巴拉诺夫 А.Е.－设计总工程师（“统一电力系统工程中心”－“水工设计院联合股份公司分公司）
水力枢纽总特征和枢纽参数。白河（阿吉捷勒）是卡马河支流，是巴什科勒托斯坦共和国大部分村镇，城市居民，工业企业的主要供水水源和净化的取水水源。在白河中游有最大的工业中心，其中包括石油化工业：库威勒塔屋，威列屋兹，萨拉瓦特，尹什姆巴依，斯捷勒里塔马克，该地经常发生供水不足，水质不能完全满足卫生标准。当发生春汛和夏天雨洪时，每年都会淹没土地，村镇，农田，给共和国财政带来很大损失。因此，修建尤马古兹水力枢纽的主要目的是（图1）：保证在白河下游河段平水期有稳定的取水工作条件，并保护中游河段的城镇，工业企业和农田免遭水灾，水力枢纽第二位的任务才是发电。
图1 尤马古兹水力枢纽下游一侧全景
尤马古兹水力枢纽轴线位于白河中游，上游距乌法市467公里，下游距别罗列兹市364公里。枢纽水库水域（图2）位于巴什科勒托斯坦共和国行政区东南部，在南乌拉尔山地原始林区。水力枢纽主要水工建筑物包括（图1，3），高65米的土石坝，底部隧洞泄水－放水建筑物，水电站及110千伏室外配电装置，河岸溢洪道等。水力枢纽属Ⅰ级，水库强迫水位270米，正常高水位260米，死水位225米，通过枢纽的最大计算下泄流量3760立方米/秒，水库为季节调节，最大库容8.09亿方，水库水面面积为35.5平方公里，水库长57公里。
图2 水库（下游一侧）
尤马古兹水力枢纽工程于1999年开始修建，2003年6月截流，并用底部泄水－放水隧洞进行施工导流。从2004年春汛起，在大坝和溢洪道没有完成的条件下，水库部分库容蓄水，水力枢纽开始进入临时运用状态。
枢纽水电站第一台机组（图4）2004年10月开始投入运转，2004年12月第二台机组投入运转，2005年4月开始投入运转（最后一台机组）。近2005年春汛时水力枢纽建筑物还没有完全准备好，但水库水位和泄量已接近设计参数。到2006年12月水库第一期蓄水到正常水位的253米，水力枢纽进入正常运用状态。到2007年第四季度水库蓄水到正常水位260米。
图3 水力枢纽总平面图
1－水电站厂房；2－变压器平台；3－110千伏室外配电装置；4－土石坝；5－河岸溢洪道，底部泄水－放水洞；6－进口首部；7－隧洞；8－出口。
水力枢纽处的白河，两岸和河床为复杂的喀斯特化的碳酸盐岩石（图5，6），石炭岩和白云石呈层状，并向下游倾斜。在河谷右岸发现有古老深河槽，深达90米，深槽内冲填有新生纪粘土，并夹有碳酸盐岩石的碎石、砂砾，砾石和砂卵石呈层状分布。岩石和新生纪表层为第四纪地层所覆盖，第四纪地层厚度为3－5米到15－20米。枢纽处河床覆盖层厚为10米。将第四纪覆盖层划分成9个工程地质单元（从粘土到砂砾石），而将枢纽处的岩体划分成较完整的，较弱的和有强风化表层的岩体。
枢纽工程处主要的复杂地质因素是，碳酸盐岩石大量喀斯特化和古深河槽。在这种情况下第四纪和新生纪都是属复杂透水地层，这个地层与位于下游的石炭岩，在水力上相互贯通，而石炭岩也是处在河床排水影响之下。工程所在地区属于6级地震区。
水工建筑物的组成描述。枢纽水工建筑物组成的特点是，通向水电站水轮机进水管道的隧洞输水线路与底部隧洞泄水－放水线路一致。由于存在有喀斯特现象。又修建了附属建筑物－输水道（图6）。
