吉沙水电站首部枢纽拦河坝设计

李 猛，刘玉哲，王 珏

（1.中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024；2.中国大唐集团公司，北京 100032）

1 拦河坝总体布置

吉沙水电站是一座以发电为主的水利枢纽工程，为三等中型工程。工程由首部枢纽、有压引水隧洞、调压井、高压管道和地面发电厂房等建筑物组成。水库正常蓄水位3 132 m，死水位3 123 m，为日调节水库。电站首部枢纽区两岸山势陡峻，河道狭窄，崩坡积体发育，拦河坝布置空间局促。

拦河坝坝顶高程3 137 m，最大坝高36.2 m（表孔坝段），坝顶总长78.55 m，共分为5个坝段，从右岸至左岸依次为：1号右岸非溢流挡水坝段、2号表孔溢流坝段 （布设2个表孔）、3号泄洪冲沙底孔坝段 （布置1个底孔和1个冲沙孔）、4号左岸非溢流挡水坝段、5号左岸连接坝段。

2 拦河坝各坝段设计

2.1 右岸非溢流坝段设计

右岸非溢流坝段轴线长22.3 m，桩号范围为右坝横0+020.500～右坝横0+042.800。坝顶高程3 137 m，建基面高程3 103 m，坝高34 m。坝顶宽8 m，上游侧有牛腿，布置防浪墙，下游侧设栏杆。首部枢纽配电室布置于坝顶，设计为2层混凝土框架结构。按混凝土强度、抗渗、抗冻、抗侵蚀、低热等性能指标，对坝体不同部位、不同工作条件的混凝土进行了分区设计。该坝段未设横缝，设计为一整体。

右岸非溢流坝段与表孔坝段和右岸边坡相接，坝体横缝设有止水。与表孔坝段相接上游横缝共设置了两道止水，第一道为U形铜止水片，第二道为橡胶止水带，距堰面分别为50 cm和80 cm。各止水自成封闭止水系统。

2.2 表孔坝段设计

表孔溢流坝段布置在河床部位，坝段轴线长20.5m，桩号范围为0+000.00～右坝横0+020.500。坝基面高程3 100.8 m，坝顶高程3 137 m，溢流坝段共设两个表孔，每孔宽8 m，表孔闸墩厚1.5 m。该坝段未设横缝。

表孔采用无闸门控制的自由溢流表孔，采用开敞式WES溢流堰，其曲线方程为x1.85=6.221y。堰面曲线原点高程3 132.0 m，终点高程3 127.789 m，与坡比为1∶0.75的斜直溢流面相切，下接反弧段。反弧末端与消力池底板相接。

表孔坝段坝根据结构布置及监测需要，设有帷幕灌浆排水廊道和监测廊道，廊道断面为城门洞形。表孔与其相邻的右非坝段和排沙底孔坝段的横缝及纵缝均设有止水。上游横缝设置两道止水，第一道为U形铜止水片，第二道为橡胶止水带。堰面与底孔坝段设一道U形铜止水片进行连接。堰体和消力池结合处纵缝设有一道U形铜止水片，在廊道穿缝处设置一道橡胶止水带。各止水自成封闭止水系统。

2.3 泄洪冲沙底孔坝段设计

泄洪冲沙底孔坝段段长11.5 m，桩号范围为0+000.00～左坝横0+011.50。由于该坝段兼具水库排沙和宣泄洪水的作用，故设有1个泄洪底孔和1个冲沙孔，布置在河床部位。采用混凝土重力坝，坝顶高程3 137 m，坝顶宽8 m，最大坝高36 m，上游坝面为铅直面，下游坝坡为1∶0.75，坝顶设牛腿，其上游面设防浪墙，该坝段未设横缝。

底孔由进口有压段、明流段组成，孔口尺寸为4 m×4.5 m （宽×高）， 进口底板高程3 112.0 m。 压力进口段采用喇叭口形式，顶面由部分椭圆曲线和与其相切的直线段组成，顶面椭圆方程为x2/7.52+y2/2.52=1，直线段坡比取1∶4.5；两侧面采用1/4椭圆曲线，方程为x2/2.852+y2/0.952=1，底面为平底，事故闸门与工作弧门之间的顶面采用1∶4的压坡，保证压坡段不产生负压。

