贵州华电乌江水电工程项目管理有限公司贵州贵阳550001
摘要：为进一步提高该工程设计方案的技术经济水平，根据工程实际地质条件和施工条件，以及工程投资控制，对该水电站工程首部枢纽闸坝设计方案分别从地质条件、岸坡滑坡体的处理、坝基处理、闸坝结构布置、施工条件、工程投资等方面进行优化对比分析，确保了该工程闸坝设计方案更加科学、布置更加合理，同时，节约工程投资占首部枢纽投资的10%左右，进一步提高了其技术经济指标。
关键词：水电站工程；闸坝优化；设计
0工程概述
某水电站系四川某河干流水电规划的第六个梯级，闸址位于四川省凉山彝族自治州木里藏族自治县境内某河干流下游4km的河段，坝址处控制流域面积7249km2，多年平均流量为107m3/s。电站采用引水式开发，枢纽工程由混凝土闸坝、右岸引水隧洞及地下发电厂房组成。正常蓄水位2311m，最大坝高31m，电站装机容量138MW，多年平均发电量为5.928/6.539亿kW•h（单独/联合），水库总库容0.0104亿m3，正常蓄水位以下库容0.0091亿m3，为径流式电站，开发任务以发电为主，兼顾环境生态用水。
本工程为三等中型工程，工程永久性主要挡水、泄水建筑物、引水发电系统等均为3级建筑物，永久性次要建筑物为4级建筑物。水工建筑物结构安全级别Ⅱ级。永久性挡水建筑物洪水标准按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核，厂房洪水标准按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。
场地地震基本烈度为Ⅶ度，水工建筑物抗震设计烈度为7度。工程可研设计方案为岩基闸坝方案闸顶高程2314.00m。建基面高程2283m，最大坝高31.00m。闸顶全长103.40m，分为左岸挡水坝段、河床泄洪闸坝段、冲沙闸坝段和右岸挡水坝段。
1坝址区地质条件
1.1地形地貌
选定坝址位于某河右岸勒米沟即3#冲沟沟口上游约3.4km河段，河流流向S42˚～47˚E，偏转S73˚E流出坝址。两岸山体雄厚，左岸地形整齐，右岸上、下游均有冲沟切割，两岸分水岭高程4000～4500m，河谷切深2000～2500m，属构造侵蚀高山地貌。两岸地形基本对称，呈上陡下缓，左岸2650m高程以上60˚，以下为30˚～36˚，2340m高程附近为则为一缓坡，坡度约26˚～30˚，右岸地形稍陡，2640m高程以上坡度为50˚～72˚，2640～2420m高程段坡度32˚～40˚，2420m高程以下至河床坡度50˚～55˚。河谷横断面呈“V”型。
1.2主要地层岩性
选定坝址出露的地层为上三叠统曲嘎寺组（T3q），为灰、深灰色中厚层砂岩夹灰色板岩、薄层灰岩，厚度大于750m；灰黑略带褐色玄武岩，厚度230~300m；为灰绿色薄层绿泥千枚岩及似厚层玄武岩夹变余砂岩，顶部夹少量薄层灰岩，厚度大于310m，分布于河床与左岸岸坡。坝址裂隙主要发育三组，见表1-2-1。
1.3水文地质条件
坝址水文地质条件简单，地下水类型主要有基岩裂隙水及松散层孔隙水，赋存于弱风化带及第四系松散堆积层内。地下水位较陡。上、下游见有数个小泉水，流量0.1~0.5L/s。坝址区钻孔压水试验资料成果表明，岩体透水性因风化、卸荷程度不同而略有差异，但总体上均较小，属弱～中等透水岩体。
1.4坝基岩体物理力学参数值
根据室内做了岩矿鉴定、化学分析、岩石的物理性质、抗压和变形试验等分析及结合工程经验，坝址物理力学参数值见表1-4-1，主要结构面抗剪（断）强度值见表1-4-2，坝址土体物理力学性质参数值见表1-4-3。
1.5软基闸坝主要工程地质问题分析
1.5.1承载力与变形模量分析
经过分析计算确定软基闸坝建基面高程2296.5m，坝高17.5m，右岸重力坝建基面高程2299.00m，坝高15m。右坝肩岩体为玄武岩及千枚岩，弱风化岩体承载力与变形模量均满足低闸坝要求。