土石坝。水力枢纽压力前缘的大部分是土石坝，沿坝顶长540米，最大坝高65米（图3，5），填方量420万方。
土石坝防渗体为垂直中心防渗心墙，心墙为由粘土充填的碎石，心墙底部为水泥灌浆廊道，灌浆廊道与左岸灌浆平洞No.1相连。在这个灌浆平洞上面，坝顶高程273.0米处设置有灌浆平洞No.3。从右岸起在河岸溢洪道后面有水泥灌浆平洞No.2。灌浆廊道长480米，计入引入廊道，廊道总长747米，廊道的外形尺寸为5×6米，每段长9－20米。变形缝为两个防渗键，外表为粘合隔水层。在下游－侧廊道设置了两个出口。
图4 水电站厂房，底部泄水建筑物出口右侧。
土石坝两侧棱体砂砾石料和石炭石块体。心墙为级配的砂砾混合料反滤层（厚3-4米），混合料粒径0-40毫米。在反滤层和大坝上下游支撑棱体之间为过渡层，过渡层为碎石屑（粒级在0-120毫米）。
大坝横断面外形在很大程度上取决于地基的工程地质条件。大坝有“胖”型横断面，并具有加宽马道（35-60米）。在右岸大坝下游支撑棱体的地基中布设有排水沟系统，并与砂－砾石级配混合料构成的水平排水层相通。在大坝河床段横断面设有中间马道，马道上下的大坝边坡为1∶2.0和1∶2.25。应当指出，大坝河床段的上游支撑棱体在2004年春汛之前已经完成。而到2005年春汛之前，大坝整个断面的填筑还有10米不到坝顶。
图5 土石坝
a) 土石坝河床段横断面：1－块石；2－碎石；3－砂砾－粘土心墙；4－水泥灌浆廊道；5－防渗墙；6－单层水泥灌浆帷幕；7－施工期排水设施；8－碎石冲积层；9－基岩；10－虚线断面为大坝2004年春汛前完成的填筑断面。
b) 沿坝轴线纵断面：1－底部泄水－放水隧洞；2－水泥灌浆平洞；3－大坝；4－水泥灌浆廊道；5－钢板隔墙；6－溢洪道进口；7－完整性、裂隙度和喀斯特化程度不同的石炭岩和白云石；8－地壳构造断层区和强透水区；9－砂砾石冲积层；10－夹有大粒径砾石的粘土层；11－夹有亚粘土的砂－砾石层。
大坝心墙靠防渗帷幕与整个大坝坝基相连。心墙同大坝左岸连接段用钢筋混凝土水泥灌浆板。
锚筋嵌入岩石中，右岸（大坝右岸连接段靠近溢洪道进口处）靠28米长的金属板桩，隔墙。心墙与大坝两岸坡连接段属坝体断面加宽了，并从下游一侧设有反滤层。
大坝河床段坝基分布有冲积层，冲积层为碎石－砾石层，厚9-13米，并夹有漂石和石炭岩碎石，下垫层为白云石和裂隙石炭岩。右岸河段的大部分坝基是有不同性质的粘土，粘土深达90米。
防渗措施。防渗帷幕总长960米，最大深度160米，总面积10.6万平方米。防渗帷幕沿大坝轴线走向，防渗帷幕包括防渗墙，压力灌帷幕和水泥灌浆帷幕。
防渗墙位于左岸和河床冲积层部位，从大坝心墙底部到基岩。右岸防渗墙位于河床古深河槽段，防渗墙深32米。防渗墙总长480米，墙厚0.6（1.0）米。
压力灌浆帷幕位于河床古深河槽段，与防渗墙下部相接，并深入基岩中，长220米，深65米。
水泥灌浆帷幕位于大坝基岩中和大坝两岸连接段基岩中，全长960米，最大深160米。
大坝左岸连接段地基中的水泥灌浆同河岸溢洪道的金属板桩隔墙相接。
底部泄水－放水建筑物（图6）。建筑物用于控制从水库向下游放水，以及用三条输水洞向水电站水轮机组供水。输水洞位于河床左岸岩体中。底部泄水－放水建筑物包括输水渠，输水道，进水塔，隧洞，出口，消力池，柔性海漫，尾水渠。
