浅析引子渡峡谷拱桥式泵站创新设计

马富强，符昌胜，汪 罗

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 概 述

引子渡水电站工程位于乌江上游南源三岔河的下游，是乌江水电基地中的一个梯级电站，工程以发电为主，坝址以上集雨面积6422 km2，水库正常蓄水位及设计洪水位均为1086 m，死水位1052 m，校核洪水位1091.09 m，总库容5.31亿m3。电站总装机容量36万kW，年均发电量9.78亿kW·h。

引子渡提水工程是贵阳市和贵安新区供水安全和城市可持续发展的重要配置水源，工程拟在引子渡电站库区右岸大寨村附近新建两级泵站[1](一级穿洞泵站、二级枫香田泵站)，从库内提水至高位水池，自流进入秀洞河，经由秀洞河流入石朱桥水库后进入红枫湖(贵阳市、贵安新区重要水源点)。一级穿洞泵站距离引子渡水库大坝约10 km，位于主河道右侧，设计提水流量2.25 m3/s，年可提水量6060万m3，泵站装机容量8000 kW，是引子渡提水工程的首部建筑物。

2 泵站型式的确定

综合考虑引子渡提水工程供水对象的重要性、水质要求、后期扩容要求、施工风险的可控性等，穿洞泵站站址选择位于引子渡库区中部右岸水跳岩支流上，紧邻汇口处。泵站采用库内取水，水库消落水深34 m，结合泵站布置和水泵类型，可选择多种泵站型式[2]，在项目初步设计阶段，设计综合比选了浮船式泵站[3]、库岸井筒式泵站、岸坡地下式泵站、库内排架式泵站、库岸竖井式泵站、峡谷拱桥式泵站6种泵站型式。综合考虑侵占航道影响、施工难度、投资造价、对自然风景区影响、工程耐久性和运行期的维护管理等多方面因素，最终确定选用峡谷拱桥式泵站(泵型为立式长轴泵[4])。

3 泵站地形地质条件

穿洞泵站所在位置为溶蚀峡谷地貌，河谷走向约N60°W，为横向“U”形谷，河谷底部高程约1049 m，宽约30 m。底部地形平缓，两岸地形下陡上缓。河床覆盖层由湖积淤泥质黏土、冲洪积砂卵砾石、含碎石砂质土及少量崩塌堆积碎块石组成，成分较杂，推测厚3～8 m左右，两岸基岩多裸露，覆盖层零星分布，为含碎石黏土，一般厚0～2.5 m。基岩岩性为二叠系下统茅口组(P1 m)灰色、深灰色中厚层至厚层块状夹薄层灰岩、白云质灰岩。未发现较大地质构造通过，为单斜地层，岩层产状为318°∠21°，倾下游稍偏右岸，节理裂隙发育，隐型溶沟溶槽发育，强溶蚀风化带、强卸荷带岩体厚4～8 m，弱溶蚀风化带、弱卸荷带岩体厚10～25 m不等。

泵站两侧边坡为横向坡，自然边坡现状稳定，未发现明显的不良地质现象，顺河谷向卸荷裂隙发育，局部岩体风化较深。地下水类型主要为岩溶裂隙水。

4 泵站设计

4.1 厂区布置

穿洞泵站厂区布置由主厂房、副厂房、主变场、出水管道和进厂公路组成。结合水跳岩支流汇口附近地形地质条件，泵站主厂房布置于穿洞垭口至主河道河谷段的最窄处，距离上游支流汇口约220 m。副厂房位于桥北端左侧，基础面为坡面开挖形成，底板高程1093.50 m，副厂房西北端为主变场，副厂房、主变场与山体之间设4 m运输通道。进厂公路从附近的大寨村引入，与拱桥北端右侧相接。泵站出水管道沿厂房两侧引出，在厂房北侧下弯至厂区平台高程以下采用埋管铺设，在拱桥北端合并后向东沿山体坡面铺设，末端接高位水池。

4.2 主厂房结构设计

4.2.1 主厂房上部拱桥结构设计

泵站主厂房结构型式设置为拱桥式，下部采用拱桥结构，拱上结构采用空腹式结构，腹孔布置为拱式。泵型采用长轴深井泵，共8台(6用2备)，装机容量8×1000 kW。泵站长轴深井泵泵轴长度超过40 m，为了保证水泵安全运行，设计采用外套钢管对泵管进行保护，顶部采用止推环固定在主拱结构上，下部采用折线拱进行水平约束。

参考《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[5]3.4.3条第4款的规定，无铰拱拱脚允许被设计洪水淹没，本桥单跨跨径62.5 m，属于大桥(规范JTG D60—2015中1.0.5条)，参考规范JTG D60—2015中3.2.9条，设计洪水频率取1%(与穿洞泵站洪水频率一致)。引子渡电站水库洪水频率1%时的水位为1086.860 m，拱桥拱脚高程1077.811 m，拱脚洪水埋深9.049 m<2/3净矢高9.260 m，拱顶底面高程1091.700 m，距洪水位4.84 m，符合规范JTG D60—2015中3.2.9条第4款拱脚被洪水淹没的要求。结合拱桥淹没要求，同时兼顾水库正常蓄水位时桥下通过小型游船的需求，穿洞泵站主拱拱底高程取1091.700 m，加上1.5 m拱厚和0.3 m铺装层厚，泵站平台高程1093.500 m。

