嘉陵江金溪航电枢纽工程的技术特点

王 波， 彭薇薇

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 工程概况

金溪航电枢纽工程位于嘉陵江中游蓬安县金溪镇，是嘉陵江苍溪至合川段水电规划中的第六级航电工程，枢纽上接新政工程，下与马回电站相接，距蓬安县城31 km，对外交通十分方便。

金溪航电枢纽工程是一座以开发水电资源、发展航运为主，兼顾旅游及养殖的综合利用工程。水库正常蓄水位高程310 m，总库容4.602亿m3。船闸有效尺度为120 m×16 m×3 m(闸室长度×闸室宽度×吃水深度)，设计通航船队为2×500 t。电站为河床式，总装机容量为150 MW，共安装4台单机容量为37.5 MW的贯流式灯泡机组。枯水年枯期平均出力为42.9 MW，多年平均发电量为7.1 022亿kW·h，年平均利用小时4 735 h。

该工程为Ⅱ等工程。鉴于该枢纽为低闸坝挡水，水库库容为槽蓄库容，因此，该枢纽建筑物级别按降低一级设计，即主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。

金溪航电枢纽工程枢纽建筑物从左到右由左岸接头坝段、船闸、左岸挡水坝段、二十孔泄洪冲沙闸坝段、厂闸连接坝段、厂房坝段及右岸接头坝段组成，坝顶高程321.5 m，坝顶总长度为652.99 m。建筑物地基置于弱风化泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩及砂岩岩体上，岩体完整性较好。

图1为已建成的金溪航电枢纽工程。

图1 已建成的金溪航电枢纽工程

2 工程主要技术特点

(1)电航一体，渠化开发。

嘉陵江由北向南贯穿全川，是一条战备河流，也是长江水系的主要通道之一，是连接川、陕、甘、渝三省一市的主要交通运输线，是西南地区综合运输体系的重要组成部分，地位十分重要，也是我国第一条全江渠化的河流。渠化后，通航能力从两、三百吨提高到上千吨。千吨级船队将可以从广元直达上海，形成一条连接内陆的出海通道。在四川水运的版图上，嘉陵江将成为继长江后的又一条“水上高速路”。

嘉陵江河段两岸城镇、农田和交通工矿企业沿江分布，人口稠密，为了减少淹没、渠化河道、发展航运及适应坝基砂泥质岩层性软弱的特点，采用了中低水头的梯级开发方式。各梯级电站集航运、发电、灌溉及旅游为一体，电航互相受益，既渠化了河道，满足了通航要求，又解决了用电问题，缓解了用电紧张局面，水电与水运通力协作，互相促进，共同发展，具有巨大的社会影响与经济效益。

金溪航电枢纽工程作为嘉陵江全江渠化的第7个梯级，是一座航运、发电、灌溉及旅游综合利用的工程，对实现嘉陵江航道的全面渠化、改善通航条件、水运发展起到了重要作用。

(2)枢纽建筑物布置优化调整。

2003年7月，中国水电顾问集团成都勘测设计研究院(以下简称“成都院”)参与了金溪航电枢纽工程的设计投标工作。针对初步设计成果，深入研究，作出了以下几方面的优化调整:

①泄洪建筑物布置的调整。

初设方案中，枢纽建筑物由左岸接头坝、船闸、溢流坝、泄洪冲沙闸、冲沙廊道、厂房及右岸挡水坝等组成，其中，溢流坝为开敞式，布置3孔，每孔宽10 m。经过对“19孔泄洪闸+30 m溢流坝”、“19孔泄洪闸”、“20孔泄洪闸”、“21孔泄洪闸”四种布置方案进行泄流计算，发现“20孔泄洪闸”方案和“19孔泄洪闸+30 m溢流坝”方案所形成的上游逼高水位(设计、校核)相当接近，前者略低。综合考虑枢纽布置、泄流能力、溢流前缘宽度、水库淹没以及工程工期要求等因素，拟定采用“20孔泄洪闸”方案，即用1孔泄洪闸代替30 m溢流坝，溢流前缘宽度由334.4 m缩短为315.7 m，厂房坝段向主河床(左岸)偏移11.7 m，从而使厂房的进水、尾水更顺畅，还可较大幅度地减少厂房坝段的开挖工程量。

