何善國

（廣西南寧水利電力設(shè)計院 廣西南寧 530001）

金雞灘水利樞紐工程技術(shù)方案比選研究

何善國

（廣西南寧水利電力設(shè)計院 廣西南寧 530001）

本文側(cè)重從河道地形條件的角度，分析了金雞灘水利樞紐各比選壩址方案的地形等環(huán)境特點和選定壩址河段的不利地形條件給工程設(shè)計帶來的難點難題。研究了壩線選擇、樞紐布置、水工建筑物選型和一期施工導(dǎo)流布置等技術(shù)方案，因應(yīng)反“S”形壩址河道形態(tài)、天然河道空間尺度不足、高邊坡等復(fù)雜地形環(huán)境及其某些因素限制的設(shè)計策略，優(yōu)選了適應(yīng)壩址地形地勢等環(huán)境條件的適宜方案，實施后獲得了預(yù)期效果并經(jīng)過了運(yùn)行實踐檢驗。

地形條件 壩址選擇 樞紐布置 水工建筑物選型 技術(shù)方案比選 因應(yīng)策略 金雞灘水利樞紐

1 前言

水利或水電樞紐工程，在地形環(huán)境較復(fù)雜的丘陵山區(qū)通航河流河谷段尋選壩址，壩址河道空間形態(tài)和不利地形條件等環(huán)境因素及其限制，可能給樞紐工程及水工建筑物布置等設(shè)計增加難度或造成難題。雖然當(dāng)今工程施工裝備很先進(jìn)、技術(shù)力量很強(qiáng)大，地形似乎不再是工程施工的制約因素，可以擴(kuò)寬河槽、裁直航道、掘挖明渠等，可以實現(xiàn)工程設(shè)計意圖，但不合理的擴(kuò)寬等大開挖可能危及近岸邊已有國家重要設(shè)施安全而受到限制，還可能造成土石方挖填失衡，產(chǎn)出過多的棄土棄渣及其處置將對環(huán)境造成諸多負(fù)面影響，將受到生態(tài)環(huán)境的制約，增加土石方工程投資過多，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也不合理。面對壩址河道復(fù)雜不利地形因素限制，工程設(shè)計如何因應(yīng)和研究選擇適應(yīng)地形環(huán)境的適宜方案，值得思索。

2 工程概況

金雞灘水利樞紐工程系低水頭河床徑流式水利工程，位于廣西南寧市隆安縣境內(nèi)，是珠江流域西江水系郁江干流綜合利用規(guī)劃第6個梯級，壩址以上集雨面積32506km2，多年平均流量472m3/s。工程建設(shè)任務(wù)是以發(fā)電、航運(yùn)為主，兼有灌溉等綜合利用效益，水庫正常水位88.60m，總庫容2.309億m3，電站總裝機(jī)容量72MW，多年平均發(fā)電量3.343億kW?h，過壩通航建筑物為1000t級船閘，攔河壩最大壩高42.7m，擋水建筑物按100年一遇洪水設(shè)計，相應(yīng)下泄流量9720m3/s，500年一遇洪水校核，相應(yīng)下泄流量10900m3/s。概算總投資6.152億元，設(shè)計工期44個月。主體工程于2003年12月開工，船閘工程于2005年12月通過交通部門驗收并試通航，2006年3月第1臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2007年2月3臺機(jī)組全部建成并網(wǎng)運(yùn)行，樞紐工程于2010年2月3日通過竣工驗收。

3 壩址選擇及地形條件分析

壩址河段左右轉(zhuǎn)彎曲程度、河床地形高低、河槽平面寬窄和直線河段長短、河岸自然邊坡陡緩等河道空間形態(tài)與尺度等地形因素，對河水主流態(tài)勢、樞紐布置、施工組織設(shè)計、交通等產(chǎn)生重大影響。對于在低山丘陵河谷河段建設(shè)低水頭河床徑流式水利工程，因壩高較?。ㄈ绲蛪位蛑械蛪危┒鴮Φ刭|(zhì)條件要求不是很高，此時地形條件可能成決定壩址方案成立與否的關(guān)鍵影響因素。因此，在山區(qū)通航河道考查壩址，自然條件方面除了考察工程及水文地質(zhì)、水文、河勢、生態(tài)環(huán)境等因素外，應(yīng)重視壩址河段地形地勢及河槽自然尺度等地形條件的勘查與分析。

