趙 艷，尤 林，楊興義，熊先濤

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

某水電站工程位于牛欄江中游大巖洞至大坪子河段，地處云南東北部云貴兩省交接處，其左岸為云南省會(huì)澤縣，右岸是貴州省威寧縣。電站采用引水式開(kāi)發(fā)方式，水庫(kù)正常蓄水位1 496.00 m，相應(yīng)庫(kù)容為349.42萬(wàn)m3，裝機(jī)容量為84 MW，多年平均年發(fā)電量3.831 2億kW·h，具有日調(diào)節(jié)性能。工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)為單一發(fā)電工程，無(wú)灌溉、防洪等綜合利用要求。本工程等別為Ⅲ等工程，其永久性主要水工建筑物按3級(jí)設(shè)計(jì)，次要永久性水工建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)，臨時(shí)性水工建筑物按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)目可研階段設(shè)計(jì)工作并非我公司承擔(dān)，并已經(jīng)完成并通過(guò)了政府的核準(zhǔn)，業(yè)主委托我公司進(jìn)行可行性研究?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)及施工圖階段的設(shè)計(jì)。

對(duì)于首部樞紐建筑物，結(jié)合壩址區(qū)補(bǔ)充地勘資料，考慮壩體對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性、壩型和筑壩材料、引水防沙、消能防沖、施工工藝及施工質(zhì)量的控制等，原可研方案漿砌石重力壩壩型調(diào)整為閘壩壩型更為適合，并可減少樞紐建筑物的工程量、降低造價(jià)。根據(jù)最新地形、地質(zhì)勘探資料，考慮到工程施工期和運(yùn)行期的安全、施工難度等，調(diào)壓井、廠(chǎng)房的布置也有必要進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

1 原樞紐布置方案

大巖洞樞紐布置包括攔河壩、左岸引水系統(tǒng)和發(fā)電廠(chǎng)房。攔河壩采用混凝土砌石重力壩壩型，壩軸線(xiàn)直線(xiàn)布置，與下游河道方向基本垂直。攔河重力壩由泄洪沖沙壩段和非溢流壩段組成。壩頂總長(zhǎng)142.00 m，壩頂高程1 498.90 m，最大壩高47.90 m，非溢流壩段壩頂寬6.00 m，總長(zhǎng)97.00 m。泄洪沖沙壩段長(zhǎng)度45.00 m，由一孔開(kāi)敞式溢流表孔及三孔泄洪沖沙底孔組成。壩體左側(cè)靠近沖砂底孔壩段埋設(shè)一根DN2 000 mm的鋼管作為生態(tài)用水放水管，放水管出口設(shè)DN2 000 mm閘閥兩個(gè)。布置采用底流消能型式，消力池長(zhǎng)50.00 m，寬41.00 m ，消力池尾部設(shè)尾坎，坎后接長(zhǎng)15.00 m的護(hù)坦。首部樞紐布置見(jiàn)圖1。

圖1 首部樞紐布置示意(原可研方案)

引水系統(tǒng)布置于左岸山體中，由進(jìn)水口、壓力引水道、調(diào)壓室、地下埋藏式壓力鋼管段(岔管、支管)等組成，總長(zhǎng)度6 446.76 m，采用1管3機(jī)的布置方式。進(jìn)水口位于攔河壩前的左岸，壩頂高程1 498.90 m。進(jìn)水口與引水隧洞之間采用直接進(jìn)洞的方式銜接。引水隧洞長(zhǎng)6 189.89 m，圓形斷面，其直徑為6.90 m。壓力管道主管直徑6.0 m，與廠(chǎng)房軸線(xiàn)成90°角，在廠(chǎng)房前經(jīng)兩次分岔管后分為3條直徑3.20 m的支管連接蝶閥進(jìn)口。

發(fā)電廠(chǎng)房位于大坪子下游側(cè)，采用地面廠(chǎng)房。主機(jī)間長(zhǎng)43.50 m，寬18.50 m，安裝場(chǎng)布置在主機(jī)間右側(cè)(上游側(cè))，長(zhǎng)24.80 m， 寬18.50 m，副廠(chǎng)房(中控樓)布置在緊靠安裝間的靠山一側(cè)，尺寸為24.80 m×13.00 m(長(zhǎng)×寬)，共三層。GIS室(長(zhǎng)43.50 m×寬10.20 m)布置在主廠(chǎng)房的后方。電站發(fā)電機(jī)層高程1 407.10 m，水輪機(jī)層高程1 401.10 m。

2 原可研設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

2.1 首部樞紐

2.1.1 樞紐布置

(1)從首部樞紐模型試驗(yàn)的效果看，壩前進(jìn)水口流態(tài)不穩(wěn)定，下泄水流流態(tài)較差且消能效果不理想，消力池和護(hù)坦長(zhǎng)度不夠，消能不充分，對(duì)下游河床及岸坡的沖刷較大。

(2)校核洪水位控制壩頂高程，很不經(jīng)濟(jì)。校核洪水位高于正常蓄水位2.80 m，如非受制于天然河床寬度及地形條件限制，出現(xiàn)這樣的情況是不適宜的。從河床寬度及目前的首部樞紐布置方式來(lái)看，最寬的孔口為溢流表孔，底坎頂高程過(guò)高，大大限制了其過(guò)流能力，需要研究加大溢流表孔泄洪能力的可能性，將校核洪水位降至正常蓄水位以下，以降低壩頂高程，節(jié)約工程投資。

2.1.2 壩體結(jié)構(gòu)

(1)壩頂高程僅比校核水位高0.10 m，考慮到壩與進(jìn)水口相接，壩頂高程偏低。

(2)溢流表孔弧形閘門(mén)與檢修閘門(mén)的布置不合理，影響壩體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(3)考慮監(jiān)測(cè)設(shè)施、操作房等結(jié)構(gòu)的布置，壩頂寬度需要增加，壩頂面積可能需要加大。

