金桥水电站工程枢纽布置设计研究

甄 燕，张华明，温家兴，齐景瑞

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065)

1 工程概况

金桥水电站是易贡藏布干流上规划的第5个梯级电站，位于西藏自治区那曲地区嘉黎县境内，工程的开发任务为在满足生态保护要求的前提下发电。金桥水电站已列入西藏自治区无电地区电力建设规划。

金桥水电站水库正常蓄水位3 425.00 m，死水位3 422.00 m，水库总库容41.28万m3，调节库容11.83万m3。电站总装机容量66 MW(3×22 MW)，多年平均年发电量3.57亿kW·h，保证出力6.0 MW，年利用小时5 407 h。工程为三等中型工程，主要建筑物按3级建筑物设计。

2 水文及地质条件

2.1 水文气象

易贡藏布位于西藏自治区东部，是帕隆藏布右岸一级支流，雅鲁藏布江的二级支流，其干流全长286 km，流域面积13 787 km2，天然落差3 070 m，平均比降1.07%。金桥水电站坝址位于易贡藏布干流上，坝址以上流域面积4 230 km2，坝址处河面高程约3 400 m。坝址多年平均悬移质输沙量为33.9万t，多年平均流量为114 m3/s，多年平均含沙量为0.094 kg/m3。

易贡藏布流域地处西藏东南部，属温带湿润高原季风气候区。流域内夏季酷热、多雨，流域径流由降雨、融冰融雪和地下水补给，以降雨补给为主，一般每年5月～9月为雨季，雨量集中，占全年总降水量的70%以上，平均年降雨量约为820 mm。气温变化年较差小，日较差大。年平均温度在-1～9 ℃之间，极端最高气温30.2 ℃，极端最低气温-30.3 ℃。历年最大平均风速17 m/s，吹程400 m。

2.2 工程地质

左、右岸坝肩自然边坡高陡，山顶与河床相对高差在500 m以上，坡度50°～80°，除局部缓坡部位有薄层崩坡积覆盖外，大多数地段基岩裸露，岩性为白垩系花岗岩，偶夹辉绿玢岩岩脉，宽1.0～6.0 m；坝肩山体整体稳定，坝肩附近断层构造不发育。浅表部存在强卸荷岩体，3～20 m深度范围为弱卸荷岩体，20 m以下为微风化岩体。左、右岸卸荷岩体具有中～强透水性，顺河向结构面发育，因此两岸坝肩卸荷岩体需进行防渗处理。

河床冲积砂卵砾石层厚50～80 m，结构中密～密实，卵砾石主要为花岗岩、砂岩等，卵砾石含量60%～70%，其余为砂，为中等透水层，承载力及变形模量均能满足上部荷载的要求，工程地质条件良好；在河床坝基中存在厚3～20 m的砂层透镜体，承载力及变形模量相对较低，坝基下20 m范围内的砂层透镜体存在地震液化的问题。由于地基的不均匀性，会产生不均匀沉降及渗透变形破坏问题。因此，坝基基础需做处理，并应做好防渗处理。

引水隧洞穿越右岸山体，山体高大、陡峻，洞身最大埋深近700 m，过沟段最小埋深120 m。洞室围岩基本为微风化岩体，主要岩性为白垩系灰白色花岗岩、奥陶系变质石英砂岩，岩体完整性中等，围岩以Ⅲ类及Ⅱ类为主；断层破碎带、影响带及节理密集带岩体均呈碎裂结构，围岩为Ⅳ类，基本满足成洞条件。

地下式厂房横轴线方向为NE13°，上覆岩层厚220 m，围岩岩性为前奥陶系变质石英砂岩；由于工程区构造格局受近EW向的嘉黎断层主干断裂F2及次级断裂F3控制，其均具有右旋平移逆冲性质，因而区域构造主应力应为垂直于断裂方向，角度为近水平向，略倾伏于S；由于厂房区地形上位于NWW条形山脊近易贡藏布河谷侧，有一定埋深，所处山体属于应力过渡带，而非坡脚的应力集中带，主裂隙面走向与厂房轴线夹角50°～70°，围岩完整性中等，为Ⅲ类围岩，围岩较稳定，开挖后局部有掉块现象，不存在大块体稳定问题，满足成洞条件。厂房后边坡为基岩坡体，坡度较缓，局部直立，岩性为前奥陶系变质石英砂岩，断层构造不发育，裂隙中等发育；天然状态下处于稳定状态，开挖后边坡整体稳定，但存在剥落、掉块现象，开挖过程中需进行锚固处理。