②厂区建筑物布置的调整。

a.初设方案中，副厂房与升压站等布置在右岸阶地上。投标阶段，将副厂房与升压站布置在厂房坝段内，其中一次副厂房设在主机间下游侧，二次副厂房设在安装间上游侧，升压站设在安装间下游侧，从而使厂房布置紧凑，便于管理;减少了母线长度与电力损耗，可提高经济效益。

b.初设方案中，在发电机层下设置电气夹层，电气夹层下为流道顶板。在投标设计阶段，机电与水工紧密配合，经过充分论证，对该布置进行了优化，即取消该夹层，在流道顶部大体积混凝土中增设电缆廊道，由此取消了其电气夹层板梁柱系统，通过调整，可缩短施工工期3个月左右。

③施工导流方案调整。

总体上维持初设阶段枯期施工、分两期导流的方案，但作了以下几个方面的调整:

a.为不过分束窄一汛期间的主河床，同时又要兼顾施工的均衡，将一期围堰中的泄洪闸由7孔调整为6孔。

b.考虑到厂房基坑围堰与永久建筑物的结合，并为保证厂房小基坑的完整性，将厂闸连接坝段(兼作厂房小基坑的纵向围堰)由10 m调整为17 m，厂房小基坑的上游围堰由初设方案中的土石围堰调整为与拦沙坎相结合的混凝土及浆砌条石围堰。

c.为保证厂房小基坑纵向围堰(厂闸连接坝段)高强度连续施工，将冲沙廊道移至厂房左侧边墙墙体内。

(3)实施厂房小基坑围堰施工，提前发电效益显著。

金溪航电枢纽工程是嘉陵江上第一个采用厂房小基坑围堰施工的工程，可使首台机发电工期缩短12个月。

金溪工程之前投建的桐子壕、金银台、新政等电站均采用明渠导流，厂房基坑次枯施工且在当年汛期过水的方式。在金溪工程的设计中打破常规，施工中采用了厂房小基坑围堰施工、河道过流的一期导流方案。

该方案一期先围右岸厂房岸侧，利用一枯(第一年11月～第二年4月)完成7.5孔泄洪冲沙闸及305 m高程以下的全部土建工程和门槽等埋件安装，厂房底板混凝土、厂闸连接坝段及其下游纵向混凝土围堰混凝土浇筑、厂房拦沙坎及其加高部分混凝土浇筑。至一枯末，可形成由加高的拦沙坎、厂闸连接坝段及其下游纵向混凝土围堰、下游土石围堰构成的厂房小基坑围堰，该围堰可挡5年一遇汛期洪水。一汛期间(第二年5～10月)，在该围堰保护下厂房可继续施工土建工程，左岸河床行汛期洪水。二枯(第二年11月～第三年4月)，由一枯形成的7孔泄洪冲沙闸过枯期流量，施工剩余的左岸13孔泄洪冲沙闸及船闸等工程，而此时厂房不受影响，仍继续施工。至二汛(第三年5～10月)，厂房自身已经具备拦挡20年一遇洪水标准的能力，期间进行剩余的土建工程及机电安装，7孔泄洪冲沙闸联合左岸基坑破堰过水。进入三枯(第三年10月)，恢复左岸基坑围堰，同时7孔泄洪冲沙闸下闸蓄水，厂房首台机组发电，其余机组继续安装。至此，首台机组仅用两年时间即可发电(由于河道安全事故，直接影响了金溪工程建设，首台机组的实际发电时间推迟了半年)。

按照明渠导流方案，一枯(第一年11月～第二年4月)仅施工左岸导流明渠，一汛期间(第二年5～10月)主体工程停工;二枯(第二年11月～第三年4月)开始右岸厂房及闸坝施工;二汛(第三年5～10月)基坑过水，主体工程再次停工;三枯(第三年11月～第四年4月)左岸闸坝完成，厂房具备挡20年一遇洪水标准的能力并可以在三汛(第四年5～10月)进行机电安装;进入四枯(第四年11月)，利用左岸施工围堰挡水，首台机组发电。

综上所述，从理论上讲，厂房小基坑围堰方案较明渠导流方案首机发电时间可提前一年。即便金溪工程受事故影响，首机实际发电时间推迟半年，也比原明渠导流方案提前了半年时间，经济效益和社会效益明显。有此成功的范例，嘉陵江开发的后续工程诸如沙溪等均采用了该导流模式。