3.1 壩址分析及選擇

金雞灘壩址是規(guī)劃梯級壩址，20世紀(jì)70至90年代，有關(guān)部門和設(shè)計單位曾對該梯級壩址開展過地質(zhì)勘探和工程布置設(shè)計研究活動。2000年該項目獲重新立項，之后隨即開展了工程可行性研究，對壩址及其選擇問題進(jìn)行了深入的勘察設(shè)計研究。擬定比選壩址方案時考慮了幾個主要原則，首先，右江為常年通航河流，老口梯級及以上干流河道已規(guī)劃為Ⅲ級航道，過壩通航建筑物為1000t級船閘，因而壩址河段河槽須滿足船閘工程布置和施工期通航等條件，除此之外，壩址還需基本滿足樞紐閘壩、發(fā)電廠房等布置及安全泄流條件；其次，壩址河段需基本滿足施工導(dǎo)流和其他臨時工程布置條件；第三，要考濾與上下游梯級的水位合理銜接問題，上壩進(jìn)廠的交通道路與左右岸區(qū)國家已建公路網(wǎng)應(yīng)容易連接，受其他環(huán)境制約影響較小等。據(jù)此，在金雞灘上游10km和下游8km范圍內(nèi)河段曾進(jìn)行了踏勘調(diào)查，擬上壩址、下壩址、金雞灘壩址（中壩址）等3個壩址進(jìn)行勘測設(shè)計比選研究。

（1）上壩址。上壩址在金雞灘壩址上游2.2km處河段，地形特點及交通現(xiàn)狀是，壩址河道屬U型斷面河谷，河岸及近岸丘陵山地自然邊坡陡斜，平水期河槽水面寬度最寬不超過160m，河道彎曲多變，直線河段長度不超過1.0km；由于該河段兩岸為丘陵山地，山高坡陡，當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)落后，既沒有低等級鄉(xiāng)村公路抵近或通過壩址岸區(qū)，也沒有現(xiàn)成的簡易道路通達(dá)壩址現(xiàn)場，現(xiàn)狀交通條件極差。如此地形條件會帶來許多不利影響，首先，由于天然河寬偏小，閘壩及電站廠房建筑物布置較困難，船閘尤其引航道布置更困難，對施工導(dǎo)截流和臨時通航極其不利，不僅臨時工程布置極其困難，而且不利于一期施工期的船只安全通行；其次，需新建進(jìn)壩或電站公路與外部國家公路網(wǎng)連接，但地形的原因，征地及土建投資較大。再次，從水位銜接條件看，壩址位置往上游移動，與下游梯級水位銜接不順，不利于枯水期下游近壩河段通航。由此知，上壩址不合適。

（2）下壩址。下壩址位于金雞灘壩址下游3km處河段，地形特點是，該壩址已離河谷河段，河道水面變寬，河道平水期水面寬度約200～230m，河道左岸臺地地勢較平緩，右岸山坡及臺地地勢相對較高。該壩址近岸區(qū)社會環(huán)境現(xiàn)狀是，右岸臺地有南昆鐵路線和公路國道線經(jīng)過，左岸區(qū)下游附近為縣城已建成區(qū)和規(guī)劃用地區(qū)。該壩址的有利條件是，較寬的天然河寬對樞紐建筑物布置、施工導(dǎo)截流和臨時通航比較有利，不利影響是，與左岸銜接的接頭壩較長，右岸接頭壩及上壩交通道路將穿過河岸邊上的南昆鐵路線，此時南昆鐵路約2～3 km路段將處于近壩庫區(qū)內(nèi)，該段鐵路線對樞紐建筑物布置、右岸上壩交通、工程前期工作進(jìn)度等產(chǎn)生制約性影響，鐵路局段改線建設(shè)的前期工作程序復(fù)雜、時間長、協(xié)調(diào)難度大，且投資大。從地形條件和工程環(huán)境條件看，隆安縣城至金雞灘下游的其他河段，均不適宜建壩。故在下游河段選壩址也不合適。

（3）金雞灘壩址。金雞灘壩址離下游的隆安縣城約8km，地形特點是，壩址地處河谷出口河段，上游河道朝右拐彎、下游河道向左彎曲，平面上呈反“S”形狀，河段直線長度不足1200m，平水期天然河水面寬約180～200m，河段中上部的河中間有一偏于左河槽的順河狹長天然島嶼，其長700m，最大島寬近100m，灘地最高處高程為83.3m，高出平水期水位5～8m；河床高程62～75m，兩岸山頂高程150～190m，河道兩岸自然植被茂密，自然坡度20～40°，壩軸線下游近壩河段左岸沿河岸的幾座高山上都有高壓輸電線塔架，山頂高程147.6～160m，岸坡偏陡偏高；枯水期左河槽水深較小、孤石出露，壩區(qū)主航線在右河槽，至壩軸線下游1000m后主航線偏于左河槽，航道水流流態(tài)相對復(fù)雜。交通條件及現(xiàn)狀是，左岸有村級公路抵近壩址岸區(qū)，右岸金雞屯有小路通達(dá)公路國道線。

