摘要：本文介绍了洞坪工程概况，枢纽布置、主要建筑物结构组成，重点阐述了大坝挡水建筑物、泄洪消能建筑物布置及主要设计成果，同时介绍了发电系统建筑物布置。
关键词：洞坪工程 枢纽布置
1 工程概况
洞坪水电枢纽工程位于湖北省宣恩县忠建河下游河段，系其最后一个梯级，距上游宣恩县城42km。是一座以发电为主，兼有库区航运、交通、防洪、水产养殖和旅游等综合效益的Ⅱ等大（2）型水利水电枢纽工程。坝址区多年平均最大风速13m/s，月平均水温15.6℃，月平均气温15.8℃。坝址控制流域面积1420.5km2，最大设计坝高135.0m，坝顶高程495.0m，水库正常蓄水位490.0m，设计洪水位492.2m，校核（最高）洪水位493.96m，水库总库容3.43亿m3，电站总装机容量110MW，多年平均发电量3.22亿kW•h。主要建筑物的设计级别，大坝、坝身泄洪建筑物和发电引水隧洞进口建筑物为2级，发电引水隧洞、电站厂房及其变电站和水垫塘为3级。相应的设计洪水标准，水库工程建筑物按500年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核；水电站厂房及其变电站按100年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核；大坝下游水垫搪按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。主要建筑物的抗震设计烈度为6度。
2 工程地形地质
忠建河在洞坪坝址附近呈一S型河曲，坝址区河流流向约305°，下游300余米河流右转80°流向，两岸山体雄厚，枯水河床高程377m，河宽仅30～40m，两岸分水岭约千米，相对高差达600m，岸坡陡峻，尤其右岸430m、左岸400m高程以下，岸壁近乎直立，上部坡角也陡达50°，500m高程最窄处的谷宽仅160余米，为一狭窄的U型河谷。坝址河底高程约373.5m，河床覆盖层厚约9m，岩面为微风化岩。
坝址区地质构造较为简单，出露三迭系大冶组薄层、极薄层和中薄层灰岩夹少量泥质灰岩及页岩，产状约120°∠60°，即倾向上游略偏向右岸，系横向河谷，断层罕见且规模较小，对工程影响甚微。坝址区岩层倒转，夹层及岩层面（S）甚多，夹层主要为极薄层泥质灰岩，多厚1mm许，且多因层间剪切错动而发育网状隐裂隙，有的呈破碎状，遇水易崩解。除层理密布外，坝址区还发育三组裂隙：（1）横张卸荷裂隙（L1），基本顺河发育且分布较为普遍，延伸较长，走向约315°，产状几乎直立，多充填铁、锰质薄膜或方解石脉；（2）缓倾角雁列式张裂隙（L2），产状350°∠20°，该组裂隙延伸短，且完好充填方解石脉；（3）反（岩层）倾向裂隙（L3），面平直多闭合，分布不多但延伸较长，产状315°∠37°。另外，坝址处还有一组存在机率很低的NNW向裂隙（L4），充填方解石脉，产状75°∠40°，倾向右岸偏上游。坝基岩体主要为大冶组第三段第一层（T1d3-1）至第三层（T1d3-3）薄层、极薄层和中厚层灰岩夹少量泥质灰岩及页岩，岩溶不发育，风化不深，程度微弱，岩体较完整，强度中等。地下厂房座落在大治组第七层（T1d3-7）和第八层（T1d3-8），岩性为中厚层灰岩、薄层灰层夹极薄层灰岩，上覆岩层厚度约200m。主要构造为顺层裂隙，雁列式张裂隙，断裂构造少见，局部有泥质灰岩夹层，厚度约0.5～1cm，岩体新鲜，透水性微弱，岩层为薄层、中厚层灰岩，强度中等。
3 工程枢纽布置
经过可研和初设及相应的设计审查，确定洞坪工程基本坝型为混凝土拱坝。经方案比选后推荐对数螺旋线型双曲拱坝体形，厂房选用深埋式全封闭地下厂房。枢纽主要由混凝土双曲拱坝及其坝身泄洪建筑物、坝后防护消能水垫塘、左岸发电引水进水口、压力隧洞、全地下式电站厂房及其变电站和露天高压出线站等组成。枢纽布置见图1。

3.1 挡水建筑物
3.1.1大坝坝轴线及对称轴线选择
由于洞坪特殊地形，左岸处于加大湾小冲沟对岸下游50余米即为小山脊之凸点，其后山体随河流80°的大折弯逐渐展开，在可研和初设阶段做了较多方案比较研究。为利拱座稳定布置了骑沟的上坝线和下移15m的下坝线进行了分析比较，上线左右半谷都更宽些。经过仔细分析，慎重比较选定下坝线为洞坪工程拱坝的坝轴线。技施阶段优化工作中沿用下坝线，该线500m高程处的谷宽约190m。
