1.亭子口水利枢纽工程设计_汪庆元

1工程概况

亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内，下距苍

溪县城约15km ，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，以防洪、灌溉及城乡供水、发电为主，兼顾航运，并具有拦沙减淤等综合效益。

1.1水文气象条件

坝址多年平均流量598m 3/s ，相应多年平均年径流量

189亿m 3，径流深309mm 。坝址各频率洪峰流量见表1。

坝址多年平均降水量为995.8mm ，多年平均气温16.6

℃，多年平均风速为1.9m/s ，多年平均最大风速为13.2m/s ，

多年平均地面温度19.2℃，多年平均水温15.5℃。

1.2地形地质条件

（1）地形地貌。嘉陵江由北北西向南南东流经坝址区，流

向170°，河段平直开阔，呈浅“U ”形河谷，谷底宽170～350m ，

458m 高程处谷宽778～856m 。河床左侧为主河槽，枯水位370～371m ，相应水面宽170～200m ，水深1.1～4.5m 。河床覆

盖层厚度一般为6～10m ，最厚处约13.5m ，基岩顶板高程

352.86～364m 。

左岸山体宽厚，临江峰顶高程657.8m ，岸坡中部高程

480～400m 为缓坡平台，平台宽150～360m ，长2500余m ，

台面高程自上游至下游逐渐降低，斜坡段地形坡度一般为

20°～25°。右岸山体临江峰顶高程550m ，岸坡中分布两级缓

坡平台，下级高程390～410m ，台地宽120～150m ，长大于

500m ；上级缓坡平台高程445～460m ，台地宽100～120m ，长

约500m ；斜坡段地形坡度一般为15°～20°。

（2）地层岩性。坝区出露地层为白垩系下统苍溪组（K 1C ）砂岩、粉砂岩、粘土岩，总厚度480m ，为软硬相间不等厚的层状岩层。主要的砂岩层位有K 1C 6-1

、K 1C 4-2

、K 1C 3-2

、K 1C 2-3

、K 1C 2-1

等5

文章编号：0559－9342（2009）10－0026－03

亭子口水利枢纽工程设计

汪庆元，雷长海，曾令华

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010）

关键词：设计；枢纽布置；主要建筑物；关键技术问题；亭子口水利枢纽摘

要：亭子口水利枢纽工程为一等大（1）型水利水电工程，永久主要建筑物为1级，电站厂房为2级，下游护岸工程等建筑物为3级。表孔及底孔泄水建筑物布置在河床中间，底孔兼作三期导流底孔，左岸布置坝后式厂房，右岸布置垂直升船机。工程为红层地区最高的重力坝，坝基存在缓倾角软弱夹层，大坝深层抗滑稳定等是该工程设计的关键技术问题。

Design of Tingzikou Water Control Project Wang Qingyuan,Lei Changhai,Zeng Linghua

(Changjiang Survey,Planning,Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430010)

Key Words :design;project layout;main buildings;key technical issues;Tingzikou Water Control Project

Abstract :Tingzikou Project is a Class I and First-large type water resources and hydropower project,the main perma -nent buildings belongs to Type 1,the powerhouse belongs to Type 2,and downstream bank protection works belongs to Type 3.Upper outlet and bottom outlet are deployed in the middle of the riverbed.Bottom outlet is also being as the dis -charge structure of third period diversion.The power plant is located on left bank of dam,the vertical ship lift is in the right bank of dam.The gravity dam is highest in red layer region.There is low-angle weak interlayer in dam foundation,and the dam stability against deep sliding is the key issues of the engineering design.

中图分类号：TV622（271）

文献标识码：A

收稿日期：2009-09-21

作者简介：汪庆元（1962—），男，湖北红安人，教授级高工，院副总工，主要从事水利水电工程设计；雷长海（1965—），男，湖北武穴人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计；曾令华（1964—），男，湖北仙桃人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计.

