本工程的关键技术问题。结合地形地质条件及各建筑物的结构特点，并考虑枢纽布置、泄洪消能条件、施工条件、经济、安全等要素，重点介绍了甲西水电站首部枢纽布置设计原则及比选思路。

关键词 枢纽布置；主要建筑物；设计；滑雪道式溢洪道；甲西水电站

1 工程概况

甲西水电站位于四川省甘孜州新龙县境内，为雅砻江上游最末一级水电站。电站坝址位于新龙县和平乡上游约3 km河段，上游与共科水电站尾水衔接，下游为在建的两河口水电站，省道217公路沿坝址左岸通过，对外交通便利。坝址控制流域面积为41148 km2，坝址处河流多年平均流量372 m3/s。

甲西水电站开发任务为发电，无其他综合利用要求。电站初拟水库正常蓄水位2948.00 m，正常蓄水位以下库容为1.36亿m3，具有日调节性能，电站装机容量为360 MW。根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》DL5180-2003及《防洪标准》GB50201-94的有关规定，甲西水电站为二等工程大（2）型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要建筑物为2级建筑物，永久性次要建筑物为3级建筑物。

按《防洪标准》（GB50201）及《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL 5180-2003），根据本工程规模，并结合本工程特点，确定各主要建筑物的设计洪水标准为100年设计，洪水流量为3460 m3/s，1000年校核， 洪水流量为4470 m3/s。根据中国地震局地质研究所对工程场地的地震危险性评价报告，甲西水电站工程场地50年超越概率10%的基岩水平峰值加速度为126gal，地震动反应谱特征周期为0.45 s，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。

2 自然条件

2.1 水文气象

甲西水电站开发任务为发电，无航运、漂木、防洪、灌溉等综合利用要求。坝址控制集水面积41148 km2，坝址处多年平均流量371 m3/s。坝址多年平均悬移质输沙量335万t，多年平均含沙量285 g/m3，水库运行50年坝前平均淤积高程2895.9 m。坝址区多年平均气温7.5℃，多年平均降雨量618.4 mm，多年平均相对湿度为56%。

2.2 工程地质

坝址区河谷呈基本对称“V”形，坝基岩性出露总体表现为变质砂岩夹粉砂质板岩，总体上以变质砂岩为主，两岸边坡风化卸荷较深。两岸山体雄厚，基岩大多裸露。

第四系松散堆积层为河床冲积层及岸坡崩坡积层。崩坡积（Q4col+dl）块碎石层主要分布于两岸岸坡中下部，厚度约5～15 m。河床覆盖层一般厚2.5～9 m，局部厚15.25 m，主要成分为冲积堆积砂卵砾石层。

出露地层岩性为三叠系上统两河口组下段（T3lh1）中厚层夹厚层状变质砂岩，薄层状变质砂岩、粉砂质板岩及砂质板岩互层。

3 枢纽布置设计

3.1 枢纽布置思路

在研究甲西水电站枢纽布置方案时，要充分认识到该工程的主要特点：

1）河床狭窄、岸坡陡峻。因河床宽度较窄，两岸边坡陡峭，且围岩多为IV、V类，枢纽布置应尽量紧凑，减少边坡开挖高度。如何协调发电、泄洪和边坡开挖的关系，是本工程的关键技术问题。

2）库容小，泥沙含量大。甲西电站为日调节电站，库容较小，电站运行50年，坝前淤积高程2895.9 m，调节库容损失约2%。水库运行60年，坝前淤积高程2938.2 m，已高于发电进水口底板高程2915 m。泥沙淤积问题相对是严重，排沙设施的设计也是本工程的一个重点。

3）经济指标差。目前四川省新建水电站相比较，甲西水电站单位电能静态投资较高，所以尽量优化枢纽布置和建筑物尺寸又是本工程的又一个重点。

3.2 枢纽布置方案及比较

1）坝址坝型选择。鉴于本工程规模不大，地形地质条件相对简单。可研阶段甲西水电站的坝址比较将结合坝型一起开展。

甲西水电站预可阶段拟定了上、下两个坝址，以面板堆石坝为代表性坝型进行技术经济比较，推荐下坝址为推荐坝址。根据预可行性研究报告以及本阶段地质勘察成果，同时考虑面板堆石坝和混凝土重力坝两种坝型，针对每个坝址，首先拟定代表性坝型，并在此基础上，从水能利用、地形地质、枢纽布置、坝型适应性、泄洪消能、防冲护岸、工程量、建筑材料、施工条件、施工工期、环境影响、移民安置、工程投资、工程效益、运行条件等方面，进行综合技术经济比较，最终选定坝址和坝型。

