福堂水电站首部枢纽布置调整及优化设计

　　 福堂水电站首部枢纽布置调整及优化设计杨光伟，何顺宾(国家电力公司成都勘测设计研究院，四川 成都610072)
摘　要：根据福堂水电站首部枢纽所特有的基础建设条件，较系统地介绍了首部枢纽布置设计及其调整情况，闸坝基础防渗处理及优化，结构设计验证等。
关键词：闸坝；枢纽布置；基础处理；优化设计；福堂水电站1前言
福堂水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内，处于四川西北部、阿坝州东南，在长江一级支流的岷江干流上游，其尾水接已建成发电的太平驿水电站，成～阿公路(213国道)从其旁通过。电站装机4台，总装机容量360MW，系沙坝水库电站混合式开发的一期工程。水库正常蓄水位1268m时，总库容297万m3，调节库容220万m3，具有日调节特性。
电站由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽三大部分组成。拦河闸坝位于汶川县玉龙下游约0.8km处，沿岷江左岸傍山经引水隧洞(长约19.23km)、调压室、压力管道引水至福堂坝沟上游的地面厂房发电，尾水直接注入岷江。闸址、厂址公路里程相距约21km，厂址距成都111km，距汶川县城36km。
根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003）、《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB50199-94)和《防洪标准》(GB5021-94)，本工程为II等大(2)型工程，拦河闸坝、引水发电系统等永久性主要建筑物为2级建筑物，其余永久性次要建筑物按3级设计。闸坝主要建筑物按100年一遇洪水标准设计(相应流量3 330m3/s)，按1000年一遇洪水标准校核(相应流量5 000m3/s)；厂房主要建筑物按100年一遇洪水标准设计(相应流量3 620m3/s)，按500年一遇洪水标准校核(相应流量5 120m3/s)。

福堂水电站以单一发电为主，无航运、漂木、防洪、灌溉等综合利用要求。2闸坝工程建设基础条件
2.1特征水位及参数
水库正常蓄水位1268m，汛限水位1262m，排沙水位1258m，死水位1260m；设计洪水位1261.57m，校核洪水位1266.40m。电站水轮机安装高程1081.0m，最大水头178.2m，最小水头146.1m，额定水头159.3m，最大引用流量251m3/s。
2.2水文气象条件
工程区气候温和湿润，降水量大，多年平均气温13.5℃，极端最高气温35.6℃，极端最低气温-7.4℃，多年平均年降水量537.9mm，多年平均降水日数151.3d。河道径流主要由降雨形成，其次为地下水和高山融雪补给。径流年际变化小，年内变化大，5～10月为丰水期，11月～次年4月为枯水期，闸址处多年平均流量为345m3/s。流域洪水多由暴雨形成，最大流量主要在6～9月出现，且以6、7两月出现次数最多；一次洪水过程一般在5d以上，洪水过程线多为胖峰、复峰型。上游河流泥沙主要 流域内的水力侵蚀，以及沿河两岸滑坡、崩塌等重力侵蚀，多年平均含沙量0.567kg/m3，多年平均汛期含沙量0.697kg/m3，为一典型的多泥沙河流。
2.3闸址区地质条件
2.3.1区域地质
工程区处于川青块体地震区的东南缘中国南北地震带中段，位于龙门山后山断裂茂县—汶川段附近，闸址距断裂最近距离约500m。根据四川省地震局1997年3月对福堂工程场址进行的地震基本烈度复查及危险性分析鉴定意见，福堂工程闸址区地震基本烈度为Ⅷ度，50年超越概率10%的基岩峰值加速度为194cm/s2。
2.3.2工程地质情况
岷江自北向南流经闸址区，闸址区属典型的高山峡谷地貌，河道顺直，河谷横断面呈不对称“V”形，右岸1280m、左岸 1305m高程以下为崩坡积堆积，谷坡坡度20°～25°；上述高程以上基岩裸露，谷坡在60°以上，出露基岩主要由晋宁～澄江期岩浆岩之第四期灰白色中～细粒花岗岩(r2(4))组成。
闸址处覆盖层深厚，结构层次较复杂。河床覆盖层厚34～92.5m，按其结构、成因和组成，由下至上可划分为6层，各层岩性见表1。2.3.3水文地质特性
闸址区地下水按贮存介质的不同分为基岩裂隙水和河床松散堆积层孔隙水两种类型，前者主要分布贮存于谷坡两岸及谷底花岗岩风化卸荷带及裂隙、断层破碎带内，后者贮存于河床覆盖层中。
河床覆盖层共5层，①、②、③、④、⑤层依次呈上叠结构，各层渗透性不均一，但仍显示出②≤④≤①≤③≤⑤层的总体特征。其中，②、④层属河流堰塞沉积物(但不同期)，颗粒组成上②层由粉土、粉土质砂夹含卵砾组成，④层由粉土质砂、极细砂、中细砂含砾组成，显示出较大的变化性、非均一性及复杂的沉积构造环境。②、④层厚度在空间分布上变化较大(3.5m～0)，降低了其隔水和抗渗作用，但在一定深度范围内，②、④层仍不失为相对抗渗层。①、③、⑤层同属粗砾土，由于骨架孔隙填料充填密实程度存在差异，三者的渗透性在空间上变化极大，一般为中～强透水，局部达极强透水性，相对于②、④层，属良好的含水透水层。闸区河床覆盖层是具有统一水力联系的、非均质的、各向异性的潜水含水层，②、④层有相对抗渗作用，①、③、⑤层具有良好的透水性，渗透变形破坏形式以管涌为主，谷底完整花岗岩是隔水底板。3首部枢纽布置及调整优化设计