該壩址的優(yōu)點是，河槽基本滿足溢流閘壩、電站廠房建筑物的布置要求，也基本滿足一期工程施工期的導(dǎo)流與通航要求；利用河中間有一天然島嶼可減少一期施工臨時圍堰工程量，可縮短圍堰施工期；兩岸進(jìn)壩（廠）道路較短，右岸僅新建1.5km、左岸改造擴(kuò)建已有的2.9km舊路便可與國家公路網(wǎng)連通，對外或進(jìn)壩交通較方便；金雞灘壩址的樞紐建筑物與南昆鐵路線有較大的安全距離，工程布置和工程建設(shè)對鐵路沒

有影響；正常水位與上下游梯級水位銜接合理。缺點是天然河寬偏小、河段河道直線長度不足對船閘布置和運(yùn)用產(chǎn)生不利影響，船閘主體布置在岸坡其基礎(chǔ)開挖出現(xiàn)高邊坡，可能影響山頂輸電線塔架安全，增加船閘工程的設(shè)計難度。

綜合考慮，金雞灘壩址無論是地形條件還是交通條件、水位銜接、工程布置條件等均比其他壩址優(yōu)，故推薦選之。

3.2 不利地形條件下的設(shè)計難點分析

經(jīng)地形及水文地質(zhì)勘測知，庫區(qū)河道兩岸山體雄厚，河道是地下水排泄基面，建庫后常水位及洪水位不出河槽，不存在庫水向兩側(cè)鄰谷滲漏的可能，因此就金雞灘壩址及庫區(qū)的地形地質(zhì)條件而言，完全滿足建壩及成庫條件，但河道某些不利的地形因素對樞紐工程及建筑物選型布置和導(dǎo)流設(shè)計產(chǎn)生一定的限制性影響，會給工程設(shè)計帶來一些難題。

3.2.1 河道寬度不足造成的設(shè)計難點

壩址天然河道寬度不足，對低水頭大流量河床徑流式水利樞紐工程布置設(shè)計會造成一些不利影響。本壩址河段天然河道平水期水面最大寬度不超過200m，而溢流閘壩段、電站廠房及船閘上閘首按常規(guī)設(shè)計其總長度需近250 ～270m，為了使泄洪順暢和改善流態(tài)，溢流閘壩段一般置于河道中間主流區(qū)部位，此時廠房及船閘的一部分或船閘全部將在岸邊或岸上布置，基礎(chǔ)開挖將形成深基坑或高邊坡，土石方開挖及棄渣量均增加，棄渣場面積和工程投資亦增加；天然河寬偏小，一期土石圍堰施工已擠占部分河道過水?dāng)嗝?，將致?dǎo)流過水?dāng)嗝鎸挾茸冃?，流速增大，對船只安全通行不利?/p>

3.2.2 河道直線河段長度不足帶來的設(shè)計難題

根據(jù)右江航運(yùn)規(guī)劃，右江航道近期、遠(yuǎn)期分別為Ⅳ、Ⅲ級航道。經(jīng)論證，本船閘工程按遠(yuǎn)期Ⅲ級航道、1000t級船閘建設(shè)。如前所述，由于壩址河段直線長度不足1200m，反“S”形河段形態(tài)及地形條件的限制，按常規(guī)思路，引航道布置設(shè)計不易滿足設(shè)計規(guī)范要求。

3.2.3 船閘高邊坡問題帶來的設(shè)計難點

由于壩區(qū)天然河道寬度不足，船閘閘室及部分下游引航道基本布置在岸坡上，基礎(chǔ)基坑要從下半山腰開挖而成，閘室基坑底部最低高程為66.30m，開挖形成的臨時邊坡高度達(dá)77.0～85.0m，基坑回筑后永久邊坡高度最大達(dá)61.0m，臨時和永久的高邊坡及其穩(wěn)定性問題，對工程施工、主體建筑物及結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行、左岸邊坡頂部附近山頂220kV高壓輸電線塔架產(chǎn)生較大不利影響，給結(jié)構(gòu)設(shè)計增加難度，需要設(shè)計者高度重視并認(rèn)真研究應(yīng)對措施。

4 不利地形條件下的設(shè)計策略

4.1 壩線方案優(yōu)選

在選定的壩址河段和某些地形條件限制的情況下，如何優(yōu)選一條合理的壩線，是本樞紐工程設(shè)計需要研究解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。壩線的合適位置宜根據(jù)地形條件、河勢或水流條件，并通過工程布置及技術(shù)經(jīng)濟(jì)等綜合比較后優(yōu)選。本工程，反“S”形狀河段上下游彎道不是急轉(zhuǎn)彎（轉(zhuǎn)角大于90°），但河道主流經(jīng)過上游彎道后需要一定河段長度來調(diào)順，并考慮船閘上下引航道布置條件要求，故比選壩線方案宜在反“S”形河道直段中偏上部位擬定并優(yōu)選。曾擬定3條壩線即上、中、下壩線進(jìn)行工程布置比選。