河床坝基与左岸坝肩为覆盖层。河床坝基覆盖层挖深3.0m，压缩模量20MPa，摩擦系数0.40，承载力建议值0.35~0.45MPa。主要为块、孤石夹砂卵砾石，厚2.4~9.8m，多具架空现象，存在不均匀变形问题，需作相应的工程处理。
1.5.2坝基渗漏与防渗分析
软基闸坝坝基下砂砾石厚度还有9~13m，左岸2311m正常蓄水位高程对应的覆盖层水平厚度大于26m。覆盖层属强透水层~极强透水层，坝基渗漏问题突出。需加强防渗处理。建议坝基与左岸覆盖层设置混凝土防渗墙，防渗墙进入基岩1m，墙下进行帷幕灌浆。
1.5.3坝基渗透稳定性分析
坝址覆盖层土层类型主要有碎砾石与漂石混杂、砂夹卵砾石、碎块石、砾石、粗砂夹少量碎石、碎块石土等，以粗颗粒（碎石、块石）为主，夹少量细颗粒（砂、土），细颗粒含量小于25％，粒径极为不均匀，主要渗透变形型式为管涌，需进行必要处理。
2.闸基设计分析与比选
坝址岸坡高陡，河谷狭窄，正常蓄水位2311m高程上河谷宽约60.0m，坝址河床覆盖层厚11.7~17.5m，上层厚2.4~9.8m，为块石、孤石夹砂卵石，具有架空现象；下层为砂卵砾石及少量块石，厚6.7~9.7m；依据勘查成果，坝址适宜建混凝土闸坝，且坝体高度不大，可选取岩基和软基两种闸坝方案进行首部枢纽的比选分析。
2.1岩基建闸方案分析
2.1.1闸坝布置
混凝土闸坝坝轴线方位为NE48.81°，闸顶高程2314.00m。左岸及河床中部基础为T3q1绿泥千枚岩，右岸基础为T3q2深灰、灰黑色玄武岩，根据基岩物理力学指标，确定建基面高程2283m，最大坝高31.00m。闸顶全长103.40m，分为左岸挡水坝段、河床泄洪闸坝段、冲沙闸坝段和右岸挡水坝段。其中，左岸挡水坝段42.50m，河床泄洪闸坝段、冲沙闸坝段总长45.50m，右岸挡水坝段长15.40m。右岸挡水坝段设门库，右岸挡水坝上游面与进水口相连。首部枢纽平面布置图见图2.1-1，大坝上游立视图见图2.1-2。
泄水建筑物为开敞式泄洪闸及冲沙闸，设计洪水下泄流量为1320m3/s，校核洪水下泄流量为1720m3/s。泄洪闸共设3孔，布置在河床中部，闸墩厚2m。底板高程2300.00m，孔口尺寸8m×11m（宽×高）。冲沙闸设置1孔，紧靠泄洪闸右侧布置，闸墩厚2.25m，底板高程2298.00m，孔口尺寸5m×6m（宽×高）。根据泄洪闸顺水流方向长29.50m。泄洪闸段总宽36.00m，每孔泄洪闸为一个坝段；每孔各设一扇弧形工作闸门，3孔共用一扇平板检修闸门，检修门以双向门机启闭，弧门采用液压启闭机启闭，用牛腿作弧门支承。坝顶设置工作桥连接对外交通。冲沙闸为单独一个坝段，总宽9.5m，各设一扇平板工作闸门、检修闸门。
图2.1-1基岩闸坝方案首部枢纽平面布置图
消能方式采用底流消能，消力池总长38.00m，底板厚度2m。后接钢筋笼块石海漫以减小水流对下游的冲刷，海漫总长度20m。
左、右岸挡水坝段为混凝土重力坝，坐落于弱风化T3q1绿泥千枚岩、T3q2玄武岩上部，基本断面为：上游面铅直，下游坝坡1：0.75，折坡点高程为2308.73m。右岸挡水坝段亦作门库坝段，用于放置共用的平板检修闸门，上游面与进水塔相连，建基面高程2290.00m，最大坝高24.00m；左岸挡水坝段建基面高程2287.00m，最大坝高27.00m。坝筑坝材料采用C15混凝土。
坝顶宽度的拟定主要考虑闸坝施工的需要和坝顶结构布置、交通要求等。挡水坝段的坝顶宽度为6m；局部根据有门库布置、交通的要求，为10.5m。
左岸挡水坝段内设置生态流量排放管，管径1.55m，将生态流量引至消力池内向下游排放，取水高程2305.00m。
防渗帷幕线垂直河床布置，防渗帷幕总长约159.00m，总面积约3900m2。
2.1.2左岸堆积体处理
闸坝左岸位于Ⅳ号堆积体的上游侧，左坝肩清除覆盖层后，上、下游侧边坡均为土质边坡，其物质组成为崩、坡积（Qdl+col）块石、孤石夹少量碎石土，自然边坡基本稳定。但开挖卸掉边坡的脚重，使开挖边坡的稳定性变差，需进行稳定复核。
图2.1-2基岩闸坝方案上游立视图