输水渠为开敞式，长度大于70米，渠道开始段底宽40米，在输水管道的入口处，渠底宽为15.6米。渠底在岩石中挖方，挖方深5米，目的是为水泵抽水，渠道进口部分的岩石边坡，采用钢筋混凝土护面，靠近大坝一侧，采用挡土墙。
输水道为封闭式钢筋混凝土结构，长70米，内部横截面面积204平方米。在输水道前部设有门槽，用以放置拦截泥沙的栅板。
进口首部为塔式钢筋箱形结构，平面尺寸为26.0×18.6米，高63.5米，首部安装有两个检修闸门和事故－检修闸门以及拦污栅，清污抓斗和移动式启重机。事故－检修闸门靠水压传动，其他机械设备靠移动式启重机运作。
在输水道及其首部地基中发现有大量喀斯特溶洞，洞中填有粘土，由于采取了一系列防止喀斯特措施，使得延长了工期。进口首部的进口塔，相对于其最初位置有些向下游“位移”，这样在进水塔地基中打入钢筋混凝土桩，以及其他固结措施。
隧洞长294米，净面积80平方米，从进口起81米长为整体钢筋混凝土护面。接下来，到出口长213米的隧洞为金属护面。在隧洞的底座中设有检修放水口，并装有闸门，用1.6米直径的管道与取水和出口相连。
隧洞段通过的地质构造为石炭岩，白云石和硅化的碳酸盐岩石。
出口段为闸门室（图4，6）。闸门室的平面尺寸为47.5×15.5米，安装有两扇主弧形闸门和四扇检修闸门。弧形闸门靠水压启动，检修门靠桥式启重机启动。进口段，隧洞和出口段都用变形缝分开。
消力池，海漫和尾水渠长250米。消力池呈矩形槽状。在闸室段出口处，消力池宽15.5米，消力池终点处池宽50米，消力池长97米，池墙高15.5米。沿消力池长分成四段，每段之间设有沉陷缝。出口段和消力池地基为岩基。海漫和尾水渠的地基为碎石－砾石。
图6 底部泄水－放水建筑物，纵断面图
1－输水道；2－进口段；3－隧洞；4－土石坝土石料；5－出口段；6－消力池；7－海漫；8－交通桥；9－溶洞；10－桩基。
水电站。水电站包括三条水轮机输水隧洞，发电机组和厂房，装配平台，操作楼，尾水渠和挡水墙，电缆廊道，变压器平台，室外配电装置及管理室等。
水电站厂房平面尺寸为35.5×21.5米，位于土石坝边坡下游面河流左岸（图4）。水电站厂房由三部分组成：机组部分，安装有三台水轮机发电机组；安装平台和管理楼三部分。在这三部分之间用变形缝分开。厂房地基有裂隙，但岩石相对完整，岩石为石炭岩，并夹有层状砼。
在水电站厂房内安装有三台竖轴式水轮机组，水轮机为反转－浆叶水轮机，并带有三相同步发电机，每台机组的装机容量为15兆瓦，水电站的总装机容量为45兆瓦。
为了给机组输水，采用水轮机隧洞管道，管道内径3.2米，长由32米到45米，采用钢筋混凝土衬砌和金属衬砌。蜗室为金属的。每台机组蜗室入口前都安装有事故－检修圆盘闸门。吸出管的锥形体部分为金属护面。厂房内安装有桥式启重机，跨度13.5米。在吸出管的下游一侧装有平板检修闸门。
两台变压器安装在水电站尾水渠左岸平台上。水电站运行在“巴什基电力”联合股份公司的电力系统中，按110千伏输电线送电。
河岸溢洪道（图3）。用于下泄洪水，位于水力枢纽左岸。溢洪道呈陡坡形，组成包括：引水渠，陡坡首部，陡槽，消力池，护坦和尾水渠。