（1）上壩線。此處河道寬度比中壩線和下壩線稍大，基本滿足閘壩和廠房建筑物布置要求，而船閘需在岸坡上布置。壩線離上游彎道過近，水流調(diào)順段長度過短，按慣性上游河道來水主流將偏向左河槽，建庫后在正常運(yùn)用期對左岸廠房發(fā)電有利，但汛期閘壩泄洪可能不順暢、影響泄流能力且致流態(tài)不佳，另外上壩線的上游側(cè)河段岸邊自然直線長度約230m過短，不能滿足船閘上游引航道布置要求，需要朝岸內(nèi)擴(kuò)挖形成航道，另外兩岸上壩公路較長且布置困難，部分路段開挖形成高邊坡。上游左岸巖石山壁陡峭，引航道土石開挖工程量和土建投資較大。

（2）中壩線。此壩線河道寬度也比下壩線稍大，尚可布置閘壩和廠房建筑物，但船閘需在岸坡上布置。壩線距上游彎道約350m偏近，水流調(diào)順段長度不足2倍河寬、偏短，汛期上游來水主流按慣性將朝向左河槽、可能造成閘壩泄洪不順暢，同時上游側(cè)河段岸邊自然直線長度偏小，還是需要朝岸內(nèi)擴(kuò)挖航道才能滿足船閘上游引航道布置要求，船閘工程開挖工程量和土建投資較大，另外兩岸上壩公路局段開挖形成高邊坡。

（3）下壩線。該壩線距上游彎道約480m，

上下游側(cè)河段岸邊自然直線長度均能基本滿足船閘引航道布置要求，河道寬度稍小，樞紐布置有難度，船閘需在岸坡上布置。水流調(diào)順段長度不理想，僅為壩軸線處河槽寬度的2.4倍，但下壩線位置不宜再下移過多，壩軸線下游側(cè)需要留出上下游閘首段、閘室段和下游引航道位置。汛期閘壩泄洪條件和壩前壩后（包括引航道口門區(qū)）流態(tài)需要水工模型試驗驗證及優(yōu)化。兩岸上壩公路較短，近壩路段開挖可避免出現(xiàn)高邊坡。岸上土石開挖工程量和土建投資相對較小。

綜合比較，下壩線優(yōu)于上中壩線，故選之。

4.2 樞紐布置方案優(yōu)選

右江是常年通航河流，建壩前壩區(qū)左河槽河床及河中島嶼的地面較高，右河槽河床地面較低，枯水期及平水期左河槽水深很淺不具通航條件，天然航道位于壩區(qū)河段右河槽，但下游河道拐彎后左河槽為天然航道。水庫蓄水后，庫水位大幅提高，壩前左河槽正常通航最小水深大于5m，滿足船只通行要求。根據(jù)工程施工進(jìn)度目標(biāo)要求，廠房和船閘是本工程施工進(jìn)度控制性部位，無論其布于左岸還是右岸均必須在一期施工期同時施工，而二期施工截流、右河槽斷航時船閘工程必須建成通航，首臺機(jī)組可利用二期圍堰水位發(fā)電。因此，本樞紐建筑物相對位置和施工分期優(yōu)先順序宜根據(jù)上述情況進(jìn)行布局。

樞紐布置曾擬定左岸船閘右岸廠房、左岸廠房右岸船閘、左岸廠房左岸船閘3個方案進(jìn)行比選，每個方案均把溢流閘壩段布置于河道主流區(qū)部位，以順應(yīng)河勢利于泄洪。

（1）左岸船閘右岸廠房方案。船閘和廠房分別布于左右岸區(qū)并在一期施工期同期開工，左右岸兩區(qū)同時圍堰，其位置完全擠占了左右部河槽，中部河槽導(dǎo)流過水?dāng)嗝婧苄?，施工洪水位較高且流速大，無法滿足臨時通航安全要求，船閘或廠房須向岸上移，以擴(kuò)大一期導(dǎo)流過水?dāng)嗝?，無論是圍堰工程還是永久主體工程，其土石工程量及投資均很大。該方案使左岸船閘上下游引航道順應(yīng)河道水流趨勢，與天然航道的銜接順暢，易滿足通航條件要求。

（2）左岸廠房右岸船閘方案。左岸廠房雖有利于發(fā)電，但右岸船閘的上下游引航道與天然航道銜接不順。除此之外，其他缺點與左岸船閘右岸廠房方案相同。

（3）左岸廠房左岸船閘方案。電站廠房和船閘同布于河道左側(cè)與2孔閘壩（含3號中墩）在施工一期內(nèi)同時開工，電站正常發(fā)電時期河道水流將偏向左邊，船只從上游進(jìn)入左岸引航道時較順應(yīng)水流趨勢，而下游左岸引航道末端正好與下游左河槽天然航道自然銜接，利于船只安全航行。利用右河槽天然航道作一期施工導(dǎo)流，一期施工期間可正常通航，且可實現(xiàn)工程二期施工截流、右河槽斷航時船閘建成通航和電站首臺機(jī)組利用二期圍堰及閘壩1、2號閘孔下閘蓄水提前發(fā)電的工程施工階段性目標(biāo)。