福堂水电站首部枢纽布置调整及优化设计 : 　
3.1原设计布置
福堂工程总布置的关键问题是在顺直河段上合理布置首部枢纽。根据岷江固有的山区性多泥沙河流特点，为妥善解决发电引水与排沙、排污的矛盾，首部枢纽水工建筑物的布置遵循了“侧向取水、正向冲沙”及“表层取水、底层防沙冲沙”的原则，并采取合理的水库运行方式。
在1997年可研设计阶段，根据地形地质条件，在左岸顺河侧向布置取水口闸，设4个宽12m、高4m的底孔，底板高程1251.0m，孔顶以上设防漂墙和防漂檐，以防表层漂木；取水口闸靠河道上游侧设左岸导墙，连至岸边使水流平顺；取水口后布置沉砾塘，使进入取水口的泥沙在此落淤后可通过排沙闸排往下游河道；沉砾塘后布置5孔净宽8.5m的拦污栅闸，闸室底板高程1252.0m，通过过渡渐变段与引水隧洞进水口和无压引水洞段连接。
紧靠取水口闸下游河道正向布置开敞式冲沙闸，按漂木材的要求，冲沙闸宽12.0m，闸底板高程1252.5m，形成侧向取水、正向冲沙。冲沙闸左侧布置1孔宽12.0m的漂木闸，闸室底板高程1259.0m，闸室下接100.0m长的加糙漂木道。漂木道左侧布置排沙闸，闸宽6.0m，孔高12.0m，底板高程1248.5m，下接排沙道，将进入取水口的淤沙排往下游。根据泄洪要求，冲沙闸以右布置3孔宽12.0m的开敞式泄洪闸，底板高程1250.5m，作为泄洪兼溯源冲沙之用。各闸室顺水流向宽40.0m，闸室两侧为混凝土挡水坝与两岸岩坡相接。拦河闸坝坝顶高程1270.5m，闸轴线长189m。
论文福堂水电站首部枢纽布置调整及优化设计