(4)特细沙混凝土特性试验及设计龄期专题研究。

嘉陵江流域天然沙多为特细沙，在多个工程中均成功采用了低砂率、低用水量、低陷度、高粉煤灰掺量和掺高效减水剂的水工特细沙混凝土的配制方法，取得了很好的经济效益。

按照目前《水闸设计规范》SL265－2001、《混凝土重力坝设计规范》DL5108－1999、《水工混凝土结构设计规范》DL/T 5057－2009等设计规范，均要求混凝土按C系列强度进行设计。在混凝土结构设计中，不宜利用混凝土的后期强度，但经充分论证后，也可根据建筑物的型式、地区的气候条件以及开始承受荷载的时间，采用60 d或90 d龄期的抗压强度。同时，在特细沙混凝土中掺用大量的粉煤灰(掺量为40%左右)，可以改善混凝土的和易性、降低水化热，还能减少水泥用量，节约水泥。但粉煤灰的活性主要是靠二次水化作用，且粉煤灰混凝土具有早期强度较低、后期强度增长率较高的特点，在后期其强度可以赶上或超过未掺粉煤灰的混凝土强度。而目前水工特细沙混凝土的设计龄期均采用28 d，故没有用到高掺粉煤灰的特细沙混凝土的长处。因此，在使用水工特细砂混凝土时，如将其设计龄期选为90 d，就可以充分利用高掺粉煤灰的特细沙混凝土后期强度较高的优点，同时，对施工期相对较长的水利水电工程也十分有利。

针对该问题，进行了嘉陵江流域特细沙混凝土特性试验及设计龄期专题研究。按规范要求开展了水工特细沙混凝土强度性能、变形性能、热学性能、体积稳定性及耐久性试验研究，同时进行了90 d龄期混凝土设计强度及早期强度结构分析，并开展了温控计算，结合枢纽建筑物的施工特点、工程的受力特点及结构的复杂性并考虑施工质量等因素的影响，综合分析了各建筑物采用90 d龄期混凝土强度设计的部位为:

①挡水坝、储门槽坝段、拦沙坎可考虑90 d龄期混凝土强度设计。

②泄洪冲沙闸底板及其下游护坦(除抗磨混凝土外)可考虑90 d龄期混凝土强度设计。

③厂房安装间底板及其布置有储门槽的上游防洪墙可考虑90 d龄期混凝土强度设计。

上述部位混凝土标号改为90 d龄期后，每m3混凝土平均可减少32 kg水泥用量，不仅经济效益明显，而且温度裂缝控制也相对容易，可谓一举两得。

(5)充分考虑闸门开启组合，取消部分消力墩。

在金溪航电枢纽工程原设计方案中，借鉴类似工程的经验，每孔泄洪闸对应的护坦均设有两座消力墩作为辅助消能工。在技施设计阶段，根据金溪工程的实际特点对其作了优化。

有关消能工的研究成果表明，消力墩作为辅助消能工，在上下游水头差较大、小流量泄洪的工况下才具有显著的消能效果;而当下游水深达到消力墩高度的3倍左右时，消力墩的消能效果将很微弱。因金溪航电枢纽工程设有20孔泄洪闸，完全可以通过合理调控闸门的运行方式在大泄量期间使后开启的闸孔在下游高水位运行，从而可以取消这些闸孔所对应的消力墩。据重庆西南水运工程科学研究所进行的泄洪闸断面模型试验研究成果，取消了第二～四厢消力池内的消力墩。

科学安排闸门开启及运行方式，取消部分泄洪闸下游消力池内的消力墩，不仅节省了部分工程量，同时也对施工安排及工期保证有一定的积极作用。

3 结语

成都院在金溪航电枢纽工程的勘测设计过程中进行了大量的试验、研究及论证工作，精心设计，合理优化，在确保工程安全及质量的前提下，对枢纽建筑物的布置型式、结构体型及导流方式等进行了合理优化，节约了投资、加快了施工进度，为类似工程积累了经验。

该工程于2003年10月开工，由中国水利水电第五工程局承建，四川二滩建设工程咨询有限公司监理，2006年4月首台机组发电，2008年8月全面建成投产。

目前工程已运行4年多时间，挡、泄水建筑物经历了每年的洪峰考验，河床式厂房内部环境干净整洁，基本无浸润渗漏痕迹，机电设备运行状况良好。2010年获四川省优秀工程设计三等奖。