從河道水流趨勢及地形環(huán)境的適應(yīng)性、建壩前后航道位置及與上下游天然航道的銜接條件、一期施工導(dǎo)流及臨時通航條件、開挖量及投資指標(biāo)和工程建設(shè)目標(biāo)等方面的綜合考察，左岸廠房左岸船閘方案優(yōu)勢明顯，故被選定為實施方案。

4.3 應(yīng)對高邊坡問題的樞紐局部調(diào)整

船閘閘室段基坑開挖施工過程中，因裸露邊坡不及時襯護(hù)，受到日曬及雨水影響，左岸高邊坡下部局部地段產(chǎn)生多次崩塌，邊坡上部受影響而出現(xiàn)開裂和變位，危及山頂高壓輸電塔架安全，船閘基坑無法繼續(xù)下挖。為永久解決船閘左岸高邊坡穩(wěn)定性問題，在溢流閘壩和廠房位置不變的前提下，優(yōu)化壓縮廠房安裝間左側(cè)邊墻的結(jié)構(gòu)尺度（壓縮2m），并優(yōu)化其與船閘上閘首右側(cè)閘墻的分縫銜接方式，將樞紐作了適當(dāng)?shù)木植空{(diào)整，即船閘軸線及閘室和上下閘首向河中方向平移2m，船閘基坑開挖下部臨時邊坡適度放緩，同時移走山頂高壓輸電塔架，并削緩邊坡、降低高邊坡高度形成高程為120.0m平臺，把原布置于壩軸線上游側(cè)左岸辦公生活區(qū)前的升壓站移到該平臺，使電站廠房出線與升壓站的連接更順。

4.4 溢流閘壩布置設(shè)計策略

本樞紐工程的特點是河床式、水頭小、流量大，閘壩段泄洪溢流前緣較長，作為擋水建筑物的發(fā)電廠房段的機(jī)組尺寸和過壩通航建筑物上閘首橫向尺度均相對較大，這三大水工建筑物將占據(jù)較大的河道橫向?qū)挾?。根?jù)壩區(qū)河段自然河寬和河勢情況，溢流閘壩設(shè)計時，在閘壩布置形式、閘門孔數(shù)及孔口尺度、堰型及其堰頂高程、閘墩厚度等采取了有效應(yīng)對措施。

溢流閘壩采用開敞式低堰大孔口有閘控制

布置形式，以降低壩前洪水位、減少庫區(qū)淹沒損失。百色水利樞紐建成后，右江防洪能力將提高到50年一遇。因此，要求本工程泄水建筑物在渲泄50年一遇及以下各級洪水（在百色水庫限泄3000m3/s流量情況下）時壩上雍水比同標(biāo)準(zhǔn)的天然洪水線的增高值應(yīng)不大于0.3m。為滿足這一要求，溢流閘壩須布置在河床偏右主河槽中，以求泄流順暢、獲得較大的泄洪能力，壩后消能方式采用底流消能。為適應(yīng)壩址天然地形環(huán)境條件，在河床自然寬度和廠房及船閘規(guī)模及基本尺寸確定情況下，采取的技術(shù)策略是盡可能縮短溢流閘壩前沿總寬度，增大閘孔尺度及優(yōu)化布置方案，并盡可能降低堰頂高程。溢流閘壩堰型采用流量系數(shù)相對較大的WES曲線實用堰，堰上設(shè)計水頭Hd經(jīng)優(yōu)化由初設(shè)的18.0m變至實施的13.6m；堰頂高程比較了3種方案，最后選用75.0m；閘墩厚度經(jīng)比較，中墩厚取3.0m，邊墩厚取2.5m；閘孔數(shù)及孔口寬度等比較了多個方案，經(jīng)水力計算和水工模型試驗，各布置方案均滿足泄洪能力及淹沒水位限制要求，壩后流態(tài)平穩(wěn)并接近天然狀態(tài)，其中7孔×16m（孔口寬）方案的溢流壩總長度較短，投資較少，故選之。

4.5 電站機(jī)組選型策略

針對壩區(qū)河段自然河寬不足，電站機(jī)組機(jī)型和臺數(shù)選擇時采取相應(yīng)的對策是，在優(yōu)先考慮適應(yīng)發(fā)電水頭變幅能力及提高發(fā)電效益等因素的同時，選取較小的廠房布置尺度，應(yīng)盡可能壓縮廠房沿壩軸線方向的總長度，以減輕樞紐其他建筑物布置壓力。