引水渠长246米，起点渠底宽80米，终点渠底宽45米。溢洪道首部底坎高程为253米，溢洪道不仅用于施工期泄洪，也是永久性泄水建筑物。溢洪道首部设有四跨，每跨装有弧形主闸门和平板检修闸门，每跨净尺寸为9×6米。闸门调度靠启重80吨的移动式启重机。溢洪道首部段地基为石炭岩和风化的白云石。
还在施工时，2004年的春汛流量，就是通过没有完工的溢洪道首部下泄的，当时溢洪道首部还是个宽45米的钢筋混凝土槽，底部高程239.8米。到2005年春汛时，溢洪道首部结构还没有完工，但进口底坎高程已经到253.0米。
陡槽段长39.4米，沿槽底有人工糙率，形如“横梁”，陡槽呈矩形，宽45米，侧墙高7米到18米。沿槽长分段，每段长24米，每段间栌斜湫畏臁６覆塾孟Τ睾秃Ｂ菜嗔Ｒ绾榈牢菜纬ぴ?6.5米。
尤马古兹水力枢纽在复杂的工程地质条件下，在工程科研，勘测和设计过程中，创造性的解决了设计中的一些工程问题，包括泄水建筑物，土石坝，防渗措施，环境保护问题以及工程建筑外貌。完成了大量工程地质勘测工作和设计分析论证，其中包括完成施工过程中的工程科学研究工作。
莫斯科水工设计院联合股份公司（从2003年起为“统一电力系统工程中心”－“水工设计院”联合股份公司分公司）完成了尤马古兹水力枢纽的设计工作，编制了枢纽主要建筑物说明书，工作文件，并对枢纽施工工程质量进行了设计监督。“莫斯科水工金属设计院”完成了枢纽泄水建筑物机械设备设计文件的编写。枢纽的防渗措施和护面加固措施是由“水工专门设计院”和“地质工程设计院”（莫斯科）完成的设计。参加枢纽设计工作的还有“伏尔加电力设计院（萨马拉市）联合股份公司等。完成枢纽水动力机械设备的工厂有：水轮机和圆盘闸门的设计是圣彼得堡水工水轮机机械厂，发电机组的设计是乌拉尔电力重型机械厂（叶卡捷琳堡市）。
图7 水电站厂房，沿No.1机组轴线纵断面图
1－机房；2－隧洞水轮机输水道；3－圆盘闸门；4－通往110千伏室外配电装置道路；5－检修闸门；6－底部泄水－放水隧洞。
可以指出，尤马古兹水力枢纽的主要建筑物，有下面设计特点。这些特点对水工建筑物的设计有实际意义：
1.在土石坝的施工初期，根据实验分析，和设计计算等多方面的研究，认为可以用溢洪道，底部泄水洞和大坝右岸连接段开挖出来的土石料填筑坝体，用以代替到采料场开采填筑坝体料，这就节省了投资，并缩短了工期。这项设计措施的具体做法是（图5a），大坝上下游面支撑棱体的砂砾石－碎石料，局部地用石炭石块代替，把碎石－粘土料加工处理后，代替大坝心墙亚粘土料。
2.2004年春汛时，发生了无事故泄流问题，通过未建成的泄水建筑物下泄春汛计算流量，未建成的泄水建筑物是底部泄水道（由于发现有喀斯特溶洞现象，泄水道进口首部没有完成）和溢洪道，溢洪道只部分地完成了陡槽和下游消能设施，而当时的坝体大约只完成了设计工程量的60%。要保证能下泄计算流量，并要把大坝填筑到无危险的高程，当然，通过坝顶溢流是个例外。为此，制定了非标准的技术措施：在图5a大坝断面图中，图中虚线是2004年春汛时大坝渡汛断面，完成大坝河床段和左岸坝段填筑到虚线位置（到高程248.5米），要靠抬高砂砾石料的上游棱体顶部，使心墙高程在240.3米，并铺设临时排水系统。上面提到的办法是经过综合分析和计算，其中包括利用空间枢纽水力模型和数学渗流模型。除此，还要求完成溢洪道临时溢流首部，降低进口底坎，并加深进水渠底。
