巩 绪 威

(上海勘测设计研究院有限公司， 上海 200434)

1 工程概况

上石盘电航枢纽工程位于四川省广元市境内的嘉陵江干流上，是嘉陵江干流广元至苍溪段梯级开发的第一级，下游与亭子口梯级衔接。本工程采用河床式开发，水库总库容6 860万m3，正常蓄水位472.50 m以下库容5 825万m3，电站装机容量30 MW，主要建筑物包括电站厂房、泄洪闸、船闸及两岸连接段等。电站主要建筑物为3级，船闸按Ⅳ级航道标准，有效尺度120 m×12 m×3.0 m(长×宽×门槛水深)。库区防洪堤已按50年一遇洪水标准和满足枢纽工程蓄水要求建成。

泄洪闸、电站厂房、船闸上闸首、左右岸连接段按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核，消能防冲建筑物按30 年一遇洪水设计。闸址区50年基准期超越概率10%的基岩水平地震动峰值加速度为0.108 g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

2 工程建设条件

嘉陵江流域属亚热带湿润季风气候区，广元市多年平均气温16.1℃，多年平均风速1.7 m/s，最大风速14.3 m/s，风向NNE。坝址以上集水面积26 542 km2，多年平均年径流量为202 m3/s，3.33%、2%、0.5%的洪峰流量分别为10 300 m3/s、11 300 m3/s和14 200 m3/s。泥沙以悬移质为主，多年平均含沙量4.48 kg/m3，多年平均输沙量2 783万t，入库推移质输沙量为18万t。

枢纽河段从嘉陵江干流袁家坝～广元千佛崖，属嘉陵江中游起始段，河谷宽缓，宽度一般350～800 m，枯期河面宽度一般100～200 m，河床平均比降0.9‰。两岸漫滩、高漫滩极为发育，零星分布有Ⅰ～Ⅱ级阶地，山体大致顺河向展布，属低山丘陵区。闸址区砂卵砾石覆盖层厚度15～23 m，受长期采砂影响，松散层厚度2～18 m，下伏基岩由砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩组成。弱风化粉砂质泥岩饱和抗压强度为3.5～6.6 MPa，微风化～新鲜粉砂质泥岩、泥质粉砂岩饱和抗压强度8.9～14.6 MPa，砂岩结构疏松，强度较低，弱风化～微风化岩石饱和抗压强度6.9～15.4 MPa。坝基岩体为中等～弱透水性，粉砂质泥岩透水率一般小于5 Lu，泥质粉砂岩透水率一般小于10 Lu。

3 枢纽布置

3.1 枢纽布置格局的拟定

上石盘电航工程规划坝址河段为“S”形河段，根据该河段的地形地质与通航条件等综合分析，拟定上坝址(位于上弯段直段)、下坝址(位于下弯段直段)两个坝址(相距约3.5 km)，经技术经济综合分析，选择了地质及通航条件好，枢纽工程投资少，城市景观效果好的下坝址。

规划坝址河段嘉陵江的洪水具有峰高量大、陡涨陡落的特点。推荐坝址区河道宽度较狭窄，为了获得较高的泄流能力和便于汛期排沙，泄水建筑物采用开敞式平底板宽顶堰全闸布置。由于本工程具有水头小、流量大的特点，水轮发电机若采用灯泡贯流式机组则出力效率高，且工程投资省。因此，电站厂房采用灯泡贯流式机组的布置形式。

由于坝址位于“S”形河段的下段，河床右岸滩地发育，主河槽位于河床的左岸，船闸若布置于右岸，船闸进出上引航道困难，需要较长的上引航道，同时，右岸滩地开挖范围较大。左岸是河弯段下游的凹岸，河床主河槽位于左岸有利于船只进出引航道。经综合分析，船闸适宜布置于左岸。考虑到宣泄大洪水的需要，泄水建筑物布置于主河床。根据厂房与船闸的相对位置关系，研究了左岸船闸右岸厂房方案、左岸船闸左岸厂房的布置格局。

3.2 枢纽布置格局的选择

(1)左岸船闸右岸厂房布置方案。自左岸至右岸依次布置左岸连接段、船闸、泄洪闸、厂房及右岸连接段，全长387.8 m，其中左岸连接坝长40 m、船闸段48 m、泄洪建筑物总长223.00 m、主机间段31.3 m，安装间坝段28.3 m，右岸连接段长17.2 m。枢纽布置见图1。