(4)進(jìn)水口處沒(méi)有布置清污平臺(tái)，靠進(jìn)水口側(cè)壩體全為孔口泄洪，無(wú)法排除庫(kù)區(qū)漂浮物，進(jìn)水口前漂浮物淤積較嚴(yán)重。

(5)右岸開(kāi)挖深度、開(kāi)挖方式導(dǎo)致右岸擋水壩壩肩開(kāi)挖量較大。

(6)前重力壩壩體采用細(xì)石混凝土砌塊石，外包漿砌混凝土預(yù)制塊，上游布置混凝土防滲心墻的形式。該結(jié)構(gòu)型式工藝復(fù)雜，不易機(jī)械化施工，施工質(zhì)量不易控制，工期相對(duì)較長(zhǎng)。

2.1.3 大壩建基面

河床建基面置于弱風(fēng)化的二疊系梁山組地層之上，開(kāi)挖深度25.00 m，并進(jìn)行灌漿處理。建基面巖體巖性為石英砂巖、泥巖、少量灰?guī)r和煤線(xiàn)，巖性復(fù)雜且軟弱，同時(shí)位于背斜的核部，地層較為破碎。由于頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖的可灌性較差，泥頁(yè)巖開(kāi)挖暴露之后存在遇水泥化、軟化的現(xiàn)象，也可能存在增加基礎(chǔ)開(kāi)挖深度的問(wèn)題。

2.1.4 防滲排水

根據(jù)報(bào)告描述，壩址區(qū)灰?guī)r的巖溶現(xiàn)象發(fā)育。從現(xiàn)場(chǎng)勘查情況來(lái)看，右岸導(dǎo)流洞和兩岸壩頂高程的勘探平洞在水平埋深100.00 m范圍內(nèi)，其溶洞發(fā)育，現(xiàn)有勘探未找到巖溶發(fā)育的水平埋深。鉆孔揭示，壩址區(qū)巖層的透水率遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的“小于5Lu”，但是可研報(bào)告中防滲帷幕的范圍、厚度、帷幕的滲流穩(wěn)定性、巖層可灌性，以及帷幕在溶洞、溶穴中的處置措施等方面都沒(méi)有相關(guān)論證。

2.1.5 壩肩穩(wěn)定

根據(jù)樞紐方案，兩岸壩肩開(kāi)挖邊坡較高，右岸高達(dá)60.00 m，兩岸淺表部巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，加之巖溶現(xiàn)象較發(fā)育，高邊坡局部穩(wěn)定問(wèn)題突出?？裳袌?bào)告中對(duì)此沒(méi)有進(jìn)行深入研究，但可研報(bào)告的審查意見(jiàn)要求下階段對(duì)壩肩邊坡穩(wěn)定進(jìn)行進(jìn)一步復(fù)核。

2.1.6 抗滑穩(wěn)定

壩基巖層為淺灰、淺棕色石英砂巖、灰質(zhì)灰?guī)r并夾有煤層及泥巖，同時(shí)壩基巖層傾向平緩，從產(chǎn)狀和巖性看，對(duì)壩體及深層抗滑穩(wěn)定不利。

2.1.7 庫(kù) 區(qū)

上游庫(kù)區(qū)以及近壩庫(kù)岸發(fā)育有泥石流溝，且規(guī)模較大，但對(duì)工程樞紐的影響沒(méi)有展開(kāi)研究，也沒(méi)有任何處理措施?？裳袌?bào)告的審查意見(jiàn)明確了水庫(kù)淤積問(wèn)題嚴(yán)重并建議進(jìn)行處理，但是可研報(bào)告并無(wú)具體處理措施和工程造價(jià)。

2.1.8 下游河岸防護(hù)

下泄水流對(duì)河床及岸坡的沖刷問(wèn)題突出，需要補(bǔ)充研究防沖加固措施。

2.1.9 地勘工作的深度

大壩建基面的確定及抗滑穩(wěn)定計(jì)算對(duì)地勘深度的依賴(lài)性較強(qiáng)。地質(zhì)條件的好壞直接影響到設(shè)計(jì)方案的成立與否。從原可研報(bào)告的成果來(lái)看，河床僅有一個(gè)鉆孔資料，地勘工作嚴(yán)重不足，這會(huì)導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)調(diào)整與變更的可能性加大。

2.1.10 施 工

由于巖溶發(fā)育和基礎(chǔ)開(kāi)挖深度較大，且河床基礎(chǔ)開(kāi)挖時(shí)涌水較大，施工困難。

2.1.11 運(yùn)行方式

原可研設(shè)計(jì)泥沙調(diào)度擬定的沖沙條件為：過(guò)機(jī)泥沙影響機(jī)組安全運(yùn)行時(shí)敞泄沖沙，但該條件不具備可操作性，實(shí)際運(yùn)行中并不能準(zhǔn)確判斷敞泄沖沙的時(shí)間。當(dāng)流量大于廠(chǎng)房校核標(biāo)準(zhǔn)流量時(shí)沖沙，廠(chǎng)房校核標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇洪水，所定敞泄沖沙的流量太大，而在實(shí)際運(yùn)行中水庫(kù)基本不沖沙，汛期基本常年維持1 490.00 m高程運(yùn)行，并且由于大巖洞水庫(kù)庫(kù)容較小，入庫(kù)推移質(zhì)泥沙及懸移質(zhì)粗砂將很快淤積至電站進(jìn)水口前。

對(duì)于本工程而言，滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)需要精度的水工及泥沙模型試驗(yàn)是有必要的。鑒于所擬的水庫(kù)運(yùn)行方式存在上述問(wèn)題，需要再度進(jìn)行引水防沙模型試驗(yàn)確定合理的引水防沙調(diào)度方式。

2.2 引水系統(tǒng)

