库什塔依水电站工程枢纽布置及主要设计特点

汪 洋，乔 玲，焦 阳

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 枢纽总布置

1.1 坝型

通过比较粘土心墙坝、混凝土面板坝、碾压式沥青混凝土心墙坝和碾压混凝土重力坝等4种坝型，并结合坝址区地形地质条件的适应性、坝基防渗可靠性、坝体运行安全性、筑坝材料、施工条件、施工工期和经济性指标等多方面综合比较分析表明，碾压式沥青混凝土心墙坝具有技术可靠，施工简单，可提前发电产生经济效益等优点，经济效益显著。因此，故选用碾压式沥青混凝土心墙坝作为推荐坝型。

1.2 枢纽布置方案

由于本工程规模较大，又处于地震基本烈度Ⅶ度区，为确保枢纽安全，建筑物布置时应考虑以下因素：

（1）经电站规模论证，电站装机100 MW，装机4台，布置一条发电引水洞。

（2）由于库什塔依水电站下游的哈拉军引水式电站的引水渠布置在右岸直接与库什塔依电站尾水连接，故库什塔依电站发电厂房需布置在右岸泄洪建筑物出口的下游靠山边处。

（3）本工程最大坝高91.1 m，坝型为碾压式沥青混凝土心墙坝。参考类似工程经验，泄水建筑物布置成两层，即开敞式溢洪洞和导流兼泄洪洞。导流洞作为永久性的底孔使用。

（4）由于左岸卸荷裂隙发育，卸荷带较宽，并已产生倾倒变形，从坝顶以下30 m到山体顶部，左岸强卸荷带水平宽度5～37 m，弱卸荷带水平宽度15～30 m。若在左岸布置表孔泄洪建筑物，则表孔泄洪建全处于强卸荷岩体内；若在左岸布置导流兼泄洪洞，泄洪洞进口位于强卸荷带内 （或穿过强卸荷带），不能保证引水发电系统进水口的 “门前清”。因此，在左岸布置建筑物对工程安全不利。

经多种枢纽布置方案比较，确定枢纽布置方案为：泄洪及发电引水建筑物均布置在右岸，从里到外依次导流兼泄洪洞、溢洪洞及发电引水洞，厂房布置在坝下游较宽阔的Ⅱ级阶地上。库什塔依水电站工程总平面布置见图1。

图1 库什塔依水电站工程总平面布置

1.3 泄水建筑物进口高程及规模

（1）根据枢纽布置，导流洞作为永久性的底孔使用。导流兼泄洪洞进、出口孔口尺寸和进、出口底板高程首先应满足施工期导流要求；在运行期还需同时满足泄洪、排沙、水库放空及发电洞进口“门前清”的要求。

（2）在泄量分配上，应充分发挥表孔溢洪洞所具有的超泄能力，加大溢洪洞的设计泄量，在设计（或校核洪水）水位时，其泄量应占总下泄流量的1/2～2/3左右。

（3）导流兼泄洪洞规模按库水位1 270.0 m （发电洞进口底板高程）时，能下泄河道5月份多年平均来水流量，以满足发电洞检修要求。

（4）由于该工程位于地震基本烈度Ⅶ度区，泄水建筑物的泄流能力应满足水库紧急放空要求，能在较短时间内放空水库。

通过对表孔溢洪洞和导流兼深孔泄洪洞不同孔口高程、不同孔口尺寸、不同季节入库流量等多组合调节计算，确定泄水建筑物规模见表1。

1.4 泄水建筑物消能形式

泄洪系统均布置在右岸，右岸Ⅱ级阶地宽60～120 m，阶地河拔6～10 m。阶地上部为砂卵砾石，厚1～10 m，下伏为凝灰岩、安山岩。导流兼泄洪洞靠近岸边布置，溢洪洞布置在导流兼泄洪洞外侧，出隧洞后都布置有消力池和一段明渠，消力池加明渠长220～280 m，为深挖方渠道。各泄水建筑物出口明渠轴线与河道走向夹角为45°～60°，该处河道宽度约75 m，河床表层为河床冲积砂卵砾石层，厚2～3 m，下伏基岩为凝灰岩、安山岩，块状结构，强风化带厚2～5 m，弱风化带厚10～15 m。