2.2软基建闸方案
2.2.1闸坝布置
闸坝坝轴线方位为NE48.81°，闸顶高程2314.00m。闸顶全长82.60m，分为左岸挡水坝段、河床泄洪闸坝段、冲沙闸坝段和右岸挡水坝段。其中，左岸挡水坝段长22.00m，河床泄洪闸坝段长35.00m，冲沙闸坝段长9.00m，右岸挡水坝段长16.60m。
图2.2-2闸坝上游立视图
左岸挡水坝段为上游混凝土重力坝+下游堆石复合坝型，左岸挡水坝段坐落于Qcol+dl（碎块石土及块孤石夹土）及Qal+col（碎块石夹砂）覆盖层上，建基面高程2296.50m，最大坝高17.50m。基本断面为：上游面铅直，下游坝坡1：0.5，坝顶混凝土宽度1.50m，坝顶总宽度6.50m，坝后紧贴1.5m厚砾石排水，下游进行坝坡1：2.5砂砾石回填和0.50m厚干砌石护坡，与消力池导墙墙后、泄洪闸岸边侧砂砾石回填顶高程2308.00m相接。左岸挡水坝上游混凝土重力坝段筑坝材料采用C15混凝土。
右岸挡水坝段为混凝土重力坝，坐落于T3q1绿泥千枚岩弱风化、T3q2玄武岩弱风化及微风化上部，基本断面为：上下游面铅直，坝顶宽度为9.00m，建基面高程2299.00m，最大坝高15.00m。右岸挡水坝段亦作门库坝段，用于放置共用的泄洪闸平板检修闸门和冲沙闸检修闸门；右岸挡水坝段筑坝材料采用C15混凝土。在右岸挡水坝段下游进行砂卵砾石回填，与消力池导墙墙后、冲沙闸岸边侧砂砾石回填顶高程2308.00m相接。
生态流量排放管布置于右岸挡水坝段内，管径1.55m，将生态流量引至消力池内向下游排放；取水管口布置于右岸挡水坝段与进水塔连接段，进口出口中心线高程2302.00m，出水管口设置在右岸导墙，出口采用球形阀门。
泄洪闸坝段布置在河床中部，共布设3孔，孔口尺寸8m×11m（宽×高），中墩厚3.5m，边墩厚2m，闸室底板高程2300.00m，泄洪闸段总宽35.00m，三孔泄洪闸为一个坝段；每孔各设一扇弧形工作闸门，3孔共用一扇平板检修闸门，检修门以双向门机启闭，弧门采用液压启闭机启闭，用牛腿作弧门支承。1孔冲沙闸紧靠泄洪闸右侧布置，孔口尺寸5m×6m（宽×高），闸墩厚2.00m，闸室底板高程2298.00m，冲沙闸坝段宽度9.00m，设置平板工作闸门、检修闸门各一扇。泄洪闸、冲沙闸闸底板建基面高程分别为2296.50m、2294.50m，上下游侧均设置齿槽。根据结构布置以及基础面承载力要求，泄洪及冲沙闸顺水流方向长32.50m，上下游桩号分别为坝纵0-003.00、0+029.50。坝顶设置工作桥连接对外交通。闸室上游设置铺盖，铺盖长度12.00m，厚1.50m。
消能方式采用底流消能，消力池长42.00m，底板厚度2m。消力坎底部设置深5.00m的C20混凝土防掏墙，后接钢筋笼块石海漫以减小水流对下游的冲刷，海漫长度20m。
2.2.2左岸堆积体处理
软基建闸方案消力池段基本不开挖，仅在左岸堆积体原边坡基础上进行处理，处理措施为2000kN级预应力锚索、框格梁、排水、监测等综合治理。治理措施如下：2000KN级的预应力锚索布置于开挖边坡坡面框格梁结点处，间距5m，俯角15o；堆积体局部存在浅表层局部滑动现象，拟采用框格梁进行处理；堆积体边坡地下水低平，排水主要考虑对堆积体边坡表面进行坡面排水，使地表侵入水尽快排出；保护措施主要为对边坡进行表面防护，防止浅层滑动、坍塌。
2.3岩基、软基建闸方案比选分析
2.3.1枢纽布置对比分析
岩基建闸方案左岸及河床中部基础为T3q1绿泥千枚岩，右岸基础为T3q2深灰、灰黑色玄武岩。闸坝较低，对地基要求不高，坝体建基面置于弱风化上部岩体中即可。基础闸基岩质中硬，岩性较均一，基础处理简便易行。左岸坝体范围内开挖边坡清除了覆盖层，减少了覆盖层支护工程量。