2.2.1 地質(zhì)資料

按照?qǐng)?bào)告中對(duì)圍巖的分類(lèi)：圍巖Ⅱ類(lèi)占總長(zhǎng)度的84.2%；Ⅲ類(lèi)占總長(zhǎng)度的14.9%；Ⅳ類(lèi)占總長(zhǎng)度的0.2%；Ⅴ類(lèi)段占總長(zhǎng)度的0.7%。根據(jù)導(dǎo)流洞、壩址平硐和工程經(jīng)驗(yàn)判斷，灰?guī)r地層的圍巖類(lèi)別基本為Ⅲ類(lèi)，部分?jǐn)鄬悠扑閹?、擠壓破碎帶、裂隙發(fā)育段和巖溶發(fā)育段為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)，所以可研報(bào)告判斷的圍巖類(lèi)別明顯偏高。

2.2.2 調(diào)壓室布置及結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘的情況，考慮埋藏式調(diào)壓室上覆巖石受風(fēng)化卸荷的影響，調(diào)壓井穹頂上覆巖體厚度較薄(僅幾米厚)且井筒跨度大，施工中穹頂巖體穩(wěn)定問(wèn)題突出，穹頂成洞及施工困難；調(diào)壓井井筒直徑大，開(kāi)挖及混凝土施工都較為不便。

2.2.3 開(kāi)挖底坡設(shè)計(jì)

引水隧洞全段采用3‰底坡設(shè)計(jì)。結(jié)合地質(zhì)資料，隧洞下方分布的梁山組層對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)存在不利影響，導(dǎo)致襯砌厚度加大，這就造成了工程量和投資的增加。

2.3 廠(chǎng)區(qū)樞紐

2.3.1 廠(chǎng)房位置

結(jié)合可研報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，廠(chǎng)址后邊坡中上部卸荷裂隙發(fā)育，規(guī)模較大，下部為一凹槽地形，后坡覆蓋層厚8.00～12.00 m，遇暴雨時(shí)廠(chǎng)房存在山洪沖涮風(fēng)險(xiǎn)；施工期和運(yùn)行期還存在危巖體崩塌、掉塊的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2 廠(chǎng)房穩(wěn)定及地基應(yīng)力

本電站校核洪水位高，由可研成果可知，廠(chǎng)房水下高度為25.87 m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，廠(chǎng)房抗浮、抗滑穩(wěn)定安全及基礎(chǔ)應(yīng)力問(wèn)題較為突出，應(yīng)進(jìn)一步復(fù)核。

2.3.3 邊坡穩(wěn)定

廠(chǎng)房基礎(chǔ)置于基巖上，開(kāi)挖坡比1:0.3，后邊坡永久高度約40.00 m，臨時(shí)邊坡最大高度約60.00 m。邊坡較陡，邊坡穩(wěn)定及支護(hù)有待進(jìn)一步復(fù)核。

2.3.4 尾水出流及防沙

本電站正常尾水位與下游梯級(jí)正常蓄水位重疊約7.00 m，尾水采用正向出流的布置形式，設(shè)攔砂坎和疊梁閘進(jìn)行防沙。該段河道泥沙較多，尤其在下游電站建成后，本電站直接處于庫(kù)尾，泥沙淤積將導(dǎo)致尾水出流不暢。

2.3.5 進(jìn)廠(chǎng)交通布置

廠(chǎng)房從上游側(cè)進(jìn)廠(chǎng)。從現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)上游側(cè)并無(wú)公路相通，且臨河側(cè)邊坡高陡，與已有公路高程約有50.00 m高差，進(jìn)廠(chǎng)交通布置存在較大難度。

3 優(yōu)化布置設(shè)計(jì)

大巖洞水電站工程可研優(yōu)化方案和原可研方案樞紐布置總體格局一致，由首部樞紐、左岸引水系統(tǒng)、左岸地面廠(chǎng)區(qū)樞紐三部分組成。壩址沿用原可研推薦的上壩址(大巖洞壩址)，對(duì)壩軸線(xiàn)和壩型、引水隧洞線(xiàn)路、廠(chǎng)房型式及廠(chǎng)址進(jìn)行了方案比選。

3.1 壩軸線(xiàn)選擇

壩軸線(xiàn)選擇越短工程量越省。兩岸壩肩岸坡具有良好的地形地質(zhì)條件，不僅有利于減少壩肩接頭和防滲工程量，還有利于樞紐的取水、防沙、消能、防沖等其它建筑物的布置。在壩址區(qū)選擇了兩條壩線(xiàn)進(jìn)行比選，上下壩線(xiàn)相距27.00 m，上壩線(xiàn)為原可研重力壩壩軸線(xiàn)(見(jiàn)圖2)。各壩線(xiàn)工程地質(zhì)條件及主要工程地質(zhì)問(wèn)題見(jiàn)表1。

圖2 上下壩線(xiàn)比較

結(jié)合原可研和補(bǔ)充地勘資料對(duì)比分析，從首部樞紐布置看，上下兩軸線(xiàn)相距27.00 m，地形、地貌一致，樞紐布置相同。上壩線(xiàn)河床覆蓋層物質(zhì)組成較復(fù)雜且相對(duì)較深，對(duì)閘基穩(wěn)定不利，需加大基礎(chǔ)處理工程量，增加投資。上壩線(xiàn)左岸壩頭部位出露的卸荷溶蝕松弛巖體需工程處理，增加投資。從水工布置及投資定性上分析，下壩線(xiàn)方案優(yōu)于上壩線(xiàn)。

3.2 壩型選擇

從兩岸壩基的工程地質(zhì)條件來(lái)看，兩岸壩基置于二疊系下統(tǒng)的厚層～巨厚狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r上，基巖開(kāi)挖深度20.00～35.00 m，弱風(fēng)化下段、弱卸荷巖體。兩岸自然邊坡穩(wěn)定，采用閘壩壩型對(duì)工程邊坡開(kāi)挖量及對(duì)邊坡現(xiàn)狀改變較重力壩小，對(duì)基礎(chǔ)的處理工程量也較重力壩小。同時(shí)，壩基河床覆蓋層為含泥卵(碎)礫石層(alQ4)，其厚度約為10.00 m，結(jié)構(gòu)單一，允許承載力R在0.50～0.55 MPa間，其承載能力和抗變形能力基本滿(mǎn)足閘壩基礎(chǔ)要求。