混凝土面板堆石坝虽坝体工程投资较省、工程工期较短，施工方法简单，技术成熟，但溢洪道和泄洪洞开挖、衬砌支护工程量大，开挖边坡较高，泄洪消能系统工程投资增加大，泄洪雾化对岸坡和厂房存在不利影响，且引水防砂问题较难解决，工程量和投资增加较多。

混凝土重力坝方案较好地适应了坝址地形地质条件适应性，坝体设置以表孔为主的泄洪设施，结构简单，运行维护方便；枢纽建筑物布置紧凑，采用坝身泄洪，泄流条件较好，坝后布置发电厂房，设置冲沙底孔和排沙廊道，引水防砂问题易解决，工程量和投资较省，但是如何协调泄洪、冲砂及消能方式仍然是需要研究的重大课题。

预可阶段经过比选，推荐的坝址坝型为下坝址重力坝方案。

2）坝线选择。在选定坝址、选定坝型的基础上结合枢纽布置开展坝轴线研究工作，以有利于大坝整体稳定、安全和节省工程投资为原则，可研阶段可选择预可推荐坝线（Ⅰ线）和其上游约70 m（Ⅱ线）两条坝线并考虑泄水建筑物、引水发电建筑物的布置条件、施工布置条件和直接投资等因素进行比较，合理选择大坝轴线。在随后开展的建筑物进一步设计时，坝轴线的具体位置可以在选定的坝线附近作少量移动或局部调整。

3）枢纽布置方案选择思路。枢纽布置方案拟定应充分考虑工程特点，厂房坝段置于主河床，泄水建筑物根据两岸地形地质条件及泄量分配原则进行多方案比较研究。

①坝址左岸边坡岩层倾向坡外，不利于边坡稳定，坝址下游右岸有较大范围崩坡积覆盖层，可不考虑将表孔溢洪道置于左岸。

②研究加大泄洪深孔泄量，减小表孔泄量。

③排沙设施暂按厂房坝段左、右侧各布设一个深孔考虑，其效果将通过水工模型试验验证。若两个深孔不能保证电站进水口“门前清”，考虑增加其他排沙通道。

4）枢纽布置方案比选。针对选定的坝型、坝线，枢纽布置格局主要是根据地形地质条件，本工程枢纽布置特点，即河床狭窄、泄洪流量不是很大（校核洪水流量4470 m3/s）和淤沙情况严重等特点，可研阶段初拟2种枢纽布置方案：方案一：重力坝+坝后厂房+右岸2表孔1深孔挑流方案（预可阶段推荐方案）；方案二：重力坝+坝后厂房+ 1表孔2深孔挑流方案，两个方案的主要差别在泄洪和冲砂建筑物上。

方案一的优点是：表孔和深孔在同一侧，在出口段挑流采用高低差动错落泄洪，在顺河向距离布设，可以避开相互泄洪之间的干扰；缺点是：两个表孔的布设不方便运行管理，并且冲砂拉砂的效果是否满足电站的运行仍然需要重点研究，表孔泄槽段的稳定需要两个表孔联合承受才能保持稳定。

方案二的优点是：两个冲砂底孔对称布设，冲砂和拉砂的效果相对单孔有效性更大，并且都挑射到河床中，两侧的水流在空中撞击，可以抵消能量，减小挑流雾化影响。单个溢流表孔运行方式简单，结构稳定也比较容易满足；缺点是：要重点研究深孔和表孔的泄流分配，表孔的尺寸受闸门的限制不能太宽，深孔的尺寸受坝体稳定的影响也不能太大。

根据拟定的枢纽布置方案，做详细的设计工作之后，从水能利用、地形地质条件、建筑物布置、水力学条件、工程量、施工条件、施工工期、施工占地、工程投资和运行条件等方面，结合必要的试验研究成果，综合比较论证后选定枢纽布置方案。

4 关键技术问题

4.1 枢纽布置格局

在选定坝址、选定坝型的基础上结合枢纽布置开展坝线研究工作，拟定比较坝线，综合坝址地形地质条件、枢纽建筑物布置条件、施工布置条件和直接投资等因素，通过方案比选确定大坝坝线。

根据坝址区地形地质条件，经泄洪消能建筑物、引水发电建筑物以及导流建筑物可能的布置位置和型式的分析研究，合理组合成不同的枢纽布置方案。从各枢纽布置方案的施工条件、施工技术和施工进度，从各枢纽布置方案的安全可靠、运行灵活和管理维护方便，从各枢纽布置方案的环境影响和工程投资等多方面，经全面技术经济比较，提出“安全可靠、紧凑协调、施工方便、运行灵活、投资节省”的枢纽布置方案。