第35卷第10期2009年10月

水力发电

Water Power Vol．35．No．10

亭子口工程建设

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层，除K 1C 4-2

层为结构较疏松的长石石英砂岩外，其余4层均为较坚硬的岩屑砂岩，其中河床坝基下K 1C 2-1

层砂岩厚23～28

m 。坝区第四系分布较广，主要为河流冲积与崩滑堆积。河床

冲积砂砾石厚6～13.50m ；左岸古滑体厚度一般为20～40m ，

最大厚度约为63m 。厚层砂岩（K 1C 2-1

、K 1C 2-3

和K 1C 3-2

）中共分布软岩31层，其中K 1C 2-1

中有11层，分布面积较大的有NS2-1-2、

NS2-1-5、NS2-1-8、NS2-1-9；K 1C 2-3

中有14层，分布面积较大

的为NS2-3-2、NS2-3-3、NS2-3-4软岩；K 1C 3-2

中有6层。河床部位控制性软岩为NS2-1-5、NS2-1-8、NS2-1-9和K 1C 2-2

层。软岩中软弱夹层共有31条，其中Ⅰ类破碎夹层5条，Ⅱ类破碎夹泥层9条，Ⅲ类泥化夹层17条。河床部位主要软弱夹层有K 1C 2-1

中的JS2-1-2泥化夹层、K 1C 2-2

层顶底界的JS2-2-1、

JS2-2-2泥化夹层和K 1C 2-3

中的JS2-3-2、JS2-3-3泥化夹层。

2枢纽布置

亭子口水利枢纽工程等别为一等，工程规模为大（1）型。

主要建筑物为1级，电站厂房为2级，次要建筑物为3级。

混凝土坝设计洪水重现期为500年，校核洪水重现期为

5000年。消能建筑物设计洪水重现期为100年。电站厂房设

计洪水重现期为500年，校核洪水重现期为500年。

该枢纽是以防洪为主的工程，嘉陵江洪水峰量较大，大坝设计洪水峰值达34500m 3

/s ，同时坝址处河段较为顺直，

枢纽布置中泄水消能建筑物宜布置于主河床，这既有利于施工及运行期洪水的宣泄，减少对下游河势的影响，也可方便其他建筑物的布置。在泄水消能建筑物布置于主河床后，升船机及厂房建筑物宜分别布置于泄水建筑物两侧，经过从大坝深层抗滑稳定、施工导流、施工条件、施工工期、工程投资等多方面比较确定推荐方案。

该工程坝址为李家咀坝址，推荐坝型为混凝土重力坝，重力坝坝轴线总长995.4m ，坝顶高程465m ，最大坝高116

m 。推荐的枢纽布置方式为：河床中间布置8个表孔、5个底

孔及消能建筑物，底孔（兼作排砂孔）布置在表孔左侧，河床左侧布置坝后式电站厂房，河床右侧布置垂直升船机，两岸布置非溢流坝段，灌溉渠首独立布置在坝线上游。

3主要建筑物

该工程坝轴线全长995.4m ，共分50个坝段，从左到右

依次为：1～16号左岸非溢流坝段，轴线长292.1m ；17～20号厂房坝段，轴线长112.0m ；21号底孔门库坝段，轴线长20.8m ；22～26号底孔坝段，轴线长85m ；27～35号表孔坝段，轴线长158.5m ；

36号纵向围堰兼表孔门库坝段,轴线长25m ；37号升船机坝段，

轴线长42m ；38～50号右岸非溢流坝段，轴线长260m 。

3.1泄水建筑物

泄水建筑物均布置于河床中部，由8个表孔、5个底孔

组成，底孔邻近厂房坝段，布置于表孔左侧。表孔坝段宽

18.5m ，闸墩厚4.5m ；底孔坝段宽17.0m 。溢流前缘总长

243.5m ，采用底流消能形式。

3.1.1表孔

表孔共8个，孔口尺寸为14.0m ×22.8m （宽×高），每孔设弧形工作门，由液压启闭机启闭，弧门上游设检修钢闸门。

为减小消力池长度，加强消能效果，表孔出口采用宽尾墩方案。宽尾墩起始收缩点距坝轴线29.42m ，水平长22.58m ，收缩比为0.3，墩尾折角为12.24°。边表孔采用不对称宽尾墩（即导墙侧收缩6.10m ，另一侧收缩3.00m ），收缩比为0.35。

表孔池底高程355m ，池长135m ，池宽143.5m ，消力池尾坎为连续式，坎顶高程367m 。尾坎后防冲段长35m ，高程

360.3m 。消力池设置封闭抽排系统。

3.1.2底孔

底孔主要任务是泄洪、排沙，并兼作施工期导流底孔，共

5孔，孔口尺寸均为6m ×9m （宽×高）。底孔底板高程374.0m ，采用有压短管形式，有压短管出口下游两侧突扩0.5m ，

底部跌坎高1.6m 。明槽坡比1∶4.5，下段采用半径为75m 的圆弧调整到水平后至出口，出口突跌8.0m 至消力池底板，出口高程362.0m ，消力池护坦高程354.0m 。

