王 波， 彭薇薇

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 工程概況

金溪航電樞紐工程位于嘉陵江中游蓬安縣金溪鎮(zhèn)，是嘉陵江蒼溪至合川段水電規(guī)劃中的第六級(jí)航電工程，樞紐上接新政工程，下與馬回電站相接，距蓬安縣城31 km，對(duì)外交通十分方便。

金溪航電樞紐工程是一座以開(kāi)發(fā)水電資源、發(fā)展航運(yùn)為主，兼顧旅游及養(yǎng)殖的綜合利用工程。水庫(kù)正常蓄水位高程310 m，總庫(kù)容4.602億m3。船閘有效尺度為120 m×16 m×3 m(閘室長(zhǎng)度×閘室寬度×吃水深度)，設(shè)計(jì)通航船隊(duì)為2×500 t。電站為河床式，總裝機(jī)容量為150 MW，共安裝4臺(tái)單機(jī)容量為37.5 MW的貫流式燈泡機(jī)組?？菟昕萜谄骄隽?2.9 MW，多年平均發(fā)電量為7.1 022億kW·h，年平均利用小時(shí)4 735 h。

該工程為Ⅱ等工程。鑒于該樞紐為低閘壩擋水，水庫(kù)庫(kù)容為槽蓄庫(kù)容，因此，該樞紐建筑物級(jí)別按降低一級(jí)設(shè)計(jì)，即主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

金溪航電樞紐工程樞紐建筑物從左到右由左岸接頭壩段、船閘、左岸擋水壩段、二十孔泄洪沖沙閘壩段、廠閘連接壩段、廠房壩段及右岸接頭壩段組成，壩頂高程321.5 m，壩頂總長(zhǎng)度為652.99 m。建筑物地基置于弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖及砂巖巖體上，巖體完整性較好。

圖1為已建成的金溪航電樞紐工程。

圖1 已建成的金溪航電樞紐工程

2 工程主要技術(shù)特點(diǎn)

(1)電航一體，渠化開(kāi)發(fā)。

嘉陵江由北向南貫穿全川，是一條戰(zhàn)備河流，也是長(zhǎng)江水系的主要通道之一，是連接川、陜、甘、渝三省一市的主要交通運(yùn)輸線，是西南地區(qū)綜合運(yùn)輸體系的重要組成部分，地位十分重要，也是我國(guó)第一條全江渠化的河流。渠化后，通航能力從兩、三百噸提高到上千噸。千噸級(jí)船隊(duì)將可以從廣元直達(dá)上海，形成一條連接內(nèi)陸的出海通道。在四川水運(yùn)的版圖上，嘉陵江將成為繼長(zhǎng)江后的又一條“水上高速路”。

嘉陵江河段兩岸城鎮(zhèn)、農(nóng)田和交通工礦企業(yè)沿江分布，人口稠密，為了減少淹沒(méi)、渠化河道、發(fā)展航運(yùn)及適應(yīng)壩基砂泥質(zhì)巖層性軟弱的特點(diǎn)，采用了中低水頭的梯級(jí)開(kāi)發(fā)方式。各梯級(jí)電站集航運(yùn)、發(fā)電、灌溉及旅游為一體，電航互相受益，既渠化了河道，滿足了通航要求，又解決了用電問(wèn)題，緩解了用電緊張局面，水電與水運(yùn)通力協(xié)作，互相促進(jìn)，共同發(fā)展，具有巨大的社會(huì)影響與經(jīng)濟(jì)效益。

金溪航電樞紐工程作為嘉陵江全江渠化的第7個(gè)梯級(jí)，是一座航運(yùn)、發(fā)電、灌溉及旅游綜合利用的工程，對(duì)實(shí)現(xiàn)嘉陵江航道的全面渠化、改善通航條件、水運(yùn)發(fā)展起到了重要作用。

(2)樞紐建筑物布置優(yōu)化調(diào)整。

2003年7月，中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院(以下簡(jiǎn)稱“成都院”)參與了金溪航電樞紐工程的設(shè)計(jì)投標(biāo)工作。針對(duì)初步設(shè)計(jì)成果，深入研究，作出了以下幾方面的優(yōu)化調(diào)整:

①泄洪建筑物布置的調(diào)整。

初設(shè)方案中，樞紐建筑物由左岸接頭壩、船閘、溢流壩、泄洪沖沙閘、沖沙廊道、廠房及右岸擋水壩等組成，其中，溢流壩為開(kāi)敞式，布置3孔，每孔寬10 m。經(jīng)過(guò)對(duì)“19孔泄洪閘+30 m溢流壩”、“19孔泄洪閘”、“20孔泄洪閘”、“21孔泄洪閘”四種布置方案進(jìn)行泄流計(jì)算，發(fā)現(xiàn)“20孔泄洪閘”方案和“19孔泄洪閘+30 m溢流壩”方案所形成的上游逼高水位(設(shè)計(jì)、校核)相當(dāng)接近，前者略低。綜合考慮樞紐布置、泄流能力、溢流前緣寬度、水庫(kù)淹沒(méi)以及工程工期要求等因素，擬定采用“20孔泄洪閘”方案，即用1孔泄洪閘代替30 m溢流壩，溢流前緣寬度由334.4 m縮短為315.7 m，廠房壩段向主河床(左岸)偏移11.7 m，從而使廠房的進(jìn)水、尾水更順暢，還可較大幅度地減少?gòu)S房壩段的開(kāi)挖工程量。

②廠區(qū)建筑物布置的調(diào)整。

a.初設(shè)方案中，副廠房與升壓站等布置在右岸階地上。投標(biāo)階段，將副廠房與升壓站布置在廠房壩段內(nèi)，其中一次副廠房設(shè)在主機(jī)間下游側(cè)，二次副廠房設(shè)在安裝間上游側(cè)，升壓站設(shè)在安裝間下游側(cè)，從而使廠房布置緊湊，便于管理;減少了母線長(zhǎng)度與電力損耗，可提高經(jīng)濟(jì)效益。

b.初設(shè)方案中，在發(fā)電機(jī)層下設(shè)置電氣夾層，電氣夾層下為流道頂板。在投標(biāo)設(shè)計(jì)階段，機(jī)電與水工緊密配合，經(jīng)過(guò)充分論證，對(duì)該布置進(jìn)行了優(yōu)化，即取消該夾層，在流道頂部大體積混凝土中增設(shè)電纜廊道，由此取消了其電氣夾層板梁柱系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整，可縮短施工工期3個(gè)月左右。

③施工導(dǎo)流方案調(diào)整。

總體上維持初設(shè)階段枯期施工、分兩期導(dǎo)流的方案，但作了以下幾個(gè)方面的調(diào)整:

a.為不過(guò)分束窄一汛期間的主河床，同時(shí)又要兼顧施工的均衡，將一期圍堰中的泄洪閘由7孔調(diào)整為6孔。

b.考慮到廠房基坑圍堰與永久建筑物的結(jié)合，并為保證廠房小基坑的完整性，將廠閘連接壩段(兼作廠房小基坑的縱向圍堰)由10 m調(diào)整為17 m，廠房小基坑的上游圍堰由初設(shè)方案中的土石圍堰調(diào)整為與攔沙坎相結(jié)合的混凝土及漿砌條石圍堰。

c.為保證廠房小基坑縱向圍堰(廠閘連接壩段)高強(qiáng)度連續(xù)施工，將沖沙廊道移至廠房左側(cè)邊墻墻體內(nèi)。

(3)實(shí)施廠房小基坑圍堰施工，提前發(fā)電效益顯著。

金溪航電樞紐工程是嘉陵江上第一個(gè)采用廠房小基坑圍堰施工的工程，可使首臺(tái)機(jī)發(fā)電工期縮短12個(gè)月。

金溪工程之前投建的桐子壕、金銀臺(tái)、新政等電站均采用明渠導(dǎo)流，廠房基坑次枯施工且在當(dāng)年汛期過(guò)水的方式。在金溪工程的設(shè)計(jì)中打破常規(guī)，施工中采用了廠房小基坑圍堰施工、河道過(guò)流的一期導(dǎo)流方案。