软基建闸方案利用了河床覆盖层作为闸坝基础，减少了基础开挖，节约了坝体混凝土工程量，同时减少了对左岸堆积体的扰动。但由于河床覆盖层不深，仅厚11.7~17.5m，对于上半部多具架空现象河床覆盖层建基面，应重点加强处理；为改善地基的均匀性，增强整体性，提高基础承载能力，减小基础不均匀压缩变形等，需对闸坝基础进行相应的夯实及固结灌浆加固处理。软基闸坝基础固结灌浆工程量较岩基闸坝工程量大，同时为满足基础承载力以及基底应力比值要求，闸室段顺水流方向需比岩基建闸方案增长3.00m。
软基建闸与岩基建闸在闸坝上部结构布置上基本一致，仅在建基面基础性质上有所差别，枢纽布置方案技术上均可行，经过适当工程处理措施均能满足20~30m闸坝的要求。岩基建闸方案，基础处理工作相对简单，基础可靠性高，但左岸覆盖层、堆积体开挖较大。与岩基建闸方案相比，软基建闸方案具有减少了基础开挖及左岸堆积体相应开挖，节约坝体混凝土工程量，降低左岸堆积体工程投资的优点。
综合上述比较分析，枢纽布置方面岩基建闸方案各有优劣，不相上下。
2.3.2施工条件对比分析
软基建闸方案与岩基建闸仅在基础性质上有所差别，由于基坑深度稍浅，软基建闸方案场内施工道路布置方便一些，但两方案施工布置条件总体相当。软基建闸方案基础处理工序较多，基础处理的施工工期较长，干扰因素较多，但基础开挖和混凝土浇筑工期较短，两方案工期上相差不大。
综合上述比较分析，施工条件上两方案基本相当。
2.3.3工程投资的对比分析
软基建闸方案与岩基建闸方案水工建筑主要工程量见表2-3-1，投资比较见表2-3-2。
3.软基与岩基建闸设计方案比选结论
3.1建闸结构布置对比分析
软基建闸与岩基建闸方案在基础性质和坝段划分上有所差别，水力学条件基本相同，枢纽布置方案技术上均可行，经过适当工程处理措施均能满足20~30m闸坝的要求。
3.2闸基基础处理对比分析
软基建闸方案需对闸基覆盖层先进行强夯，再进行固结灌浆，软基方案泄洪闸段基础覆盖层固结灌浆深5m，岩基方案固结灌浆深度仅为3m，且为基岩灌浆；相比岩基建闸，软基闸坝增加了河床覆盖层帷幕灌浆工程量。
3.3.左岸堆积体处理对比分析
岩基建闸方案因基坑开挖需对左岸堆积体进行相应部位开挖，边坡稳定性进一步降低，采用抗滑桩+框格梁等支护措施进行加固处理；软基建闸方案消力池段基本不开挖，仅在左岸堆积体原边坡基础上进行处理，主要采取预应力锚索+框格梁等支护措施进行加固处理。
3.5施工条件对比分析
3.5.1岩基建闸方案左岸堆积体采用抗滑桩+框格梁加固处理，由于最下面两排抗滑桩离河床不到20m、且最低开挖高程低于某河常枯水位，施工期存在大量河水渗入抗滑桩基坑的风险，抗滑桩开挖及支护施工难度大；软基建闸方案采用锚索+框格梁处理，锚索施工均可采用脚手架机械化施工，难度相对较小。
3.5.2闸基基础处理，岩基建闸方案固结灌浆深度仅为3m，软基建闸方案需对覆盖层基础强夯、固结灌浆深5m、帷幕灌浆工程量大，显然软基建闸方案施工工序多、灌浆深度大、灌浆量不宜控制，施工难度较大.
3.5.3从施工工期上分析，由于整个首部枢纽不是整个工程的关键线路，两个方案均采用枯期导流，导流方式、导流时段、导流标准和导流程序相同，从导流洞进出口施工到导流洞封堵完成总工期均为三年。总的来说，两方案从施工条件上看基本相当。
3.6在工程投资对比分析
经过计算分析，软基建闸方案的经济指标较优，比岩基建闸方案节约投资956.97万元。但软基建闸方案泄洪闸、冲沙闸基础均置于覆盖层上，基础处理工程量较大，基础处理难度较大，施工中不可预见因素及风险较多，在施工过程中应严格控制相关参数。
4结语
根据本工程实际地质条件和施工条件，通过闸坝方案的分析论证，以及对结构布置方面、闸基基础处理方面、左岸堆积体处理方面、施工条件方面、在工程投资方面的对比分析研究，提出了最终的建闸设计方案，确保了该工程闸坝设计方案更加科学、布置更加合理，同时，节约工程投资占首部枢纽投资的10%左右，进一步提高了该工程的技术经济指标，可供类似工程借鉴参考。
作者简介：
郭定明，四川武胜人，高级工程师，硕士研究生，主要从事水电工程技术管理和咨询工作。
郭大林，四川武胜人，助理工程师，本科学士，主要从事水电站工程维护运行管理工作。