3.水力枢纽主要建筑物在设计和施工时的严重问题，是底部泄水－放水建筑物，解决大量存在喀斯特溶洞现象的有效工程保护措施。解决这个复杂问题的办法是（听取了工程地质和喀斯特溶洞专家的意见，完成了计算机模型计算），将底部泄水建筑物首部进水塔平移，最后的解决方案是，将进水塔向下游移动85米。这样，隧洞本身长度也减少了，但必须要设计和修建一个附加钢筋混凝土建筑物－输水道，长70米，截面积15×13.5米。
为了保证进水塔的稳定，在基坑边缘完成支撑到高程240.0米，在进水塔喀斯特地基上打20根钢筋混凝土桩，钢筋混凝土桩截面500-590毫米，桩长10到20米，并用水泥灌浆和锚筋加固。
除在底部泄水－放水建筑物地基中有大量喀斯特溶洞外，在其他水工建筑物基坑中也发现有喀斯特现象，但程度轻多了。
4.在枢纽工程中有一定复杂性的地方是，采用现代技术的“防渗墙”。在土石坝的坝基中，溢洪道基坑土石围堰中，在挡土墙基础下等处都采用了“防渗墙”。采用“防渗墙”方法的有效性，合理性和可靠性，在设计，施工和临时运用过程中都得到了证实。
5.在河床截流和水流导入隧洞之前，安装在底部泄水－放水建筑物进口首部的机械设备（检修闸门和事故－检修闸门），在没有运用启重机械（移动式启重机和水动力设备）的条件下，进行了试验运用，这也是枢纽设计的一个特点。这一项设计特点还应用在临时性金属高架桥和有滑车组的绳索电绞车上，电绞车安装在首部进水塔和岩石边坡顶部。在临时运用过程中，将事故－检修闸门的这种运用方法是有成效的，并将这种方法一直继续到进口首部建成和机械设备安装完毕。
6.底部泄水－放水压力隧洞，为了加快施工进度，隧洞衬砌（断面尺寸6.8×11.2米）采用了现代化的掘进模板和砼浇注机械，隧洞加筋金属护面在工厂的条件下制造好，并在现场用工厂的模式装配好。
7.尤马古兹水力枢纽所有房屋建筑（图4）：水电站厂房，底部泄水洞出口操作室，110千伏室外配电装置管理所，枢纽运用管理行政－生活办公楼等都采用了外部修饰，采用陶瓷花岗石板，屋顶采用了金属瓦。
8.尤马古兹水力枢纽的设计中，还创造性的在底部泄水－放水建筑物引水道闸槽中，安装了14米跨度的钢筋混凝土叠梁，目的是以此形成人工底坎，在水库中堆聚成淤积泥沙隔栏。
9.水电站厂房结构设计和施工中，采用了水电机组蜗室非传统的左向“旋转”，这是因为受水电站和隧洞复杂的综合布置条件所制约，以及受底部泄水－放水建筑物的引水线路走向所限制。
10.为了加快工程进度，缩短工期，对墙体，悬壁梁和梁柱，都采用了装配式钢筋混凝土构件，包括装配式模板加筋板件。
11.为了贯彻执行俄罗斯联邦政府“关于水工建筑物安全”的规定，水力枢纽工程曾制定了工程技术措施，允许泄水建筑物上的闸门设备发生事故时，可以远距离操纵闸门，关闭进水口，其中还包括采用爆破方法。
12.在底部泄水－放水建筑物进口段的水力模型试验中，确定在岸坡水下连接段与非对称行进水流之间的空气导入状态。空气导入会使木材，冰块等漂浮物带入泄水道，这会使泄水建筑物和水电站机组发生事故。这项试验成果，在设计中具体应用在：进水塔迎水面的防护竖井面，底部泄水－放水建筑物首部进口段外形轮廓（图6），建立浮筒桥等。
王升 译自俄文《水工建设》2007年第6期
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