冲沙孔由进口压坡段、有压段组成，孔口尺寸1 m×1.5 m （宽×高），进口底板高程3 112 m。事故闸门与工作弧门的前端顶面采用1∶4.5的压坡。

泄洪冲沙底孔坝段下游侧3 130 m高程布置底孔工作闸门启闭机室，坝顶3 137 m高程布置底孔事故闸门启闭机室。根据结构布置的需要，该坝段设有帷幕灌浆排水廊道，断面为城门洞形，尺寸为2.5 m×3.0 m （宽×高）， 底高程为3 106 m。

底孔与表孔坝段和左非溢流坝段间的横缝设有止水。上游横缝共设置两道止水，第一道为U形铜止水片，第二道为橡胶止水带。与消力池结合处纵缝设有一道U形铜止水片，在廊道穿缝处设置一道橡胶止水带，各止水自成封闭止水系统。

2.4 左岸非溢流坝设计

左岸非溢流坝段轴线长14.5 m，桩号为左坝横0+011.50～左坝横0+026.00。坝顶高程3 137 m，建基面高程3 105 m，坝高32 m，顶宽8 m，上游设牛腿、防浪墙。坝体未设横缝。

根据结构布置及监测的需要，在桩号坝下0+004.25处设有帷幕灌浆排水廊道和竖井，竖井断面为矩形，尺寸为2.5 m×2.5 m；竖井顶部下游侧设水平横向廊道，底高程3 117.5 m，中心线桩号为左坝横0+013.750，通向下游坝面，并在下游面布置廊道进口，断面为城门洞形，尺寸为2.5 m×3.0 m（宽×高），底高程3 106 m。

左非坝段与左岸连接坝段和底孔坝段的横缝设有止水。上游横缝共设置两道止水，第一道为U形铜止水片，第二道为橡胶止水带。在廊道穿缝处设置了一道橡胶止水带。

2.5 左岸连接坝段设计

左岸连接坝段与2号上坝公路相连，坝段轴线长9.75 m，顶宽8 m，桩号为左坝横0+026.00～左坝横0+035.750。坝顶高程3 137 m，建基面高程3 128 m，大部分坝高为1.3 m，最大坝高9 m。上游坝面为铅直面，下游坝坡为1∶0.75。坝顶上游侧布置防浪墙，下游侧布置栏杆。

左岸连接坝段与左非坝段和左岸边坡相接的坝体横缝设有止水。上游横缝共设置两道止水，第一道为U形铜止水片，第二道为橡胶止水带。各止水自成封闭止水系统。

3 拦河坝基础处理设计

坝基开挖在考虑基础加固处理后，以在满足坝体强度和稳定的基础上同时减少开挖量为设计原则， 基坑的形状根据地形地质条件及上部结构的要求确定，保证坝段的基础面上、下游高差不至过大，并略倾向上游。

根据地质资料和工程类比，覆盖层及全、强风化层开挖边坡采用1∶1.5；弱风化层采用1∶0.5。

3.1 坝基开挖

右岸非溢流坝段基础坐落于3 103.00、3 122 m高程两个平台上，坡比为1∶0.5。溢流表孔坝段基础坐落于3 100.30 m和3 103.00 m高程平台上，坡比为1∶0.5。泄洪冲沙底孔坝段位于主河床部位，基础平台高程3 105.00 m，坡比为1∶0.5。左岸非溢流坝段基础平台高程3 122 m，坡比为1∶0.5。左岸连接坝段边坡开挖坡比为1∶0.5，未设马道。

3.2 固结灌浆设计

为提高坝基的完整性和均匀性，消除爆破对岩体的不利影响，改善基础质量，对坝基进行了全面固结灌浆。考虑工程坝基地质条件、施工布置条件等，采用坝基接触灌浆与固结灌浆相结合的方式，即利用固结灌浆孔进行坝基的接触灌浆。固结灌浆范围除坝基和消力池基础部分外，上游进水口冲沙孔范围也作为扩大的固结灌浆区。

固结灌浆孔深分为5 m和8 m两种，坝踵区、断层及其影响范围内的孔深为8 m，其余部位孔深5 m。采用梅花形布置，坝基范围内孔、排距均为3 m；范围外孔、排距均为4 m。