底孔池底板高程354.0m ，长187.7m （底孔明槽出口～消力池尾坎），池宽75m ，消力池尾坎为连续式，坎顶高程367m 。尾坎后防冲段长35m ，高程360.3m 。消力池设置封闭抽排系统。

3.2电站厂房

电站厂房采用坝后式厂房，安装4台单机容量275MW

的混流式水轮发电机组，总装机容量1100MW 。

电站建筑物主要包括坝式进水口、坝后背管、电站厂房、上下游副厂房、安装场、尾水渠以及厂房左侧边坡和尾水渠护坡等。

厂房总长161.8m ，其中机组段长114.8m ，安装场段长

47.0m 。厂房标准机组段长28.0m ，边机组段长30.8m 。顺水流

向宽49.48m ，主厂房上部宽30.1m ，主厂房净宽27.1m 。

水轮机组装机高程定为366.60m ，相应确定厂房的各控制高程，厂房底板开挖高程为342.90m ，发电机层楼面高程为384.20m ，水轮机层楼面高程为378.20m 。

3.3通航建筑物

通航建筑物布置在枢纽右岸导流明渠内，采用单线一级

垂直升船机，承船厢有效水域尺寸为116m ×11.7m ×2.5m （总长×型宽×吃水），可一次通过1+2×500t 分节驳顶推船队或2艘500t 级机动驳。

通航建筑物主要包括升船机上闸首、船厢室、下闸首以及上下游引航道靠船、导航、隔流建筑物等。

上游引航道长404m ，引航道左侧布置两条50m 长的支墩式浮式导航堤，引航道右侧布置7个中心距为20.0m 的靠船墩。上闸首采用整体式“U ”形结构，结构总长80.0m ，总宽42.0m 。船厢室结构总高134.0m ，总长118.2m ，总宽

41.6m 。下闸首结构总长27.5m ，总宽48.8m 。下游引航道长785.0m ，临江侧在原纵向围堰基础上布置混合式隔流堤与下

游河道隔开。引航道左侧设120.0m 长的墩板式导航墙，右侧设45.0m 长的辅导航墙和7个中心间距为20.0m 的靠船墩。

3.4灌溉引水首部建筑物

该枢纽灌溉工程灌区用水包括农业灌溉及城乡供水。农

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汪庆元，等：亭子口水利枢纽工程设计

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业灌溉供水保证率为75%，灌区生活和城镇工业供水保证率为95%，农村人畜饮水和乡镇企业供水保证率为90%。

左岸灌溉渠首为1级建筑物，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为300年一遇;右岸灌溉渠首为3级建筑物，设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为100年一遇。

左岸总干渠渠首的设计引用流量为82.65m 3/s ，加大引用流量为95m 3/s ，要求在库水位438m 时引用设计流量，在汛期限制水位447m 时引用加大流量。左岸隧洞出口中心线点坐标为：X =352242.00,Y =584460.00。

右岸灌溉渠首的作用为向升钟水库补水，设计引用流量

9.2m 3/s ，加大引用流量11m 3/s ，在水库水位不低于447m 情

况下引水。

3.4.1左岸灌溉渠首

左岸岸塔式进水口设分层取水叠梁门、检修闸门、弧形工作门及操作室、消力池、无压洞。

进水塔顶高程同坝顶高程，为465m 。进口明渠为梯形断面，渠底宽9.4m ，底部高程431.50m ，长约110m 。进水孔进口为喇叭形，底板高程433.0m ，孔口尺寸6.2m ×5.5m （宽×高），进水塔闸空长21m 其内布置平板检修门和弧形工作门。闸室后布置底流消力池，消力池总长52.26m ，宽6.2

m ，池底高程429.03m 。消力池后为无压隧洞，断面形式为顶

拱中心角为120°的城门洞形，尺寸6.2m ×7.79m （宽×高）。隧洞长1839m ，底坡坡度0.06%，进口底板高程432.03m ，出口底板高程430.93m 。