經(jīng)過(guò)對(duì)河道的上下游地形地質(zhì)條件和水流特性進(jìn)行分析，應(yīng)盡可能減少對(duì)原來(lái)河道的水、沙運(yùn)動(dòng)特性的改變，使汛期泥沙能順利下泄，防止水庫(kù)發(fā)生累積性淤積。借鑒國(guó)內(nèi)已建類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，本工程采用混凝土全閘控制水流，枯水期河流泥沙少，水庫(kù)蓄水至正常蓄水位運(yùn)行；洪水期水量大，推移質(zhì)、懸移質(zhì)多，需降低庫(kù)水位，大排大泄，并進(jìn)行溯源沖沙，排除水庫(kù)淤積和洪水帶來(lái)的泥沙。同時(shí)，沖沙閘采用不定期敞泄沖沙，保證進(jìn)水口“門(mén)前清”。該閘壩布置型式能有效解決引水、沖沙問(wèn)題，保持水庫(kù)日調(diào)節(jié)庫(kù)容；在泄洪消能布置上，有利于上下游水流銜接，減小洪水對(duì)下游的沖刷。

表1 壩址區(qū)比選壩線(xiàn)主要工程地質(zhì)條件比較

3.3 引水隧洞線(xiàn)路選擇

在可研優(yōu)化初期，根據(jù)2號(hào)施工支洞布置調(diào)整并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地形條件，設(shè)計(jì)人員提出了新的上廠(chǎng)址布置方案。新增上廠(chǎng)址方案位于可研廠(chǎng)址位置上游約900.00 m處，該方案裝機(jī)容量不變，具有洞線(xiàn)較短、工程量及水頭損失較小等優(yōu)點(diǎn)。為此，項(xiàng)目部開(kāi)展了上廠(chǎng)址方案引水隧洞洞線(xiàn)、調(diào)壓井、壓力管道及廠(chǎng)房的布置設(shè)計(jì)工作，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的地勘工作。地質(zhì)鉆孔資料表明：調(diào)壓井選址范圍內(nèi)均為分布寬廣、深厚的“鈣化臺(tái)”，且主體建筑物多位于中下部松散的碎石土層內(nèi)，其工程性狀差，對(duì)于開(kāi)挖直徑約25.00 m、高45.00 m規(guī)模的大型硐室，成洞條件極差，工程處理難度較大；壓力管道上平段及上彎段(或部分豎井段)位于松散的碎石土內(nèi)，同樣成洞條件差，工程處理難度大，不具備布置調(diào)壓井和壓力管道的條件，因此仍然采用可研的下廠(chǎng)址方案。

3.4 廠(chǎng)房型式及廠(chǎng)址選擇

本工程規(guī)劃廠(chǎng)區(qū)河段內(nèi)岸坡較緩，具備布置地面廠(chǎng)房的條件。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，地下廠(chǎng)房具有工程投資大、施工難度大的特點(diǎn)，且本工程區(qū)為灰?guī)r地形，局部巖溶發(fā)育，風(fēng)險(xiǎn)較大，故本階段仍選定地面廠(chǎng)房方案。

本工程可研選定地面廠(chǎng)房(下廠(chǎng)址)位于大坪子村下游側(cè)岸邊，相應(yīng)調(diào)壓井布置于后側(cè)山體內(nèi)，施工難度大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，在上游約900.00 m處二坪子村一帶岸坡前緣較緩，至高程1 500.00 m后，地形變陡，形成近30.00 m的陡坡，坡頂出露平緩臺(tái)地，坡度5°～10°。如將廠(chǎng)房布置在岸邊，相應(yīng)調(diào)壓井布置在坡頂平臺(tái)，能降低調(diào)壓井施工難度，從地形條件看，滿(mǎn)足工程布置需要且施工難度小。故將此處作為比選廠(chǎng)址(上廠(chǎng)址)進(jìn)行地質(zhì)勘探和綜合比較。

根據(jù)地表調(diào)查及勘探揭示，上廠(chǎng)址斜坡部位淺表部出露崩坡堆積物，厚度在1.50～6.00 m之間，下部出露泥盆系上統(tǒng)的灰?guī)r，巖體堅(jiān)硬較完整；后部陡坡及坡頂平臺(tái)部位出露鈣化角礫巖，厚度約21.00 m，以下分布有厚度較大的碎石土層，為早期崩坡堆積物，表現(xiàn)為典型的“鈣化臺(tái)”結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

根據(jù)地質(zhì)條件，上廠(chǎng)址廠(chǎng)房基礎(chǔ)置于基巖上，廠(chǎng)房基礎(chǔ)條件尚可，但相應(yīng)調(diào)壓井及壓力管道需布置在后側(cè)角礫巖和碎石土層內(nèi)，成洞條件極差，無(wú)法滿(mǎn)足工程需要，故本階段仍將下廠(chǎng)址作為選定廠(chǎng)址。

3.5 優(yōu)化方案工程總體布置

綜合壩址、壩線(xiàn)、壩型、左岸引水線(xiàn)路、廠(chǎng)址及廠(chǎng)房型式的選擇結(jié)論，本工程推薦采用：原可研壩址下壩線(xiàn)閘壩-左岸有壓引水隧洞-左岸地面廠(chǎng)房的工程總布置方案。樞紐主要建筑物由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠(chǎng)區(qū)樞紐三大部分組成。