表1 泄水建筑物特性

为满足导流要求，导流兼泄洪洞出口高程较低，出口明渠较长。经过各种消能方案的经济技术比较，采用底流消能方案，通过明渠将水流退入河道。表孔溢洪洞出口到Ⅱ级阶地高差达51 m且山坡坡度较陡，Ⅱ级阶地高程相对较低且距现代河床较远，出口明渠段较长并距发电厂房较近，不宜采用挑流消能。表孔溢洪洞消能形式选择 “台阶式消能+底流消能”方式，表孔溢洪洞出口陡槽段采用台阶式消能，陡槽段下游接消力池，通过明渠将水流退入河道。

2 工程设计特点

2.1 冬季施工

（1）根据本工程的具体特点及当地气象条件，坝型采用碾压式沥青混凝土心墙坝，总工期可提前6个月，提前8个半月发电，发电效益显著。

（2）通过对沥青混凝土心墙冬季施工可行性专题论证研究，碾压式沥青混凝土心墙可在-25.0℃气温下施工，沥青混凝土上、下层结合良好，结合面和非结合面的密度 （孔隙率）均匀，防渗性能满足规范要求。本工程2010年10月底大河截流，2011年11月大坝填筑到顶，碾压式沥青混凝土心墙坝的冬季施工经验，为西北寒冷地区碾压式沥青混凝土心墙坝的推广应用创造了条件。

2.2 坝型选择

左岸山体高陡，相对高差200～300 m，岸坡坡度50°～70°，卸荷裂隙发育并已产生倾倒变形。因此，采用受左岸山体影响较小的碾压式沥青混凝土心墙坝坝型。

2.3 泄水、引水建筑物布置

由于左岸卸荷裂隙发育，卸荷带较宽并已产生倾倒变形，为避免左岸山体倾倒变形体对泄洪及发电引水建筑物造成危害，建筑物均布置在右岸。

2.4 消能工

表孔溢洪洞出口到Ⅱ级阶地高差达51.0 m且山坡坡度较陡，Ⅱ级阶地高程相对较低且距现代河床较远，出口明渠较长并距发电厂房较近，表孔溢洪洞消能形式选择 “台阶式消能+底流消能”方式。

2.5 抗震措施

在枢纽布置及建筑物设计时，采取了以下抗震工程措施：

（1）由于左岸山体较陡，卸荷裂隙发育并已产生倾倒变形，故坝体设计时采用受左岸山体影响较小，抗震性能较好的碾压式沥青混凝土心墙坝。

（2）导流兼泄洪洞和发电洞进口进水塔身采用抗震性能好的箱筒式结构。塔体下部大体积部分镶嵌在弱风化岩石内，塔身左、右两侧和下游侧在一定高度范围内闸井与开挖边坡之间采用混凝土回填。

（3）泄水建筑物的布置和设计具备在紧急情况下 （震前或震后）紧急降低库水位的能力。

（4）在坝下游布置环形上坝道路，即在坝下游坝坡布置 “之”字形上坝道路；在坝下游右岸布置岸坡道路可到达泄洪洞进口闸井、发电洞进口进水塔和坝顶，并与坝坡 “之”字形道路形成环路，确保特殊情况时的交通畅通。

3 结语

（1）根据枢纽区的地形地质条件、地层岩性及天然建筑材料，选择了碾压式沥青混凝土心墙坝坝型。该坝型抗震性能较好，施工简单；对左岸高陡边坡扰动较小，并可避免左岸山体倾倒变形体对大坝造成危害；防渗性能较好。

（2）通过对碾压式沥青混凝土冬季施工可行性专题论证研究，碾压式沥青混凝土心墙可在-25.0℃气温下施工，沥青混凝土上、下层结合良好，结合面和非结合面的密度 （孔隙率）均匀，防渗性能满足规范要求。

（3）本工程碾压式沥青混凝土心墙坝冬季施工，使该工程提前8个半月发电，总工期提前6个月。提前发电产生的经济效益十分显著。碾压式沥青混凝土心墙坝的冬季施工经验，为西北寒冷地区碾压式沥青混凝土心墙坝的推广应用创造了条件。

（4）表孔溢洪洞采用 “台阶式消能+底流消能”组合消能方式，解决了表孔溢洪洞出口距现代河床较远，高差较大，出口明渠较长并距离发电厂房较近的难题。