3.4.2右岸灌溉渠首右岸渠首建筑物包括进口明渠、进口分层引水叠梁门、检修闸门、弧形工作门、消力池、无压引水隧洞等。

进口明渠形式为梯形，渠道底宽4.8m ，底部高程443.5

m ，进水口采用岸边塔式进水口。布置深式进水孔，进水孔进

口为喇叭形，底板高程445m ，孔口尺寸2.8m ×3.2m （宽×高），进水塔长17.6m ，其内布置平板检修门和弧形工作门。闸室后布置底流消力池，消力池总长25.52m ，水平段长17.3

m ，池底高程442.8m 。消力池后为无压隧洞，其断面形式为

顶拱中心角为120°的城门洞形，尺寸2.8m ×3.6m （宽×高）。隧洞长656m ，底坡坡度0.05%，进口底板高程444.0m ，出口底板高程443.67m 。

4

工程设计中的关键技术问题

4.1

大坝的深层抗滑稳定

坝基岩体由软岩与中硬岩互层组成，岩层内均存在缓

倾下游的软弱夹层，大坝建基岩体中分布的软弱夹层或软岩可构成对大坝抗滑稳定不利的底滑面。按现行SL319—

2005《混凝土重力坝设计规范》规定，需进行深层抗滑稳定

分析。

从国内外在红层基础岩体上建坝出现的事件来看，首要的问题是坝基中的软弱夹层问题。亭子口枢纽在坝基内普遍存在的软弱夹层抗剪强度低，构成了坝基稳定的主控因素。由于软弱夹层力学参数的不确定性，岩体结构条件及岩性等的差异导致坝基深层滑移模式的复杂性，给重力坝坝基稳定

性评价及工程处理措施的确定等带来了一系列的关键技术问题。该工程共有50个坝段，根据各坝段夹层分布高程及坝体下游是否存在抗力岩体，分别采取双斜滑面法、单滑面法进行计算。

深层抗滑稳定基础处理措施一般有坝踵设混凝土齿槽切断夹层面、坝前加防渗板降低扬压力、坝基设排水洞降低渗压、坝趾加固增加抗力体抗力等方法。经综合比较，采用在坝踵以下设混凝土齿槽的方案投资较省、施工方便、安全可靠，因此，推荐采用该方案。为保证混凝土齿槽发挥作用，将混凝土齿槽深入夹层以下2.5m 。

4.2

高水头底孔体形

底孔的主要任务是泄洪、排沙，并兼作施工期导流底孔。

亭子口水利枢纽设有5个底孔，采用底流消能形式。

底孔弧形工作闸门设计条件下运行水头为87.8m ，校核条件下的运行水头为89.54m 。底孔设计流量为9800m 3/s ，入消力池流速为45m/s 。流量大、孔数多及孔口尺寸大是亭子口工程底孔设计中的一大特点。另外，在高水头及高含沙的运行条件下，其空蚀和冲蚀问题是亭子口工程设计中的又一关键技术问题。

亭子口水利枢纽底孔作为永久主要泄洪建筑物，其闸门开启频繁，运行时间长，为解决闸墩下游立轴旋涡空化空蚀及消力池底板冲蚀问题，根据高水头运行条件下的弧形闸门止水要求，有压段出口采用突扩、突跌体形和充压伸缩式止水方式，消力池采用跌坎式方案。

4.3泥沙淤积问题

亭子口枢纽位于多沙河流，枢纽建成运行后，将不同程

度的改变水流泥沙运行规律，势必对上、下游河势产生长远影响。因此必须认真研究库区泥沙淤积发展趋势、坝前淤积形态和分析泥沙淤积对坝区河势及枢纽建筑物的影响，提出相应的工程措施，确保工程安全运行和综合效益的发挥，这是亭子口工程设计的又一关键技术问题。

4.4三期截流落差大

三期截流戗堤布置在明渠上游进口段，截流时水流仅能

从坝体底孔下泄。三期截流安排在第5年11月进行，预进占流量和截流流量均为11月10％频率月平均流量641m 3/s 。经计算，截流闭气总落差为7.78m ，龙口最大平均流速为

8.89m/s 。如此大的截流落差，在丘陵地区的大江大河上属

罕见。同时由于导流明渠底板平整光滑，不利于截流抛投材料稳定，截流相当困难。因此，研究单戗堤和双戗堤截流方案，分析研究截流龙口水力特性和截流抛石粒径等截流要素，提出安全、经济的截流措施，也是亭子口工程设计的关键技术问题。

5结语

亭子口水利枢纽是嘉陵江干流上的大型控制性工程，防

洪、灌溉及城乡供水、发电、航运和拦沙减淤等综合利用效益巨大。尤其在防洪、灌溉上具有不可替代的作用，是国家西部开发和四川省“十一五”期间开工的重点项目，可为拉动内需和四川地震灾区重建提供项目支撑。

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