首部樞紐包括右岸擋水壩段、閘室段、左岸接頭壩段、左岸電站進(jìn)水口及下游消能、防沖建筑物等。閘室段寬41.00 m，長(zhǎng)41.00 m，由3孔泄洪閘和1孔沖沙閘組成，閘底板頂高程1 473.00 m，閘頂高程1 498.00 m。單孔泄洪閘尺寸7.00 m×13.00 m(寬×高)，沖沙閘尺寸3.00 m×8.00 m(寬×高)。右岸擋水壩為混凝土重力壩，分為3個(gè)壩段，長(zhǎng)48.77 m，壩頂高程為1 498.00 m；左岸接頭壩段采用了土石回填，頂部布置上壩連接公路，公路路面高程1 498.00 m。左岸電站進(jìn)水口前緣線(xiàn)與閘軸線(xiàn)呈115°夾角，其寬23.50 m，長(zhǎng)31.00 m，頂高程1 498.00 m，底板頂高程1 476.00 m。消能防沖建筑物由護(hù)坦和海漫組成，護(hù)坦長(zhǎng)60.00 m，海漫總長(zhǎng)50.00 m；海漫前20.00 m為鋼筋混凝土海漫，后30.00 m為鋼筋石籠海漫。生態(tài)用水放水管布置在左岸進(jìn)水口，進(jìn)口位于高程1 480.00 m，管內(nèi)徑DN2 000 mm，出口設(shè)置兩個(gè)閘閥。左岸連接壩段采用土石回填，頂部布置上壩連接公路，公路路面高程1 498.00 m。

引水隧洞采用有壓引水形式，隧洞從進(jìn)水口至調(diào)壓室全長(zhǎng)6 216.90 m，隧洞斷面為圓形，斷面半徑為3.45 m。調(diào)壓室基本位于原可研調(diào)壓室處，由原可研的埋藏式調(diào)整為開(kāi)敞式。調(diào)壓室采用阻抗式，井筒斷面采用圓型，直徑23.00 m，調(diào)壓室后接地下埋藏式壓力管道，采用一條主管通過(guò)兩個(gè)非對(duì)稱(chēng)“Y”型岔管分別向三臺(tái)機(jī)組供水的布置方式，主管內(nèi)徑6.00 m，總長(zhǎng)約206.76 m；支管管徑3.20 m，總長(zhǎng)約107.00 m。

廠(chǎng)區(qū)建筑物包括主廠(chǎng)房、主變和GIS樓、中央控制樓、尾水閘及尾水渠、進(jìn)廠(chǎng)公路及回車(chē)場(chǎng)等，采用全地面布置型式。主機(jī)間與安裝間平行于河流布置，安裝間布置于主機(jī)間下游側(cè)，其中主機(jī)間長(zhǎng)度47.40 m，安裝間長(zhǎng)度21.80 m，寬度均為19.00 m；主變和GIS樓布置于主機(jī)間后側(cè)，長(zhǎng)度47.40 m，寬10.00 m；中央控制樓布置在安裝間后側(cè)，長(zhǎng)21.80 m，寬10.00 m。尾水采用斜向出流布置，尾水自機(jī)組出流后向河道偏轉(zhuǎn)約70°，廠(chǎng)房采用下游側(cè)平行進(jìn)廠(chǎng)。

4 優(yōu)化方案與可研設(shè)計(jì)方案的比較

4.1 首部樞紐

可研優(yōu)化方案與原可研方案首部樞紐布置總體格局一致，由左岸進(jìn)水口、攔河大壩、消能防沖建筑物等組成。主要優(yōu)化調(diào)整如下。

(1)閘壩方案對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性更優(yōu)。根據(jù)重力壩承載及變形的要求，現(xiàn)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖溶現(xiàn)象較發(fā)育，經(jīng)針對(duì)性的工程處理后，具備建壩的地形地質(zhì)條件。但壩址河床分布的覆蓋層及其下伏淺部基巖，力學(xué)性狀差，對(duì)抗滑穩(wěn)定也有不利影響。因此，重力壩方案對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性相對(duì)較差，而閘壩方案對(duì)工程地質(zhì)條件的適應(yīng)性相對(duì)較優(yōu)。

(2)下壩軸線(xiàn)優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化方案壩軸線(xiàn)在原可研方案壩軸線(xiàn)下游約27.00 m，下移后覆蓋層厚度減少約2.30 m，其組成物相對(duì)單一，可避開(kāi)不利于建基的砂層和黏土層，覆蓋層承載能力增強(qiáng)，滿(mǎn)足建閘需要。下閘線(xiàn)建閘閘基可置于覆蓋層上，底部建基面可抬高18 m左右，可較大幅度減少基礎(chǔ)開(kāi)挖量及筑壩材料量等，且壩軸線(xiàn)下移后可避開(kāi)上壩線(xiàn)左岸壩頭部位出露的卸荷溶蝕松弛巖體。結(jié)合上下壩軸線(xiàn)地質(zhì)條件的分析與比較，閘壩方案可較大地節(jié)約工程量，降低首部樞紐工程投資。

(3)筑壩材料強(qiáng)度高。原可研方案采用重力壩壩型，材料采用細(xì)石混凝土砌塊石，外包漿砌混凝土預(yù)制塊；可研優(yōu)化方案采用閘壩壩型，材料采用常態(tài)混凝土。閘壩方案混凝土強(qiáng)度高，可靠性高。

(4)施工方面優(yōu)勢(shì)明顯。從施工工藝看，重力壩方案采用細(xì)石混凝土砌塊石、外包漿砌混凝土預(yù)制塊、上游布置混凝土防滲心墻的形式，工藝復(fù)雜，不易機(jī)械化施工，施工質(zhì)量也不易控制；而閘壩方案采用常態(tài)混凝土施工，工藝簡(jiǎn)單，易于機(jī)械化施工，能把控好施工質(zhì)量。