廠房長度與機(jī)組臺數(shù)及廠房形式有關(guān)，當(dāng)電站裝機(jī)容量一定時，機(jī)組臺數(shù)愈多，廠房長度愈大。本電站形式為河床徑流式，流量變幅大，機(jī)組臺數(shù)過少則使單機(jī)容量過大，枯水期水量不足時，使機(jī)組在低效率區(qū)運(yùn)行，影響機(jī)組的出力和效率，同時單機(jī)容量過大將使轉(zhuǎn)輪直徑過大，單機(jī)設(shè)備造價變得昂貴。經(jīng)綜合比較，機(jī)組臺數(shù)選用3臺，其優(yōu)點是不僅機(jī)組運(yùn)行工況較優(yōu)、運(yùn)行方式靈活、廠房投資指標(biāo)合適，而且廠房長度合適。鑒于本電站機(jī)組最大工作水頭不超過15m，最低設(shè)計水頭3.5m，發(fā)電設(shè)計引用流量729.6m3/s，屬低水頭大流量徑流式電站，選用燈泡貫流式機(jī)組更適應(yīng)本工程電站發(fā)電水頭變幅特點，同時比立式軸流式機(jī)組可獲提高4%的發(fā)電效率即每年增加約1350萬kWh發(fā)電量的良好效益。沿壩軸線方向的廠房長度，本電站燈泡貫流式機(jī)組比立式軸流式機(jī)組不僅縮短了廠房長度19m，給樞紐其他建筑物布置留出了較多空間，更適合本壩址天然河道寬度相對不足的地形環(huán)境條件,而且流道簡單、方便施工，土建工程量小，利于縮短電站廠房土建施工工期。

4.6 船閘布置設(shè)計策略

4.6.1 縮減閘室及閘首尺度及其技術(shù)措施

本船閘按1000t級規(guī)模設(shè)計，閘室有效長度為190m、凈寬12m、吃水深度3.5m。在滿足布置要求的前提下，為減少船閘主體工程量，實施階段對船閘結(jié)構(gòu)布置及門型進(jìn)行了比選及優(yōu)化，以求縮減閘室結(jié)構(gòu)尺寸。為適應(yīng)本壩軸處天然河寬較小的地形條件，根據(jù)地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)要求，上閘首及閘室第1～4段采用整體式結(jié)構(gòu)，兩邊墩寬均取8m，閘首凈寬12m，故上閘首沿壩軸線方向的總寬為28m，比同類型的船閘閘首總寬小約6m左右；按規(guī)范要求，本閘室的有效長度為190m，在布置上充分利用上閘首的下游側(cè)及下閘首的上游側(cè)工作門外的有效空間作為閘室有效長度的一部分，經(jīng)計算把閘室段結(jié)構(gòu)長度壓縮至178.5m，閘室段長度縮短了11.5m；上閘首工作門型曾比較了人字門及下沉門，鑒于我院金結(jié)專業(yè)人員對12m跨度下沉平板門側(cè)封止水構(gòu)造的創(chuàng)新性優(yōu)化設(shè)計，其成果的應(yīng)用，解決了側(cè)封止水片變形漏水等問題，液壓啟閉設(shè)備應(yīng)用比例控制技術(shù)，解決了啟閉不同步致閘門卡槽等技術(shù)難題，大大降低了運(yùn)行維修率，提高了船閘運(yùn)行效率，滿足本工程要求，故推薦選用下沉門，使上閘首長度縮短8m。上述一系列的優(yōu)化設(shè)計，使船閘主體長度沿縱向軸線方向縮短了19.5m，減輕了壩址直線河段長度偏小對下游引航道布置的壓力。經(jīng)船閘輸水系統(tǒng)模型試驗驗證，船閘閘室的優(yōu)化設(shè)計方案合理可行，實施后經(jīng)過了近8年的運(yùn)用實踐檢驗，達(dá)到預(yù)期效果。

4.6.2 優(yōu)化上下游引航道布置

初設(shè)階段，按規(guī)范金雞灘水利樞紐船閘上、下游引航道直線段長度均為385m，其中導(dǎo)航段110m，調(diào)順段165m，停泊段110m，引航道底寬正常段38m、口門區(qū)段57m。技施階段，針對壩址直線河段長寬度不足等問題，船閘引航道布置