3 枢纽布置方案选择

易贡藏布干流总体呈NW290°～320°。在库区近坝段，河流由NW300°转向NE50°～60°，库尾近东西向。根据河道规划，金桥水电站上下游分别有康卓水电站和忠玉水电站，康卓为引水式电站，忠玉水电站为易贡藏布水电梯级开发的多年调节龙头电站。在康卓水电站尾水至忠玉乡约7 km可利用河段内，根据地形地质条件和水文条件，对坝址、坝型、引水线路、调压井形式、厂房形式等进行了比较研究。

3.1 坝址的选择

对康卓水电站尾水至忠玉乡约7 km可利用河段拟定了上、下坝址进行比选。上坝址河谷呈“U”形，河谷较宽，坝轴线处宽约190 m，河床覆盖层厚 50～80 m，考虑到坝高不足30 m，首选坝型为混凝土闸坝，建基于覆盖层上。下坝址距上坝址约1.5 km，上下坝址段河道比降为4%。下坝址地形条件与上坝址相比河床较窄，坝轴线处宽约130 m，河床覆盖层厚50～80 m。下坝址坝高约42 m，坝型可选择混凝土重力坝和当地材料坝，鉴于下坝址河谷狭窄，选择当地材料坝时并没有合适的地形条件修建溢洪道，而混凝土坝则能更好地协调引水、防沙和泄洪，故本工程下坝址采用混凝土坝。通过对上下坝址地形地质条件、水文水能指标、枢纽布置及主要工程量、施工条件和工期、工程投资、环境影响、运行条件、工程效益等多方面综合比较分析，上坝址较优，故上坝址为推荐坝址。

3.2 坝型的选择

在选定上坝址为推荐坝址的基础上，结合工程特点，在可研阶段先后拟定了混凝土重力坝、堆石混凝土重力坝和土工膜防渗堆石坝3种坝型进行比较。从就地取材、施工工期、工程投资、保护环境，对基础的适应性等方面考虑，当地材料坝较占优势。由于本流域水文实测资料匮乏，金桥坝址设计洪峰流量采用水文比拟法计算得到，虽然有其合理性并对校核洪水增加了20%的安全保证值，但仍存在不确定性。加之库区附近上游右岸冲沟，冬季雪崩后产生的冰雪碎石滑入河道，可能形成小型堰塞湖，给大坝安全带来不利影响。从工程的长远性、安全性方面分析，混凝土重力坝相比土石坝其抗风险能力更强。堆石混凝土坝既能起到混凝土重力坝的作用，且对骨料的级配要求相对较低，可利用坝址处河滩大量的大粒径卵石，减少料源开采总量，较混凝土重力坝可以节省投资、缩短施工工期、保护环境。因此，综合考虑选取堆石混凝土重力坝方案。

3.3 装机容量选择

规划阶段初拟金桥水电站装机容量为160 MW，多年平均年发电量6.6亿kW·h，可研阶段初期考虑金桥水电站作为西藏无电地区供电电源(10 MW)及下游忠玉电站的施工电源点(35 MW)，考虑这两方面的需求，为留有余地，金桥水电站装机容量初拟为48 MW。随着外部建设条件的变化、水资源的合理利用及满足电力长远需求，根据目前西藏水资源利用情况，拟定48、66、128 MW 3个方案比较，通过电力电量平衡分析、工程投资、电站整体经济指标及补充经济指标、装保比、无电地区及忠玉工程用电及电网汛期电量消纳情况，金桥水电站最终选择装机容量为66 MW。

3.4 引水建筑物布置选择

本河段两岸山势陡峭，河谷狭窄，沿河岸平缓阶地很少，综合考虑与下游水位衔接、交通条件、地形地质条件及施工场地等因素，选择距离坝址4.5 km处的左、右岸两处作为代表厂址进行综合比选。

左右岸工程地质条件基本相当，无制约引水线路布置的特殊因素。引水线路布置在左岸，泄洪、排沙和取水等布置方面相对较好，但位于河道左岸弧形转弯的弓背位置，洞线较长，弯道较多，工程投资较大。引水线路布置在右岸，洞线平直、洞线较短，但电站进水口上游引水、泄水建筑物下游出流归槽，需要对右岸开挖整治，改变主河道走向。综合考虑引水线路长度、泄洪、取水、排沙、消能防冲、厂房布置、施工条件、工程投资等方面，右岸引水线路明显占优势。因此，引水发电系统布置在右岸。