(5)有利于解決泥沙問(wèn)題。由于牛欄江汛期泥沙含量大，推移質(zhì)泥沙多，泥沙問(wèn)題突出。因此，解決進(jìn)水口的引水防沙及汛期束水沖沙，并保證水庫(kù)沖沙、排沙、控制水庫(kù)淤積及進(jìn)水口“門(mén)前清”是本工程的關(guān)鍵問(wèn)題之一。原可研重力壩方案設(shè)一孔開(kāi)敞式溢流表孔及三孔泄洪沖沙底孔，泥沙調(diào)度擬定的運(yùn)行方式在運(yùn)行中水庫(kù)基本不沖沙，入庫(kù)推移質(zhì)泥沙及懸移質(zhì)粗沙將很快淤積至電站取水口前，進(jìn)而給工程的正常運(yùn)行帶來(lái)負(fù)面影響。閘壩的堰頂與河床同高，相比之下更有利于解決水庫(kù)淤積及排沙問(wèn)題。

(6)進(jìn)水口布置更合理。原可研方案進(jìn)水口取水角為90°，而可研優(yōu)化方案進(jìn)水口取水角為115°。根據(jù)水力學(xué)模型試驗(yàn)成果并類(lèi)比相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)可知，在各運(yùn)行工況下，電站進(jìn)水口、沖沙閘及泄洪閘前水流流態(tài)良好，沒(méi)有明顯的立軸漩渦出現(xiàn)，可研優(yōu)化方案進(jìn)水口布置更加合理。

(7)消能防沖更有利。根據(jù)大巖洞水電站水文、地質(zhì)條件，結(jié)合原可研方案和可研優(yōu)化方案水力學(xué)模型試驗(yàn)成果得出，可研優(yōu)化方案消能更加充分，對(duì)下游河道沖刷更小。

(8)開(kāi)挖、基礎(chǔ)處理及筑壩材料工程量大幅減少。優(yōu)化方案在開(kāi)挖量、基礎(chǔ)處理及筑壩材料量上較原可研方案少，特別是石方明挖、帷幕灌漿、固結(jié)灌漿量可研優(yōu)化方案較原可研方案分別減少15.66萬(wàn)m3、0.92萬(wàn)m、1 520 m，筑壩材料可研優(yōu)化方案減少5.27萬(wàn)m3；可研優(yōu)化方案在鋼材使用上較原可研方案有所增加：鋼筋增加183 t，新增Q345C鋼板132.4 t。

4.2 引水系統(tǒng)

(1)引水隧洞路線(xiàn)的調(diào)整。廠(chǎng)址采用原可研的下廠(chǎng)址上移30.00 m的方案，配合施工支洞布置的調(diào)整、廠(chǎng)址的調(diào)整進(jìn)行洞線(xiàn)布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，電站進(jìn)水口在原可研方案的基礎(chǔ)上往下游移動(dòng)了約30.00 m，后續(xù)的P2、P3轉(zhuǎn)彎點(diǎn)轉(zhuǎn)彎參數(shù)也做了調(diào)整，使洞線(xiàn)銜接更平順。原可研方案2號(hào)施工支洞所處位置為覆蓋層，不利于其布置，現(xiàn)場(chǎng)將2號(hào)施工支洞沿河道往下游調(diào)整約1 008.00 m，引水隧洞洞線(xiàn)P4轉(zhuǎn)彎點(diǎn)根據(jù)2號(hào)施工支洞的調(diào)整，往下游移動(dòng)了約1 008.00 m，并根據(jù)隧洞沿線(xiàn)地形往山體內(nèi)移動(dòng)約50.00 m；考慮到機(jī)組中心線(xiàn)在原可研方案的基礎(chǔ)上往上游移動(dòng)了約30.00 m，為保證隧洞和壓力管道平順連接，在調(diào)壓室上游增設(shè)了一個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)P6，P6點(diǎn)位于調(diào)壓室上游約50.00 m處。優(yōu)化洞線(xiàn)長(zhǎng)約6 216.90 m。

(2)引水隧洞縱坡優(yōu)化節(jié)省襯砌結(jié)構(gòu)工程量。原可研方案洞線(xiàn)全線(xiàn)采用3‰底坡設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)階段根據(jù)洞線(xiàn)縱剖面的地質(zhì)條件，結(jié)合隧洞下方的梁山組層的分布情況，隧洞部分洞段縱坡調(diào)緩，應(yīng)盡量避開(kāi)或減小梁山組對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的影響，達(dá)到節(jié)省工程量的目的。調(diào)整后的引水隧洞在(引)0+015.00 m～(引)5+000.00 m段，底坡i為0.067 807%；在(引)5+000.00 m～(引)6+206.40 m段，底坡i為1.294 76%。

(3)隧洞襯砌厚度的優(yōu)化。原可研設(shè)計(jì)隧洞不論圍巖類(lèi)別，均采用0.60 m厚的混凝土襯砌。優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖采用0.30 m厚混凝土襯砌；Ⅳ類(lèi)圍巖采用0.50 m厚混凝土襯砌；Ⅴ類(lèi)圍巖采用0.60 m厚混凝土襯砌。

(4)調(diào)壓室布置型式施工更方便、安全度更高、投資更省。原可研方案采用埋藏式調(diào)壓室，由于其上覆埋深不足，井筒附近覆蓋層分布較廣，穹頂施工難度大，井筒施工不便。

針對(duì)原可研設(shè)計(jì)調(diào)壓室方案存在的不足，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)比較了開(kāi)敞式調(diào)壓室和埋藏式調(diào)壓室兩種布置方案?？紤]調(diào)壓室上覆巖石受風(fēng)化卸荷的影響，為保證施工中穹頂巖體穩(wěn)定及便于井筒施工等因素，結(jié)合總體布置、調(diào)壓室以及廠(chǎng)址區(qū)的地形地質(zhì)條件等，考慮降低工程造價(jià)，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)推薦采用開(kāi)敞式調(diào)壓室方案，該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是施工方便，工程量及投資較省。

(5)引水系統(tǒng)開(kāi)挖、混凝土、鋼材工程量大幅減少。優(yōu)化方案根據(jù)上述調(diào)整變化后，較原可研方案節(jié)省開(kāi)挖16 653 m3、混凝土31 678 m3及鋼筋1 288 t。