坝基固结灌浆要求在有3 m厚混凝土盖重层的条件下进行。实际施工时，为解决固结灌浆施工与混凝土浇筑上升之间的矛盾，大多数固结灌浆孔是在混凝土盖重层厚度大于3 m的条件下进行的，少数在1 m左右的条件下进行。设计最大固结灌浆压力为0.5 MPa。

3.3 防渗结构设计

（1）坝基渗流控制设计。大坝基础采用垂直帷幕灌浆和排水孔幕相结合的渗控方案。为防止发生绕坝渗流，破坏左右岸山体稳定，在左岸山体内布设45 m深的灌浆平洞、在右岸采用明灌的方式将上游帷幕灌浆线延伸至两岸山体内的地下水位线处，从而有效地延长了上游渗水的渗透路径，降低了渗透坡降。

（2）防渗帷幕设计。该工程表孔坝段最大坝高36.2 m，上游最大水头30 m，下游最大水头7 m，设置横向帷幕灌浆廊道组成防渗排水系统。由于下游水位较低，未设置下游防渗排水帷幕。透水率要求为：河床及两坝肩灌浆后透水率≤3 Lu；两岸灌浆平洞范围内要求透水率≤5 Lu。大坝基础上游帷幕采用单排孔帷幕，防渗帷幕在基础灌浆排水廊道内进行钻灌。防渗帷幕布置于距上游面3.5 m处的上游基础灌浆排水廊道内，孔距为2 m，基岩内孔深25 m。根据大坝帷幕灌浆试验报告，将帷幕灌浆压力调整为2.5 MPa。

（3）坝基排水设计。排水孔布设在坝体灌浆排水廊道内，上游帷幕灌浆排水廊道前的坝体渗漏水、坝基渗漏水均排至大坝集水井。排水孔布置在主防渗帷幕下游侧2 m，孔距3 m，岩石下孔深12 m。在表孔坝段中部设置大坝渗漏集水井，底高程3 102.40 m，采用机械抽排方式，通过在表孔中预埋排水钢管输入到集水井并抽排到坝体上游库区。

4 拦河坝枢纽区边坡设计

4.1 右岸边坡设计

右岸边坡完全开挖后总坡高为122 m，属高～超高边坡。其中，3 103 m高程以上设计边坡坡比为1∶0.5， 3 122、 3 136.1、 3 158、 3 178、 3 198 m 高程分别设置2 m宽的马道；3 198 m高程以上设计边坡坡比为1∶0.3。右岸有一吉沙沟，在边坡上设一截水沟。

整体边坡采用系统支护和排水。在3 199～3 222 m高程边坡段中，出现2条卸荷裂隙，其单条宽度均为20 cm，长30余m，倾向坡内，倾角约70°，平行坡面展布，深度不详，张开无充填。对卸荷裂隙进行灌注砂浆封闭处理，同时采用长9 m，φ22@3 m×3 m长锚杆束支护，锚入岩石8.9 m，并加强稳定监测。

4.2 左岸边坡设计

左岸边坡开挖在满足上部建筑物结构和功能轮廓尺寸的要求下，为保证边坡稳定，以1∶1～1∶1.5的坡比进行开挖，并沿3 137、3 150、3 170 m高程设2 m宽马道。

整体边坡采用系统支护和排水。坝下0+050.00～坝下 0+130.00处，3 117.0～3 200.0 m高程边坡采用网格梁支护，网格梁采取3.30 m×4.30 m城门洞形布置，尺寸为30 cm×40 cm。在3 150 m高程以下网格梁节点处加设1 600 kN锚索，间排距6 cm×13 cm。在坝0+000.00～坝下 0+130.00，3 117 m高程处设置混凝土挡墙。挡墙与护坡网格梁之间回填C10三级配混凝土。

5 结语

吉沙水电站首部枢纽拦河坝设计在前期大量论证、多方案比较的基础上，最终选择了本文所述的设计方案。经深化调整后的枢纽布置既充分适应了地形地质与建设条件，也体现了水电技术的发展；不仅枢纽建筑物形式简单、布置合理， 而且技术可靠、安全经济，为在河道狭窄、边坡陡峻的河流上布置枢纽建筑物积累了宝贵经验，可为类似工程提供参考。