該方案一期先圍右岸廠房岸側(cè)，利用一枯(第一年11月～第二年4月)完成7.5孔泄洪沖沙閘及305 m高程以下的全部土建工程和門槽等埋件安裝，廠房底板混凝土、廠閘連接壩段及其下游縱向混凝土圍堰混凝土澆筑、廠房攔沙坎及其加高部分混凝土澆筑。至一枯末，可形成由加高的攔沙坎、廠閘連接壩段及其下游縱向混凝土圍堰、下游土石圍堰構(gòu)成的廠房小基坑圍堰，該圍堰可擋5年一遇汛期洪水。一汛期間(第二年5～10月)，在該圍堰保護(hù)下廠房可繼續(xù)施工土建工程，左岸河床行汛期洪水。二枯(第二年11月～第三年4月)，由一枯形成的7孔泄洪沖沙閘過(guò)枯期流量，施工剩余的左岸13孔泄洪沖沙閘及船閘等工程，而此時(shí)廠房不受影響，仍繼續(xù)施工。至二汛(第三年5～10月)，廠房自身已經(jīng)具備攔擋20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)的能力，期間進(jìn)行剩余的土建工程及機(jī)電安裝，7孔泄洪沖沙閘聯(lián)合左岸基坑破堰過(guò)水。進(jìn)入三枯(第三年10月)，恢復(fù)左岸基坑圍堰，同時(shí)7孔泄洪沖沙閘下閘蓄水，廠房首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，其余機(jī)組繼續(xù)安裝。至此，首臺(tái)機(jī)組僅用兩年時(shí)間即可發(fā)電(由于河道安全事故，直接影響了金溪工程建設(shè)，首臺(tái)機(jī)組的實(shí)際發(fā)電時(shí)間推遲了半年)。

按照明渠導(dǎo)流方案，一枯(第一年11月～第二年4月)僅施工左岸導(dǎo)流明渠，一汛期間(第二年5～10月)主體工程停工;二枯(第二年11月～第三年4月)開(kāi)始右岸廠房及閘壩施工;二汛(第三年5～10月)基坑過(guò)水，主體工程再次停工;三枯(第三年11月～第四年4月)左岸閘壩完成，廠房具備擋20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)的能力并可以在三汛(第四年5～10月)進(jìn)行機(jī)電安裝;進(jìn)入四枯(第四年11月)，利用左岸施工圍堰擋水，首臺(tái)機(jī)組發(fā)電。

綜上所述，從理論上講，廠房小基坑圍堰方案較明渠導(dǎo)流方案首機(jī)發(fā)電時(shí)間可提前一年。即便金溪工程受事故影響，首機(jī)實(shí)際發(fā)電時(shí)間推遲半年，也比原明渠導(dǎo)流方案提前了半年時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。有此成功的范例，嘉陵江開(kāi)發(fā)的后續(xù)工程諸如沙溪等均采用了該導(dǎo)流模式。

(4)特細(xì)沙混凝土特性試驗(yàn)及設(shè)計(jì)齡期專題研究。

嘉陵江流域天然沙多為特細(xì)沙，在多個(gè)工程中均成功采用了低砂率、低用水量、低陷度、高粉煤灰摻量和摻高效減水劑的水工特細(xì)沙混凝土的配制方法，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

按照目前《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265－2001、《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》DL5108－1999、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5057－2009等設(shè)計(jì)規(guī)范，均要求混凝土按C系列強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不宜利用混凝土的后期強(qiáng)度，但經(jīng)充分論證后，也可根據(jù)建筑物的型式、地區(qū)的氣候條件以及開(kāi)始承受荷載的時(shí)間，采用60 d或90 d齡期的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，在特細(xì)沙混凝土中摻用大量的粉煤灰(摻量為40%左右)，可以改善混凝土的和易性、降低水化熱，還能減少水泥用量，節(jié)約水泥。但粉煤灰的活性主要是靠二次水化作用，且粉煤灰混凝土具有早期強(qiáng)度較低、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率較高的特點(diǎn)，在后期其強(qiáng)度可以趕上或超過(guò)未摻粉煤灰的混凝土強(qiáng)度。而目前水工特細(xì)沙混凝土的設(shè)計(jì)齡期均采用28 d，故沒(méi)有用到高摻粉煤灰的特細(xì)沙混凝土的長(zhǎng)處。因此，在使用水工特細(xì)砂混凝土?xí)r，如將其設(shè)計(jì)齡期選為90 d，就可以充分利用高摻粉煤灰的特細(xì)沙混凝土后期強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，對(duì)施工期相對(duì)較長(zhǎng)的水利水電工程也十分有利。