3.5 厂房形式布置选择

厂房形式选择根据电站开发方式、总体枢纽布置要求、厂区地形地质条件及施工条件等因素综合考虑，本工程地面、地下厂房方案从技术角度均可行。通过从地形地质条件、后期电站运行条件、施工、工程投资综合比选得出：①地面厂房后边坡较为陡峻，安全防护工程量大；地下厂房部位埋深较深、围岩以Ⅲ类为主，成洞条件相对较好。②从工程布置条件看，地面厂房厂区场地狭窄、布置紧凑、岸坡高陡、存在边坡防护、尾水防淤、基础不均匀沉降等方面的问题；地下厂房主体基本在山体内，布置灵活不受限制。③从施工角度看，地面厂房施工期围堰占河道较多、对汛期行洪、临时交通布置、施工期干扰较大；地下厂房施工技术较为成熟，施工期安全风险可控，施工期干扰较小。④从工程投资看，地面厂房较地下厂房方案较优。因此，综合考虑，金桥水电站采用地下厂房方案。

4 枢纽布置及主要建筑物

4.1 枢纽布置

枢纽工程主要由首部枢纽工程、引水系统、地下厂房三部分组成。首部枢纽主要建筑物由左岸堆石混凝土重力坝、泄洪冲沙闸、排漂闸、右岸挡水坝段等组成。引水发电系统布置在右岸，主要由电站进水口、压力管道、调压井、主副厂房、主变室、尾水渠、GIS室开关站等部分组成。

4.2 主要建筑物

金桥水电站工程主要建筑物(挡水建筑物、泄洪排沙建筑物、引水发电系统建筑物等)为3级，次要建筑物(护坡、挡土墙等)为4级，安全级别均为II级。

4.2.1 首部枢纽建筑物

首部枢纽主要建筑物从左至右主要包括：左岸堆石混凝土重力坝、泄洪冲沙闸、排漂闸、右岸挡水坝段及电站进水口。坝顶高程3 427.5 m，建基面最低高程3 400.00 m，最大坝高为27.5 m，坝顶长约198.65 m。

(1)挡水建筑物布置。左岸挡水坝采用堆石混凝土重力坝，紧邻泄洪闸左边墙起，沿坝轴线长106.3 m，共分6个坝段，坝段宽17.95～20.00 m。坝顶高程3 427.50 m，为了满足过坝交通要求，坝顶宽12 m，最大坝高27.5 m。上游坝坡为1∶0.2，下游坝坡为1∶3.225。坝体基础混凝土(2 m)、坝体顶部混凝土(2m)范围内采用C20W6F300(三)常态混凝土，上游坝坡(1.0 m)、下游坝坡(0.5 m)范围内采用C20W6F300SCC自密实混凝土；坝体内部采用C15W4F150SCC自密实堆石混凝土；水位变幅区及以上部分抗冻标号提高至F350。右岸挡水坝段内为了满足布设生态防水阀室、门库等要求，采用常态混凝土重力坝，沿坝轴线长52 m，共分2个坝段。坝顶高程3 427.50 m，坝顶宽12 m，最大坝高27.5 m。坝体上游面紧邻电站进水口，下游坝坡1∶0.7。坝体基础混凝土(2.5 m)、坝体顶部混凝土(2 m)范围内采用C20W6F300(三)，上游坝坡(2.5 m)、下游坝坡(1.5 m)范围内采用C20W6F300(二)常态混凝土；坝体内部C15W4F200(三)自密实堆石混凝土；水位变幅区及以上部分抗冻标号提高至F350。