4.3 廠(chǎng)區(qū)樞紐

可研審查基本同意廠(chǎng)區(qū)樞紐及主要結(jié)構(gòu)布置。鑒于本電站處于象鼻嶺電站庫(kù)尾，要求復(fù)核廠(chǎng)房各特征水位，重視廠(chǎng)區(qū)防洪及排水設(shè)計(jì)；為減小庫(kù)區(qū)淤積對(duì)尾水出流的影響，建議適當(dāng)減小水位重疊。針對(duì)可研審查意見(jiàn)及本工程實(shí)際情況，根據(jù)原可研及優(yōu)化階段的水文、地質(zhì)、動(dòng)能及機(jī)組資料，開(kāi)展了廠(chǎng)區(qū)樞紐布置、廠(chǎng)房尺寸及內(nèi)部布置、尾水出流及防淤、廠(chǎng)區(qū)防洪及排水等方面的研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)廠(chǎng)區(qū)樞紐布置更安全、方便?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)原廠(chǎng)房處于大坪子村平臺(tái)凹槽地形末端，后坡下部分布有崩坡積物(col+dlQ4)，且結(jié)構(gòu)松散，后坡中上部分布有危巖體，在施工期和運(yùn)行期存在危石崩塌、山洪沖刷的可能。為降低風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化方案，將廠(chǎng)區(qū)建筑物向上游平移了約30.00 m(見(jiàn)圖3)。

圖3 廠(chǎng)房位置調(diào)整前后示意

原可研采用上游進(jìn)廠(chǎng)，進(jìn)廠(chǎng)公路與廠(chǎng)壩連接路銜接。本階段由于業(yè)主營(yíng)地施工和場(chǎng)內(nèi)交通已基本形成，廠(chǎng)壩連接路已修建至業(yè)主營(yíng)地(廠(chǎng)房上游約200.00 m)。如維持原有上游進(jìn)廠(chǎng)方案，進(jìn)廠(chǎng)公路需布置的上游陡坎岸坡地段工程難度和投資均較大。故結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)交通和地形地質(zhì)條件，調(diào)整成下游側(cè)進(jìn)廠(chǎng)，相應(yīng)調(diào)整主機(jī)間和安裝間布置，廠(chǎng)區(qū)樞紐各建筑物也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。

原可研階段回車(chē)場(chǎng)和主變場(chǎng)布置在不同高程上，高差約8.00 m，主變運(yùn)輸和檢修難度大，為方便主變運(yùn)輸及運(yùn)行檢修，調(diào)整為同一高程布置。

(2)開(kāi)敞式開(kāi)關(guān)站(方案1)和GIS開(kāi)關(guān)站(方案2)方案比選。從工程投資看兩方案差別并不大。開(kāi)敞式方案的經(jīng)濟(jì)性稍好，工程土建和機(jī)電投資較GIS方案少了218萬(wàn)元。 但該方案需新增開(kāi)關(guān)站及進(jìn)站道路征地面積約4 000 m2，并且涉及房屋拆遷及移民，需拆除房屋960 m2，搬遷居民29人，其他林木及基礎(chǔ)設(shè)施等投資合計(jì)181.9萬(wàn)元，兩方案相差僅36.1萬(wàn)元。GIS方案在技術(shù)先進(jìn)性與可靠性、抗震性能、運(yùn)行維護(hù)等方面明顯優(yōu)于開(kāi)敞式布置方案。

(3)尾水出流及防淤設(shè)計(jì)更合理。根據(jù)可研成果，本工程尾水與下游電站水位重疊約7.00 m，且處于下游電站庫(kù)尾，泥沙淤積嚴(yán)重。為滿(mǎn)足河床低水位時(shí)機(jī)組吸出高的要求，需設(shè)尾水堰雍高尾水位。原可研采用正向出流，尾水渠與河道呈90°夾角，并在尾水堰上設(shè)疊梁閘以便在尾水河道淤積時(shí)封堵淤積物。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，該方案存在如下缺點(diǎn)：尾水疊梁閘操作困難，運(yùn)行維護(hù)難度大；受下游河道淤積頂托影響，易造成尾水出流不暢等。鑒于此，類(lèi)比同類(lèi)工程，優(yōu)化方案將尾水出流調(diào)整為斜向出流，尾水渠向下游偏轉(zhuǎn)約70°，臨河側(cè)設(shè)導(dǎo)墻，取消疊梁閘。調(diào)整后尾水出流順暢，尤其在河道淤積后，尾水渠出口在一定范圍內(nèi)由于水流沖刷形成“門(mén)后清“，降低了河道淤積對(duì)尾水出流的不利影響，同時(shí)更便于河道清理，降低河道淤堵風(fēng)險(xiǎn)。

(4)根據(jù)最新地質(zhì)資料對(duì)邊坡開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)行調(diào)整。本工程廠(chǎng)房永久邊坡高約60.00 m，為基巖和覆蓋層的混合邊坡，邊坡大部土體巖性為巖溶角礫巖，其上為岸坡崩坡積物(col+dlQ4)，結(jié)構(gòu)多松散。根據(jù)原可研地質(zhì)剖面，覆蓋層較淺，邊坡上部采用清除表面覆蓋層的方案，其余永久開(kāi)挖坡比1：0.3，采用“錨索+框格梁+網(wǎng)噴混凝土”的支護(hù)方案。根據(jù)最新地質(zhì)資料，邊坡覆蓋層深度較可研方案增加較多，如按可研開(kāi)挖方案存在施工期邊坡穩(wěn)定性差、支護(hù)量大和施工困難等風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌，廠(chǎng)后為平臺(tái)地形，采用較緩開(kāi)挖，邊坡高度增加有限，但卻能有效增加邊坡的穩(wěn)定性，減少支護(hù)量，進(jìn)而提高施工期的安全性，降低錨索施工難度。故本階段將開(kāi)挖坡比調(diào)整為1:0.5～1:1，坡面采用網(wǎng)噴+錨桿支護(hù)，下部采用錨索+框格梁固腳。