設(shè)計上采取如下一些技術(shù)優(yōu)化措施。

首先，上下游引航道按實際地形條件布置，并根據(jù)《船閘總體設(shè)計規(guī)范》（JTJ 305-2001）5.5.1.1條第（7）款“對山區(qū)Ⅲ～Ⅶ級和平原Ⅵ～Ⅶ級的船閘，當(dāng)受地形等條件限制，不能滿足直線段長度要求時，可在滿足安全進(jìn)、出閘和通過能力要求的條件下，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證進(jìn)行布置。”的規(guī)定，按通航1000t船只來優(yōu)化上下游引航道直線段長度，并復(fù)核船閘通過能力。根據(jù)《船閘總體設(shè)計規(guī)范》要求，引航道直線段長度取3.5倍單船長（1000t駁船船型長度為67.5m）即直線段長度為238m（其中導(dǎo)航段長68m，調(diào)順段102m，停泊段68m），由此，上、下游引航道均可縮短147m。經(jīng)水工模型試驗驗證，優(yōu)化縮短后的上、下游引航道口門區(qū)水流條件滿足通航要求。因地形等條件限制，引航道直線段長度比規(guī)范要求短，過閘速度比正常情況稍慢，但經(jīng)船閘通過能力的計算復(fù)核，船閘的設(shè)計通過能力近期和遠(yuǎn)期單向年過閘貨運(yùn)量均滿足遠(yuǎn)期預(yù)測貨運(yùn)量的要求。

其次，上、下游引航道采用反對稱平面布置方式，以適應(yīng)河段河勢、河道岸邊地形，減小岸上開挖工程量。上游引航道導(dǎo)航段沿河外側(cè)（河中一側(cè)）保持直線、內(nèi)側(cè)向岸邊斜線擴(kuò)展，至調(diào)順段后以平行于導(dǎo)航段外側(cè)線向上游延伸至停泊段及制動段，下游引航道布置與上游引航道相反。

2005年12月船閘通過了交通部門組織的初步驗收并試通航，據(jù)現(xiàn)場體驗和船主反映，船只通過閘室和上下游引航道及口門區(qū)較平順，船閘運(yùn)行效果好。

4.7 船閘高邊坡處理措施

壩軸線下游左岸山體巖性主要為泥巖，上部為含砂石粘土和全風(fēng)層，中部為強(qiáng)風(fēng)化層，下部為弱風(fēng)化至新鮮巖層。船閘高邊坡原設(shè)計經(jīng)比較采用全削坡方案，邊坡下部支護(hù)結(jié)構(gòu)為閘室鋼筋混凝土邊墻及引航道混凝土擋土墻，墻頂以上邊坡沿垂直高度每8～10m設(shè)一馬道，閘室中前段對應(yīng)所處山坡其頂高程147.6m，該段閘室邊墻頂以上永久邊坡坡比1∶1.5，船閘閘室末段和下閘首段對應(yīng)所處山坡其頂高程160.0m，該段墻頂以上永久邊坡坡比1∶1～1∶1.25。

由于閘室邊墻高度達(dá)24m，墻頂以上永久邊坡高達(dá)53m，為適應(yīng)高邊坡的地形地勢和邊坡底部的受力環(huán)境，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，邊墻經(jīng)方案比較優(yōu)選了衡重式斷面形式，衡重臺面以下墻背緊貼開挖的巖石面，衡重臺面之上選用排水效果較好的砂石土回填，并埋設(shè)反濾排水管引排地面及地下滲水至河道，墻頂以上邊坡防護(hù)面層為薄層噴錨砼襯砌結(jié)構(gòu)，馬道及邊坡邊沿布設(shè)截排水溝，坡面埋設(shè)點狀分布式反濾排水管。

船閘邊坡開挖過程中，發(fā)現(xiàn)閘室中前段邊坡局部有軟弱破碎帶并有滲水，船閘主體段高邊坡裸露過久（施工單位不及時襯護(hù)，裸露時間超過半年之久）而多次塌方，危及高壓輸電鐵塔及基坑施工安全，后比較了適當(dāng)削坡加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)和削緩坡方案，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案的投資較大且施工期較長，船閘工期延后影響樞紐工程總進(jìn)度，負(fù)面影響較大，故此方案不可??；削緩坡方案因投資較小，具工程技術(shù)簡單、利于快速施工、快速除險、施工期短等優(yōu)點，故采用。處理措施除了調(diào)整移動船閘位置和移走輸電鐵塔外，對高邊坡采取削坡減載和改變襯護(hù)結(jié)構(gòu)等措施，即山頂高程由147.6m降到120.0m，經(jīng)穩(wěn)定分析計算，永久邊坡需由原來1∶1.5放緩到1∶2，臨時開挖邊坡由原來1∶0.5放緩到1∶1；表層支護(hù)結(jié)構(gòu)由薄層噴錨砼改為漿砌石，并完善排水措施。