(2)左岸船闸左岸厂房布置方案。自左岸到右岸依次布置左岸连接段、船闸、厂房、泄洪闸、右岸连接段，坝顶全长386.6 m，其中泄洪建筑物总长223.00 m、厂房段59.6 m，船闸段48 m、左岸连接段长 40 m、右岸连接段长16 m。

图1 枢纽布置平面示意(单位：m)

(3)枢纽布置格局的比选。

工程地质条件：两个布置方案主要建筑物基础均置于弱风化的砂岩上，建筑物的抗滑稳定及承载力均满足规范要求。

工程布置及运行：本河段为“S”形河道的下游段河道，左岸为凹岸，河道深泓线偏左岸，两方案都基本适应了原来的河势，可以保证泄洪闸通畅泄洪。左岸船闸右岸厂房布置方案存在枯期主河槽来水量较小，电站尾水斜向进入左岸与下游航道汇合，口门区及连接段通航水流条件稍差，需要采取一定工程措施；左岸船闸左岸厂房方案将厂房和船闸同岸布置，施工干扰比较大，同时，电站发电尾水对船只进出下引航道有一定的影响，需要采取工程措施。此外，电站只能采取垂直进厂交通，运行管理不便。从工程布置及运行方面来说，左岸船闸右岸厂房方案略优。

工程施工：两个方案均采用分(二)期导流。左岸船闸右岸厂房布置方案河床分期泄流条件好，二期泄水建筑物的泄流能力大，降低了二期施工围堰高程，对节省投资及保证工期有利，且一、二期的施工强度较均匀。两个方案施工工期基本一致。

工程投资：右岸厂房方案石方开挖工程量比左岸厂房方案少11.56万m3，混凝土少2.232万m3，砂卵石回填少5.64万m3；工程投资少1 428.25万元。

综上所述，石盘电航枢纽工程枢纽布置采用左岸船闸右岸厂房布置格局。

4 主要建筑物

4.1 泄洪闸

根据坝址区地形地质条件，泄水建筑物的基础处理必须和泄水闸的消能防冲型式相结合。由于闸基上部为砂卵石覆盖层，下部为基岩，对泄水闸砂卵石层的处理研究了大开挖岩基建闸、钢筋混凝土灌注桩基础、振冲挤密地基处理和增加闸室底板长度四个基础处理方案，并对振冲挤密、高压旋喷桩和静压灌浆地基处理方式进行了对比分析。同时，对泄水闸的消能防冲型式研究了两种：

(1)结合大开挖形成的深尾水条件，泄水建筑物消能型式研究了岩基建闸结合戽流消能方式；

(2)覆盖层上建闸采用底流消能型式。

从安全可靠性来看，岩基建闸在防渗和减少闸基变形方面最为可靠，结合大开挖形成的深尾水条件，消力戽消能对中小流量时消能效果较好；从施工条件分析，由于采砂后的卵砾石层砂含量小于10%，粗大颗粒集中，稳定性差，造孔困难，覆盖层处理施工工艺要求高，难度大；从工程量及投资方面来讲，岩基建闸结合戽流消能方案最省。综合以上技术经济分析，选用砂卵石层大开挖岩基建闸方案，闸室建基面选择在基岩上。

泄水闸共布置13孔，单孔净宽均为14 m，其中，靠近厂房3孔兼作冲砂闸。泄水闸边墩厚度2.5 m，中墩厚度3 m，闸顶高程为476.00 m。闸基置于下伏弱风化基岩上，闸底板顶高程457.00 m，顺 水流向与消力戽连成整体，长37 m，自堰顶457.00 m以半径为1 m的圆弧段与1 ∶1的下游坡直线段相接，下部消力戽半径为7.5 m，挑坎挑角45°，戽底高程446.95 m，坎顶高程449.15 m。消力戽下游水平开挖长度40～45 m，其中坎后设长度为15.64 m、厚1.5 m的C20钢筋混凝土护坦，后接8 m长混凝土海漫，水平开挖区下游以1 ∶4斜坡与下游河床高程455.50 m相接。泄水闸每孔设工作闸门一扇，为平面定轮钢闸门；检修门共一扇，为平面叠梁钢闸门，交通桥布置在闸室上游侧。闸室结构见图2。