(2)泄水建筑物布置。泄洪冲沙建筑物的校核洪水标准为1000年一遇，相应洪峰流量1 330 m3/s；100年一遇洪水设计，相应洪峰流量953 m3/s；消能防冲建筑物设计均按30年一遇洪水标准，相应洪峰流量863 m3/s。泄水建筑物主要包括泄洪冲沙闸、排漂闸。泄洪冲沙闸布置在右岸滩地，为3孔平底孔流混凝土闸坝，1、2号闸孔为1个坝段，坝段宽20 m，3号闸孔及排漂孔为1个坝段，坝段宽17 m。为防止由于不均匀沉降引起的结构开裂，闸室结构采用整体式，在闸墩中间设顺水流向永久缝。中墩厚3 m，边墩厚2.5 m。闸室进口底板高程3 405.0 m，最大高度26 m，顺水流方向长35 m，工作门孔口尺寸6 m×5 m，检修门孔口尺寸6 m×7 m。泄洪冲沙闸室段上游接引渠和水平混凝土铺盖，并在铺盖上设有两道导沙坎。下游接长85 m的缓坡混凝土护坦，再之后为35 m长的钢筋笼海漫，海漫末端与下游河床相接。排漂闸采用折线型实用堰，堰顶高程3 422.0 m，孔口宽3 m，向下接R=8 m堰面和1∶2 的斜直段，之后通过R=20 m的反弧段与缓坡混凝土护坦相连接。为防止消能淘刷，在护坦末端设置有厚80 cm、深10 m的混凝土防冲墙。为保证下游河道正常生态用水，在排漂孔实体堰内设置生态放水孔。生态放水孔进口孔口中心线高程3 414.0 m，采用Φ150 cm钢管，出口引至泄洪闸消力池左边墙生态供水池内。

4.2.2 引水发电建筑物

引水发电系统布置在右岸，主要由电站进水口、压力管道、调压井、主副厂房、主变室、尾水渠、GIS室开关站等部分组成。

(1)引水系统布置。引水系统由电站进水口、引水隧洞、调压室、压力管道等部分组成。电站进水口紧邻排漂闸右侧，位于在河道右岸，其前缘与坝轴线呈107.3°夹角。取水口总长8.5 m，底板高程3 412.00 m，布置有主副两道5.0 m×8.0 m拦污栅。取水口经长26 m的渐变段与引水隧洞进水闸相连，进水闸闸室长11.5 m，宽8.5 m，孔口设一道4.8 m×6.0 m的事故检修门，闸底板高程为3 408.00 m。引水隧洞采用“一洞三机”的供水方式。引用流量为55.50 m3/s，总长为3 678.38 m，其中，引水隧洞长3 330 m，为马蹄形断面，内径5.30 m，钢筋混凝土衬砌厚度55 cm，部分Ⅱ类、Ⅲ类围岩洞段采用挂网喷混凝土，厚度10 cm。在引水隧洞桩号引3+330.00处接压力钢管段，在压力钢管上弯段末端与竖井段在同一轴线上设有阻抗式调压井，经压力钢管下弯段后接两个“卜”形钢岔管与3条引水支管衔接进入地下厂房，主管内径3.80 m，支管内径2.2 m。调压室直径12 m，阻抗孔直径2.25 m，最高涌浪高程3 435.94 m，最低涌浪高程3 412.56 m，调压室顶部高程3 438.50 m，底部高程3 400.00 m，调压室高38.5 m，井壁钢筋混凝土衬砌厚度为0.9 m，在阻抗孔3 331.50 m高程处设置直径为3.5 m的小井上接到调压室底部，小井高度为68.5 m，井壁混凝土衬砌厚度为0.6 m。

(2)地下厂房建筑物布置。主厂房、主变室(尾闸室)平行布置，洞室间距30 m，洞室轴线NE13°。主厂房、副厂房和安装间呈“一”字形布置，安装间布于主厂房右侧，副厂房布置在主厂房左侧。厂内安装3台(HL(138)—LJ-195)混流式水轮发电机组，单机容量22 MW，引用流量18.50 m3/s，额定水头136.50 m。根据机组布置要求确定厂房尺寸为83.8 m×18.20 m×35.40 m(长×宽×高)。主变室(尾闸室)尺寸为63.85 m×16.55 m×17.40 m(长×宽×高)；尾水延伸段后接尾水洞，尾水洞采用“三机一洞”的布置形式，断面采用有压城门洞型，断面尺寸为4.5 m×6 m，出洞后在尾水渠采用尾水箱涵接入下游河道。中控楼、GIS室开关站、绝缘油库及生活消防水池等均布置在尾水出口3 281.50 m高程平台。电缆由主变室电缆层通过出线洞送至地面GIS室开关站的电缆廊道内，出线站布置在GIS室开关站楼顶。

5 结 语

随着外部建设条件的变化，金桥水电站工程在已经选定的枢纽布置格局的情况下，对首部枢纽左岸坝型、装机容量、调压井形式、厂房形式，从工程投资、施工、工期、运行及工程安全性等方面重新进行综合比较论证，从而选定了设计方案，并随着建设条件的变化，对设计方案重新优化。枢纽整体布置、主要建筑物形式充分适应了地形地质与建设条件，整个枢纽布置紧凑、经济合理、运行安全有保障。