对于泵站拱桥结构采用了有限元进行结构静力和动力计算，根据《三岔河引子渡提水工程穿洞泵站拱桥结构计算与研究报告》[6]计算分析，考虑到上部泵站机组运行的振动，拱桥桥体采用C40钢筋混凝土板拱，拱轴线采用悬链线，拱轴系数1.7，主拱净跨62.5 m，净矢高13.889 m，矢跨比1∶4.5，主拱厚1.5 m，主拱宽度结合上部主厂房结构取17.0 m。拱上结构采用空腹式结构，腹孔布置为拱式，腹孔跨径为3 m，腹孔混凝土采用C30。根据动力结构计算分析建议，主拱圈与拱上结构采用简支结构[7]，因此拱上泵站平台采用橡胶支座置于拱身支撑之上，每个支承面面积为2 m×17 m，布置8组橡胶支座。

穿洞泵站采用长轴深井泵取水，水库死水位1052 m，目前取水位置淤积高程约为1049 m(已淤积14 a)，根据相关规范水库再运行50 a，计算其淤积高程为1050.37 m。根据水机专业要求，水泵最低点位于取水最低水位以下1.5 m，因此水泵底部高程取1050.5 m，高于50年淤积高程，满足取水要求。

主厂房长78.155 m，宽17 m，布置8台长轴深井泵，采用两排布置，排间距5 m，出水管分别向两侧伸出主厂房后接出水管道。为了在水库高水位时为穿过拱桥的游船留出通道，靠近河床中线的机组间距取11 m，靠两岸坡方向机组间距取5 m。结合水泵安装位置，厂房主安装间布置与副安装间分别布置在主机间两侧，且对称布置，对下部拱桥结构受力有利。

为适应下部拱桥结构变形，厂房纵向不设联通的纵梁，同时为了保证结构一定的纵向刚度，纵向18榀排架均匀布置7组双排架顶部连接。泵站位于斯拉河省级风景区，为融入斯拉河省级风景区自然环境，泵站墙外立面及屋顶结构外观均采用了具有少数民族特色的建筑风格，泵站与自然景观浑然一体，很有可观赏性。

拱桥两端拱座置于中厚层至厚层块状夹薄层灰岩、白云质灰岩的强风化底部至弱风化上部，基础开挖高程1074.500 m，长19.0 m，左岸拱座宽7.0 m，右岸拱座宽8.0 m，高均为6.7 m，采用C25钢筋混凝土，拱端部分设C35钢筋混凝土C25拱座台帽。

按照《乌江索风营、引子渡、小兴浪、阿珠四库区航运建设工程环境影响报告书》[8]通航标准，支流航道通航60客位客船尺度为20.0 m×3.4 m×1.0 m(长×宽×吃水)，100 t货船船型尺度为38.0 m×5.0 m×1.2 m(长×宽×吃水深)。因此在泵站水泵布置设计时，中部取水泵之间设 9 m宽的小型游船通道，以满足游船通航要求。考虑到洪水期间暂不设游船旅游，因此根据结构布置游船正常水面高度需小于4.7 m，预留1 m安全超高。

4.2.2 主厂房下部折线拱结构设计

穿洞泵站长轴深井泵泵轴长度超过40 m，经方案比选采用折线拱进行水平约束。结合水跳岩支沟垭口地面高程，折线拱拱顶高程取1062.50 m，同穿洞垭口高程，因此不会因折线拱增加阻航水位范围。斜拱段坡比取1∶3，左侧拱座基础高程1057.30 m，左侧拱座基础高程1058.000 m。折线拱采用板形结构，板厚0.8 m，宽7.8 m，采用C40钢筋混凝土。护管穿过折线拱部分采用柔性材料填充钢管与开孔之间的间隙。

4.3 副厂房结构设计

副厂房长度34.98 m，宽10.6 m，为两层结构，层高均为5 m。副厂房设8副排架，采用“二四”墙分隔，下层为0.4 kV低压配电室、无功补偿装置室和35 kV高压开关柜室(含10 kV高压开关柜室)、二层布置中控室、通信室、资料室和休息室。主变场位于副厂房靠北一端，与副厂房直线布置，副厂房和主变场靠山一侧布置4 m宽道路，主变场地坪高程1093.5 m，长度16.97 m，宽度8.01 m。

4.4 出水管设计布置

穿洞泵站出水管道由主厂房引出，沿主厂房两侧布置，至桥北端并拢后沿坡面铺设，管长787 m，双管布置，管材经比选采用成品钢管[9]。考虑到高洞泵站出水管道位于斯拉河风景区内，因此出水管道采用埋管型式，以减少景观影响。

管道混凝土包管，混凝土回填厚度0.6 m，管槽坡度>30°部分，表面设台阶凹槽，便于后期植被覆盖，在管槽坡度<30°部分采用土石回填上部土石回填厚度≥0.7 m，穿过耕地部分另外增加耕植土回填厚度；管道穿越公路部分，采用钢筋混凝土包管，上部按原标准路面恢复。根据管道铺设施工要求，管槽开挖底宽4.2 m，两侧边坡1∶0.75，钢管底部距离管槽0.6 m，钢管净距0.8 m，中心距1.9 m。钢管壁厚在下部高水头部分取12 mm，上部水头较低部分取10 mm，钢材为Q345C。根据光面管抗外压稳定计算，满足抗外压0.2 MPa要求，但根据结构布置加劲环，间距6 m。出水管道末端接高位水池。

5 结 论

综合考虑了多种因素，引子渡提水工程一级穿洞泵站，采用了拱桥式泵站结构，避免了其他类型泵站带来的侵占航道、施工难度大、项目风险高、工程耐久性差、运行管理复杂和对斯拉河省级风景区影响程度大的诸多现实性问题。另外拱桥式结构对地形地貌的适应能力强、跨越能力大，构造简单，节省材料和空间，且能耐久、易养护、外形美观,对于类似建设条件的工程项目，具有广泛推广使用价值。