4.2 枢纽排沙减淤措施研究

为保证工程运行安全，有效的发挥工程的效益，甲西预可阶段采用右岸深孔排沙方式，可研阶段将根据新的泥沙计算成果，研究右岸深孔排沙，左右岸深孔排沙及排沙廊道等不同的排沙建筑物布置方案，通过水工模型试验成果，选择经济合理、运行方便的排沙设施。

4.3 泄洪消能方式研究

坝址区下游是甲西古滑坡，要尽量避免泄洪雾化的不利影响，同时也应注意泄洪对下游河床的冲刷。根据工程区的特点和水库运用要求，泄洪消能布置的原则如下。

①工程应布置满足水库泄洪、排沙要求。

②底孔在满足排沙前提下，分析研究与表孔的流量分配

比例。

③泄洪系统应安全可靠，运用灵活。

④分区泄洪，分区消能，避免产生危及工程安全的河床集中冲刷。

⑤水流归槽条件好，下游流态良好，尽量减小或避免对电站尾水的影响。

⑥重视施工和泄洪消能对环境的不利影响。

⑦重视对下游两岸的防护，防止对耕地的冲刷。

1）泄洪建筑物布置。受地形地质条件限制，枢纽建筑布置相对紧凑，泄洪建筑物尽量和坝结合，以减少高边坡的开挖。泄洪建筑物布置拟采用2个溢流表孔+ 1个底孔、1个溢流表孔+左右岸2个底孔（厂房坝段两侧各一个）等方案进行比较。

各泄水建筑物的孔口尺寸及控制高程应结合泄流能力及淤沙高程来确定。

2）消能方案。甲西电站下游右岸为甲西古滑坡，其下游左岸布置有进厂公路，泄洪消能时，应尽量减轻对其的影响。甲西电站枢纽布置紧凑，泄洪建筑布置靠近挡水建筑，泄洪消能时，下泄水流应远离挡水建筑物及厂房尾水，同时应尽量减轻对下游河道的冲刷，避免危及挡水建筑物。

可研阶段需根据新的枢纽布置，对挑流消能与底流消能方案进行分析比较，结合推荐方案的水工模型试验确定最终的消能方案，并对下游河道的消能防冲设计做重点研究。

4.4 高边坡开挖支护措施研究

由于甲西坝址河谷狭窄，两岸天然边坡陡峻，平均坡度约550，岸坡岩体多为IV、V类，边坡稳定问题突出，预可成果表明，存在两岸坝肩边坡、缆机平台边坡、滑雪道式溢洪道边坡等一些高边坡。

可研阶段根据地形地质条件和各建筑物的开挖要求，确定边坡的开挖参数、支护参数、排水设计，进行必要二维或者三维有限元的稳定计算分析，并制定经济而合适的边坡支护措施。

4.5 混凝土温控及耐久性研究

高混凝土坝的裂缝及其防治问题是工程设计中的重大问题。防裂的关键问题是要作好大坝混凝土及温度控制设计。温度荷载是混凝土重力坝坝设计的重要荷载之一，对混凝土重力坝施工期的工作性态有着重要影响，因而必须对此进行充分的实验、分析、论证，以确保混凝土的各项特性达到设计要求。进行大坝混凝土温度控制设计研究，了解大坝受温度荷载的影响特点，并提出合理可行的拱坝温控措施。

根据预可报告，甲西电站推荐坝型为混凝土重力坝，鉴于雅上特殊的气象条件，多年平均气温7.5℃，极端最高气温33.6℃，极端最低气温-19.2℃，昼夜温差较大，所以在设计过程中应高度重视水工混凝土耐久性问题，并且大坝混凝土种类不宜过多，根据混凝土配合比试验，采用能满足高寒地区冻融循环次数较多的混凝土参数。

5 结论

甲西水电站枢纽布置不仅要适应河床狭窄、边坡陡峻的地形条件，更要进行多方案比较，设计优化，控制总投资。不仅要求枢纽建筑物形式简单、布置合理，而且要找到经济与工程安全的契合点，努力实现水电设计院的“企业梦”、“中国梦”。

参考文献

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[2]张军劳.万家寨水利枢纽混凝土重力坝的选型与布置[J].水利水电工程，1994（3）.

[3]李少科.龙潭水电站枢纽布置及基础处理设计[J].吉林水利，2009，5（324）.

作者简介

刘侠（1978-），女，山东郓城人，高级工程师，主要从事水工设计和勘测设计工作。

作者：刘侠　周青　唐瑜