闸室上游设90m长的钢筋混凝土铺盖，闸底板下设深40余米、厚1.0m的混凝土防渗墙。闸前铺盖厚2.5m，顶部40cm为花岗岩条石衬护。闸室下游设置80m长的护坦，护坦末端设置防冲沉井。护坦左右两岸均采取一定的护坡措施，以保证在消能洪水工况下边坡的安全。
3.2审查确认
1998年4月，原国家电力公司水电水利规划设计管理总局会同四川省计委、建委共同主持了福堂水电站可行性研究报告审查会；12月，中国国际工程咨询公司受国家计委的委托，对福堂水电站可行性研究报告进行了咨询评估。审查和咨询意见一致认为，福堂水电站工程设防等别、洪水标准、地震烈度及选定闸线和枢纽布置方案等是合理的，技术上是基本可行的。但鉴于福堂闸坝建于高地震烈度区的深厚覆盖层上，建议结合现场试验进一步研究闸基抗滑稳定要求和对第④层砂层进行抗液化处理，研究挖除闸基下第④层砂层、置换基础的处理方案。
3.3设计布置调整及优化
3.3.1调整及优化原由
自1998年以来，为保护生态环境、综合治理长江水患，国务院和四川省政府均对森林的砍伐制定了一系列的政策，四川省政府决定从同年9月底起在全省范围内禁止砍伐森林，岷江上游木材的主要来源地川西林区即在禁伐范围内。1999年7月1日，四川省政府又全面禁止从阿坝州运出木材。根据禁伐的有关政策，为节省工程量和节约投资，决定取消漂木道。
福堂水电站作为沙坝水库电站混合式开发的一期工程，具有工程规模适中、投资少、工期短、见效快的优点，可以提前发电，提前收益，正好可以弥补沙坝水库电站需要大量资金投入、需要时间深入研究等不足，符合远景和现实兼顾的原则。根据都江堰总体规划，沙坝水库属远景(2030年)完建工程，届时福堂水电站约1/4的引水洞段、调压室系统及厂区枢纽将并入沙坝电站工程，首部枢纽等其余部分或被淹没或者弃用。福堂水电站首部枢纽近期开工建设，4～5年后投产，发挥效益时间只有约30年时间。因此，首部枢纽设计应在电站安全运行的前提下，宜尽量简化布置，节省工程量和投资。
3.3.2调整布置
福堂水电站取消漂木后，对原首部枢纽布置方案进行了相关调整，并根据调整情况和计算成果等对原方案进行了优化。保持原设计的“侧向、表层取水，正向、底层防沙冲沙”的布置原则，引水防沙“三道防线”原则，以及水库合理运行调度等原则不变。考虑取消漂木要求后对原方案首部枢纽设计的影响，并注意到河道污物过坝问题的日益突出、取水口开挖边坡对工程量影响较大的具体特点，对首部枢纽作了相应合理的调整。首部枢纽布置见图1。?
根据地形地质条件，选定在玉龙闸址设置拦河闸坝，左岸顺河侧向布置取水口闸，取水角为97°。图1福堂水电站闸首平面布置取水口闸由拦污栅闸和进水口闸组成，拦污栅闸底板高程1251.5m，为5孔宽8.5m、高5.5m的淹没式闸孔，孔顶高程1257.0m，孔顶以上设防漂墙和防漂檐，以防汛期污物进入取水口，减轻拦污栅压力。取水口上游端顺河道设有导墙，以改善水流的边界条件，平顺水流，导墙与1号泄洪闸前的铺盖之间设有拦沙坎、导沙坎和束水墙，形成了引水防沙的第一道防线。拦污栅闸后设置沉砾塘，沉砾塘位于引水线路上，在引水隧洞进水闸前部，是引水防沙的第二道防线。根据太平驿、映秀湾等电站的运行经验，取消了隧洞进水口后的无压引水洞段，改为有压洞段，在适当位置设沉砾池，这是引水防沙的第三道防线。


福堂水电站首部枢纽布置调整及优化设计 :