針對(duì)該問(wèn)題，進(jìn)行了嘉陵江流域特細(xì)沙混凝土特性試驗(yàn)及設(shè)計(jì)齡期專題研究。按規(guī)范要求開(kāi)展了水工特細(xì)沙混凝土強(qiáng)度性能、變形性能、熱學(xué)性能、體積穩(wěn)定性及耐久性試驗(yàn)研究，同時(shí)進(jìn)行了90 d齡期混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度及早期強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析，并開(kāi)展了溫控計(jì)算，結(jié)合樞紐建筑物的施工特點(diǎn)、工程的受力特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性并考慮施工質(zhì)量等因素的影響，綜合分析了各建筑物采用90 d齡期混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)的部位為:

①擋水壩、儲(chǔ)門槽壩段、攔沙坎可考慮90 d齡期混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

②泄洪沖沙閘底板及其下游護(hù)坦(除抗磨混凝土外)可考慮90 d齡期混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

③廠房安裝間底板及其布置有儲(chǔ)門槽的上游防洪墻可考慮90 d齡期混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

上述部位混凝土標(biāo)號(hào)改為90 d齡期后，每m3混凝土平均可減少32 kg水泥用量，不僅經(jīng)濟(jì)效益明顯，而且溫度裂縫控制也相對(duì)容易，可謂一舉兩得。

(5)充分考慮閘門開(kāi)啟組合，取消部分消力墩。

在金溪航電樞紐工程原設(shè)計(jì)方案中，借鑒類似工程的經(jīng)驗(yàn)，每孔泄洪閘對(duì)應(yīng)的護(hù)坦均設(shè)有兩座消力墩作為輔助消能工。在技施設(shè)計(jì)階段，根據(jù)金溪工程的實(shí)際特點(diǎn)對(duì)其作了優(yōu)化。

有關(guān)消能工的研究成果表明，消力墩作為輔助消能工，在上下游水頭差較大、小流量泄洪的工況下才具有顯著的消能效果;而當(dāng)下游水深達(dá)到消力墩高度的3倍左右時(shí)，消力墩的消能效果將很微弱。因金溪航電樞紐工程設(shè)有20孔泄洪閘，完全可以通過(guò)合理調(diào)控閘門的運(yùn)行方式在大泄量期間使后開(kāi)啟的閘孔在下游高水位運(yùn)行，從而可以取消這些閘孔所對(duì)應(yīng)的消力墩。據(jù)重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所進(jìn)行的泄洪閘斷面模型試驗(yàn)研究成果，取消了第二～四廂消力池內(nèi)的消力墩。

科學(xué)安排閘門開(kāi)啟及運(yùn)行方式，取消部分泄洪閘下游消力池內(nèi)的消力墩，不僅節(jié)省了部分工程量，同時(shí)也對(duì)施工安排及工期保證有一定的積極作用。

3 結(jié)語(yǔ)

成都院在金溪航電樞紐工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了大量的試驗(yàn)、研究及論證工作，精心設(shè)計(jì)，合理優(yōu)化，在確保工程安全及質(zhì)量的前提下，對(duì)樞紐建筑物的布置型式、結(jié)構(gòu)體型及導(dǎo)流方式等進(jìn)行了合理優(yōu)化，節(jié)約了投資、加快了施工進(jìn)度，為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

該工程于2003年10月開(kāi)工，由中國(guó)水利水電第五工程局承建，四川二灘建設(shè)工程咨詢有限公司監(jiān)理，2006年4月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2008年8月全面建成投產(chǎn)。

目前工程已運(yùn)行4年多時(shí)間，擋、泄水建筑物經(jīng)歷了每年的洪峰考驗(yàn)，河床式廠房?jī)?nèi)部環(huán)境干凈整潔，基本無(wú)浸潤(rùn)滲漏痕跡，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況良好。2010年獲四川省優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)三等獎(jiǎng)。