(5)優(yōu)化方案工程量比較及分析。優(yōu)化后廠(chǎng)區(qū)建筑物工程量與原可研方案存在較大差距，主要原因分析如下：

①本階段廠(chǎng)房防洪特征尾水位較可研方案變化大，造成廠(chǎng)區(qū)建筑物防洪工程量有較大差異。

②根據(jù)水機(jī)機(jī)組參數(shù)確定的廠(chǎng)房安裝高程、寬度及長(zhǎng)度較原可研有一定差異；同時(shí)由于業(yè)主要求，本站需增設(shè)梯級(jí)調(diào)度中心，副廠(chǎng)房面積增加較多，故廠(chǎng)房混凝土和鋼筋量有所增加。

③根據(jù)地質(zhì)資料，廠(chǎng)房基覆界限高程降低，導(dǎo)致廠(chǎng)房開(kāi)挖支護(hù)工程量有所差異。其中，覆蓋層增加約13.09萬(wàn)m3，基巖減少約5.3萬(wàn)m3，同時(shí)錨索減少了74根；混凝土增加1.55萬(wàn)m3，土石回填減少1.23萬(wàn)m3，原可研方案未見(jiàn)帷幕灌漿工程量，本階段帷幕灌漿2 310 m。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)牛欄江流域水文特點(diǎn)、泥沙情況、大巖洞工程區(qū)地形、地質(zhì)條件，結(jié)合《牛欄江大巖洞水電站可行性研究階段樞紐工程方案評(píng)審意見(jiàn)》，從安全、經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)人員對(duì)原可研方案首部樞紐、引水及發(fā)電系統(tǒng)樞紐布置和建筑物進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要結(jié)論如下：

鑒于閘壩方案對(duì)工程地質(zhì)條件的適應(yīng)性較好，原可研方案壩軸線(xiàn)下移，將漿砌石重力壩調(diào)整為閘壩，建基面最低高程上抬18 m，壩高由原來(lái)的47.90 m調(diào)整為29.00 m。從地質(zhì)條件、使用材料、施工工藝、機(jī)械化施工、施工質(zhì)量把控、進(jìn)水口布置、首部淤積及排沙問(wèn)題的解決及下游消能防沖及工程量等方面，閘壩方案均優(yōu)于原重力壩方案。可研優(yōu)化方案在開(kāi)挖量、基礎(chǔ)處理及筑壩材料量上較原可研方案減少，特別是土石開(kāi)挖、帷幕灌漿、固結(jié)灌漿量的可研優(yōu)化方案較原可研方案分別減少71%、46%、48%，可研優(yōu)化方案在筑壩材料上也減少了42%。首部樞紐建筑物在土建工程投資上較原可研方案減少2 315.70萬(wàn)元。

引水隧洞優(yōu)化方案與原可研方案相比，縱坡、襯砌厚度優(yōu)化使得石方洞挖、混凝土和鋼筋量均有大幅減少；調(diào)壓室由原可研方案的埋藏式調(diào)整為開(kāi)敞式，施工方便，且開(kāi)挖量減少4%、混凝土減少32%、鋼材減少17%；引水工程在土建工程投資上較原可研方案減少528.22萬(wàn)元。

廠(chǎng)址進(jìn)行了上移，避開(kāi)了后坡凹槽地形和較厚的覆蓋層區(qū)域，降低了廠(chǎng)房直接受危石崩塌、山洪沖刷的風(fēng)險(xiǎn)，廠(chǎng)區(qū)建筑物更安全可靠。進(jìn)廠(chǎng)交通由上游進(jìn)廠(chǎng)調(diào)整為下游進(jìn)廠(chǎng)，廠(chǎng)區(qū)樞紐各建筑物進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，降低了進(jìn)廠(chǎng)公路的邊坡高度、施工難度和投資，統(tǒng)一了回車(chē)場(chǎng)和主變場(chǎng)布置高程。調(diào)整優(yōu)化后，樞紐布置緊湊、合理，主變運(yùn)輸?shù)琅c廠(chǎng)區(qū)地坪同高布置后，方便主變安裝和運(yùn)行檢修。尾水出流由正向出流調(diào)整為斜向出流，尾水出流順暢，在河道淤積后，尾水渠出口形成“門(mén)后清”，降低了淤積對(duì)尾水出流的不利影響；斜向尾水更便于河道清理，降低河道淤堵風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化方案將開(kāi)挖坡比及支護(hù)方式進(jìn)行了調(diào)整，增加了邊坡的穩(wěn)定性，降低了施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，可研優(yōu)化設(shè)計(jì)較原可研方案相比，總體上工程量有所增加。發(fā)電廠(chǎng)工程在土建工程投資上較原可研方案增加1 892.14萬(wàn)元。

綜上所述，可研優(yōu)化設(shè)計(jì)在首部樞紐和引水系統(tǒng)建筑物方面，及在大幅提升施工期及運(yùn)行期安全度的基礎(chǔ)上，工程量有較大程度地減少，有效降低了造價(jià)，直觀(guān)體現(xiàn)了可研優(yōu)化設(shè)計(jì)的成果。由于地質(zhì)資料的變化；廠(chǎng)房防洪特征尾水位的變化；水機(jī)機(jī)組參數(shù)確定的廠(chǎng)房安裝高程、尺寸帶來(lái)的變化；因工程需要而增設(shè)的梯級(jí)調(diào)度中心導(dǎo)致的副廠(chǎng)房面積增加等原因，導(dǎo)致廠(chǎng)區(qū)樞紐工程量有所增加，在對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)充和完善后，提高了工程施工期和運(yùn)行期的安全度。

2018年3月，大巖洞水電站下閘蓄水，至今已安全運(yùn)行1年多，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。