船閘閘室末段和下閘首段臨時邊坡較陡，巖層傾角不利，局部范圍巖石裂隙發(fā)育，泥巖開挖后因暴露過久，經(jīng)過日曬及雨水作用，下部邊坡局部軟化崩塌，并不斷發(fā)展到邊坡中上部。根據(jù)左岸通航建筑物邊坡地質(zhì)條件的變化情況，對高邊坡及擋土墻重新進(jìn)行了穩(wěn)定性計算分析，根據(jù)計算成果需采用進(jìn)一步削緩邊坡處理，穩(wěn)定安全系數(shù)才能滿足規(guī)范要求，永久邊坡坡比由原來1∶1～1∶1.25統(tǒng)一放緩為1∶1.5，表層支護(hù)采用漿砌石結(jié)構(gòu)，并完善排水措施。

4.8 一期施工導(dǎo)流設(shè)計優(yōu)化

工程施工分期和施工導(dǎo)流設(shè)計方案應(yīng)有利于節(jié)省圍堰工程量、利于一期施工導(dǎo)流及臨時通航安全、利于縮短工期、提前發(fā)電等，并根據(jù)河床地形、河道水勢及其通航條件和工程布置等具體情況合理選擇。本工程經(jīng)綜合比較，主體工程施工分兩期。僅從本壩址河段地形條件、河道水勢和現(xiàn)狀航道位置情況來考察，樞紐布置方案不

宜選擇右岸船閘右岸廠房方案，不宜把右岸區(qū)列為一期施工區(qū)，因為壩區(qū)左河槽河床及河中島嶼的地面較高，枯水期及平水期左河槽水深很淺不具通航條件，若右岸區(qū)先施工，為了使左河槽滿足通航，則需要疏浚左河槽長度近1200m，疏浚開挖工程量大。由樞紐布置方案比選結(jié)果知，左岸廠房左岸船閘方案較優(yōu)，列為一期工程先施工，一期施工期間可利用右河槽天然航道導(dǎo)流和船只通航，且可實現(xiàn)較短時間內(nèi)船閘建成通航和電站首臺機(jī)組提前發(fā)電的工程施工階段性目標(biāo)。

以閘壩3號中墩為界，左岸區(qū)主體工程包括船閘、電站廠房、2孔閘壩段及3號中墩（含導(dǎo)墻）等列為一期工程先施工。圍堰及導(dǎo)流工程布置尤其是縱向圍堰設(shè)計充分利用河中間自然形成的狹長砂灘島嶼這一地形條件，可減小一期臨時圍堰尤其是縱向圍堰工程量，縮短圍堰施工期。圍堰工程包括一期縱向及下游砼圍堰和臨時土石圍堰，縱向砼圍堰軸線與閘壩3號中墩重合。為了一期砼圍堰及3號中墩的施工，需要在一期混凝土圍堰外側(cè)做臨時土石圍堰。一期施工臨時土石圍堰擠壓了右河道部分過水?dāng)嗝妫瑸楸ＷC過流能力，減小縱向流速，在縱向圍堰長度及其進(jìn)出口外側(cè)一定范圍內(nèi)的河段右河槽，采取適當(dāng)疏浚（清除河床暗礁）擴(kuò)寬（往岸邊開挖）河道的方法來增大導(dǎo)流過水?dāng)嗝鎸挾龋⑼ㄟ^施工導(dǎo)截流模型試驗驗證及設(shè)計優(yōu)化，對不滿足通航流速要求的個別斷面或個別測點進(jìn)行了斷面優(yōu)化調(diào)整，改善了水力條件及過流流態(tài)，確保了一期施工期間船只安全通航。

5 結(jié)語

根據(jù)金雞灘水利樞紐工程壩址地形條件及其問題，設(shè)計采取的因應(yīng)策略是適宜的，選擇的金雞灘壩址是合適的，樞紐總體布局及三大水工建筑物布置合理。工程建成投產(chǎn)以來，運(yùn)行情況正常。

針對壩區(qū)天然河寬偏小情況，設(shè)計采取合理壓縮沿壩軸線方向建筑物總長度的措施取得了實效，閘壩段、主廠房段、船閘上閘首段三段共優(yōu)化壓縮32.5m，減少邊坡土石開挖工程量近100萬m3。

針對壩址河道平面形態(tài)及岸邊直線河段長寬不足的實際情況，船閘上閘首及閘室結(jié)構(gòu)和引航道通過合理布局與設(shè)計優(yōu)化，水流條件滿足規(guī)范要求并得到水工模型試驗驗證，過閘貨運(yùn)量大于預(yù)測指標(biāo)，滿足要求。實施后僅船閘工程就節(jié)省投資約1036萬元，其中引航道部分節(jié)省670萬元。

針對船閘高邊坡問題，采取了上部卸荷減載、放緩邊坡、下部固腳支護(hù)并完善截排水措施等進(jìn)行綜合整治。從施工和工程運(yùn)行情況分析，經(jīng)整治處理后，已消除影響高邊坡工程安全的重大隱患，但運(yùn)行中需要注意巡查和對邊坡設(shè)施的維護(hù)管理。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.021

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何善國（1964年—），男，教授級高級工程師。