图2 泄洪闸闸室结构剖面示意

4.2 电站厂房及开关站

厂区建筑物包括进口建筑物、主厂房、副厂房、尾水渠、开关站及进厂交通等。

进口建筑物包括拦沙坎、上游厂闸导墙、进水前池等。拦沙坎坎顶高程462.00 m，平面呈椭圆线型布置，与上游厂闸导墙相连，将推移质泥沙导入冲砂闸并排至下游，导墙为半重力式混凝土结构，长34 m，墙顶高程473.00 m。前池最低高程446.44 m，向上游以1 ∶3坡比至457.00 m，岸坡采用贴坡式钢筋混凝土挡墙或护坡结合锚杆支护。

厂房与进水口、尾水平台形成整体，建基面高程436.50～444.44 m，顺水流向长58.05 m，河床式布置，正向进水，分2孔，每孔净宽7.9 m，进水口底板高程设为448.44 m，电站水头范围为10.3～16.0 m，额定水头为13.4 m，安装2台灯泡贯流式机组，水轮机安装高程448.61 m。主机间段长31.3 m，安装间段长28.3 m，两者并排布置；副厂房布置在主机间下游侧。尾水管采用平直管，出口设2扇平面钢闸门，出口处底高程为445.05 m。检修平台高程463.00 m。

尾水渠前段采用1 ∶5反坡由445.05 m高程过渡至454.50 m高程，平坡段长50 m，其后以1 ∶40的缓坡过渡到455.50 m下游河床相接。为减少泄洪闸下泄洪水对尾水渠及右岸岸坡的影响，尾水渠与冲砂闸消力池之间布置钢筋混凝土厂闸导墙；右岸岸坡采用衡重式混凝土岸墙、钢筋混凝土护坡进行防护。

开关站布置在安装间下游侧岸上，主变室、GIS室平面尺寸为15.74 m×11.24 m，室外地面高程473.70 m。广房横剖面如图3所示。

图3 厂房横剖面示意

4.3 船闸

船闸由上引航道、上闸首、闸室、下闸首和下引航道组成，总长度1 056 m，设计最大通航流量为Qp=33.3%=4 820 m3/s，上、下游最高通航水位分别为472.50 m和465.30 m，最低通航水位分别为461.62 m和458.05 m。上引航道位于库区，底高程458.62 m，宽40 m，直线进闸、曲线出闸，外引墙长155 m呈折线布置；内引墙布置在左岸，导航段长120 m，呈直线布置，调顺段长200 m，停泊段长120 m顺岸布置7个靠船墩。上、下闸首口门宽度均为12 m，采用人字钢闸门为工作门。上闸首顺水流方向长30 m，内外边墩宽度均为15 m，墩内设有输水廊道、工作阀门井、检修阀门槽、启闭机械及控制室等，墩顶高程为476.00 m；闸室长120 m，底高程455.05 m，闸墙内布置有输水廊道，墙顶高程474.10 m；下闸首长30 m，内外边墩宽度均为12 m，墩顶高程为474.10 m。下引航道宽40 m，底高程455.05 m；外引墙平行于船闸轴线呈直线布置，长120 m；内引墙导航段长120 m，呈折线布置，调顺段161 m，停泊段长120 m顺岸边布置7个靠船墩。

船闸分二期实施，在本工程二期导流期间，完成上游航道导墙、上闸首及闸门、启闭机安装，具备蓄水条件，其余船闸工程后期实施，实施前闸室及下闸首段长150 m所在范围开挖成稳定岸坡，并采取防护措施，防止下泄洪水冲刷。

5 水工整体模型试验

为验证枢纽工程是否满足行洪、下游消能防冲、闸门运行方式等的要求，本工程做了枢纽水工模型试验。试验采用正态模型，模型比尺1 ∶100，模拟河段为闸上游700 m、下游2 000 m。主要结论如下：

(1)在同一水位条件下，实测泄流能力大于计算泄流能力，泄洪闸的泄流能力满足设计要求；

(2)戽式消能的下游水位衔接较好，水面线较为平稳，能满足消能设计要求，不会给工程带来明显的不利；

(3)科学合理的调度对减少航道和闸坝下游淤积作用明显。具体调度方案应根据实际情况适时进行调整；

(4)通过控制闸门的开启方式和不同开度分别进行了下泄流量Q为2 000 m3/s、3 000 m3/s、5 000 m3/s、11 300 m3/s四级流量情况下，船闸进出口存在一定范围的回流，上、下游引航道最大泥沙淤积厚度约1.4 m和1.6 m，基本满足通航要求，必要时采用疏浚或辅以高压水枪等途径来处理。

5.1 泄洪闸下游消能防冲设计及单体模型试验

可行性研究阶段在泄洪闸消力戽下游设置长20 m、厚3 m的钢筋混凝土护坦，其后以1 ∶5逆坡与下游河床高程455.50 m相接，并采用1.5 m厚钢筋混凝土或钢筋笼卵砾石海漫防护，长度为55 m。施工图设计阶段，原设计护坦及海漫范围砂砾石层大部分被开采或挖除，下游水深加大，对消能有利。经消能防冲专题研究，补充了泄洪(冲砂)闸单体模型试验，并参照《水力学计算手册》(第二版)关于消力戽计算相关公式进行复核计算。复核计算表明，随下泄流量增加，流态基本呈临界戽流-稳定戽流-淹没戽流，产生稳定戽流及淹没戽流所对应的下游水位范围较宽，且较稳定；下游河床为基岩时，消力戽下游冲坑深度为0～6 m，距戽坎大于26 m，满足允许冲坑后坡ik=1/2.5～1/5冲刷影响范围要求。因此，坎后长度15.6 m范围河床采取末端带齿墙的钢筋混凝土短护坦保护，其下游除两岸岸坡外对河床不再进行专门防护。单体模型试验采用正态模型，比尺1 ∶50，试验成果表明：

(1)敞泄工况下流态稳定、水面波动小；局开工况下闸后河道底部存在漩涡区；各工况下最大临底流速为1.1～5.3 m/s，最大平均流速为1.6～6.2 m/s。

(2)在正常水位闸门局开1 m工况下，堰面斜坡直线段上切点处存在2.35 kPa的负压，其余测点均为正压，溢流面流速约8 m/s，出现空蚀破坏的可能性很小。

(3)在校核、设计及正常水位闸门开度小于5 m工况运行，下游冲坑均未到达基岩。

5.2 电站取水防沙及排水廊道水工模型试验

闸址处多年平均悬移质输沙量为2 783万t，多年平均含沙量4.48 kg/m3，入库推移质输沙量为18万t。拦沙坎设置在进水渠的上游，拦沙坎将大量推移质导入冲砂闸，排至下游。为减少过机泥沙，可行性研究阶段进水口底板首部设置冲沙廊道，断面尺寸为2.0 m×4.0 m(宽×高)，经弯段转入左边墙内，渐变为1.5 m×4.0 m的冲沙孔，设置检修闸门和工作闸门各一扇，将淤沙通过冲沙孔排入泄洪闸消力池内。

电站取水防沙试验表明：设置拦沙坎能有效地阻隔沿床岸运动的泥沙进入拦沙坎内。廊道排沙效果试验表明：口门附近局部区域的最大拉沙率不超过45%，仅依赖于廊道单独运行来拉沙，则其淤积的泥沙仅能部分地被拉走；在排沙廊道进口上方设立悬梁板的试验表明：拉沙范围虽有所增大，但相对于电站前池的总面积来说仍然很有限。

根据新店子水文站1966～2007年(其中1968年、1969年和1996年缺测)实测悬移质颗粒级配资料，坝址悬移质泥沙颗粒级配计算成果见表1。施工图阶段考虑到入库泥沙较细，闸前水位较高，结合模型试验成果以及水库运行方式，取消了冲沙廊道，必要时，采用机械清淤方式清除电站前池内的淤积泥沙。

表1 坝址多年平均悬沙级配成果

6 结 语

上石盘电航枢纽工程于2013年10月正式开工建设，2015年12月31日水库下闸开蓄水，2016年2月全部机组并网成功。目前监测数据表明各建筑物运行良好。

受河道水流条件和河势等影响，枢纽各建筑物的设计布置不可能尽善尽美，但通过水工模型试验论证达到改善枢纽工程各建筑物的运行条件，以取得较佳的布置方案和运行流态。泄洪闸采用覆盖层大开挖岩基建闸结合消力戽消能方案，适应闸址自然条件和枢纽的运用要求，节省投资；泄洪闸启闭机大梁采用型钢混凝土梁，减少自重，有利于排架抗震，又方便了施工。

参考文献：

[1] 上海勘测设计研究院.嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程可行性研究报告[R].2012.

[2] 上海勘测设计研究院.嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程消能防冲方案调整报告[R].2014.

[3] 武汉大学.嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程水工泥沙整体模型试验研究报告[R].2011.

[4] 中水珠江规划勘测设计有限公司.灯泡贯流式水电站[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[5] (NB/T35023-2014) 水闸设计规范[S].北京：中国电力出版社，2014.