由于坝址处河宽仅30余米，且左“缓”右陡不对称，坝址处河流流向约305°，根据坝址的地形、地质及坝肩稳定条件，为了有利于拱坝及其坝身泄洪建筑物的布置，有利于泄洪出射水流方向，有利于坝肩开挖施工，有利于在适当改善右拱座稳定条件的同时兼顾左拱座的稳定问题，考虑不对称性可能产生的不利影响等多方面因素，经反复比试研究和大坝体形优化后确定拱坝对称中轴线方向角为308°，较初设阶段增大1°，并将可研阶段所拟中心轴线向左岸平移1.2m。
3.1.2 混凝土双曲拱坝布置
洞坪大坝经方案优选后采用对数螺旋线型混凝土双曲拱坝，大坝各层拱圈的水平拱轴线均由左、右两段对数螺旋线组成。大坝最低建基面高程为360.0m，坝顶高程495.0m，最大设计坝高135m。顶拱轴弧长245.432m，相应的（X向）弦长212.709m，河谷宽高比为1.576，大坝顶厚5m，底厚23.5m，厚高比0.174，系同层（拱圈）变厚的混凝土双曲高拱坝。大坝中心轴面积19155m2，坝身基本体形净体积27.42万m3，单位坝高柔度系数9.91，应力水平系数1338。双曲拱坝布置下游立视见图2。
1) 坝体砼分缝与分块
双曲拱坝坝轴线（顶拱上游弧）长249.613m，考虑到坝身结构、泄洪中表孔布置、坝块分块大小、利于结构受力和廊道布置等要求，坝身从左至右布置12道横缝，将拱坝划分为13个坝块。因为薄拱坝，大坝不设纵缝。横缝均为全径向扭曲面缝，拱冠处不分缝，其附近两缝基本对称，为克服岸坡坝块靠河一侧与陡岸间所夹成的尖角现象，山坡缝的缝角采用圆弧或缓坡与基面相接。横缝缝面设球形键槽，砼浇筑后所有横缝均进行分层灌浆处理，从下到上共划分为13个灌浆层，分层高一般约为10.0m左右，共划分为87个灌区。
2） 坝内交通与廊道布置
大坝水平交通主要利用坝内廊道、坝顶和坝身下游面贯通或局部设置的六层坝后桥，垂直交通主要是通过6#坝块下游面设置的电梯井（兼楼梯井）直通坝顶和坝后405左岸厂―坝联系公路。通过以上交通设施可以到坝体任意部位，左、右岸坝顶公路、进厂公路及厂―坝联系公路连接外界。
坝内布设有376m、406m和458m及其间斜坡灌浆、排水廊道，并在两岸406m、458m和495m高程各设一层灌浆—排水平洞，以利坝体帷幕灌浆及排水用，同时坝身406和468m高程布设有交通、观测廊道。
3） 监测设施布置
大坝（括拱座）的水平位移和垂直位移主要采用5条倒垂线和8条正垂线组合成的5条垂线进行观测，垂线布置在1＃、4＃、8＃、11＃和13＃坝段。大坝内部主要埋设有温度计、测缝计、基岩变位计、多点位移计、应变计组、钢筋计、渗压计等。地下厂房主要的观测仪器有锚杆应力计、温度计、测缝计、钢筋计、渗压计、多点位移计和岩体变位计等，这些仪器均布置在3个观测断面上。在水垫塘布置了渗压计、压力传感器、液位变送器、量水堰渗流量仪等观测设施。
洞坪工程采用安全自动化监测系统进行监测，中心控制室设在地下厂房通讯室内，设有专用的监控主机，将大坝、地下厂房、水垫塘等处数据采集单元，通过通讯光缆或电缆方式汇总进行处理、分析和管理，具备扩展远程自动监测功能。
4） 坝体应力分析
大坝体形设计在技施阶段进行了优化，优化选择过程中以拱梁分载法为主，并与三维有限元仿真分析结论进行比较。
采用拱梁分载法，将整个坝体分为10拱23梁，运用中国水科院结构所的ADASO程序和浙江大学拱坝分析与优化软件系统ADAO进行优化计算。为便于分析比较，最终成果都采用ADAO程序计算。计算中考虑基础变形和封拱温度对坝体应力的影响，同时考虑了分期封拱、分期蓄水过程的影响。通过坝体应力计算成果看，坝体应力分布比较均匀，主拉应力范围较小，主拉、压应力都未突破混凝土的最大允许应力；计算结果显示，坝体径、切向位移都不大，位移量正常，最大的是径向位移，正常加温降工况时为3.79cm，拱端推力角利于拱座稳定。考虑封拱过程影响后，校核洪水工况最大主应压力达5.46MPa，但仍在设计允许的范围之内。校核工况下坝体开孔时为控制工况，利用有限元计算最大等效主拉应力为1.86MPa，最大等效主压应力为6.18MPa，均满足规范和设计要求。
5） 坝肩抗滑稳定分析
坝肩抗滑稳定分析主要采用刚体极限平衡法，同时采用抗剪断公式和抗剪公式分别进行核算。左右拱座计算所得的安全系数均满足规范要求。
对洞坪拱坝的应力、变形采用三维有限元分析，在设计工况和校核工况下，坝体的应力与变形均符合一般规律。用有限元等效应力指标衡量有限元应力计算成果，两种工况下的等效主拉应力分别为1.45MPa和1.48MPa，小于规范要求，因此两种工况下的等效主拉应力满足规范要求。利用强度储备系数法和超载系数法对坝体坝基系统进行渐进破坏过程计算分析，校核工况为控制工况，其坝体坝基系统的强度储备安全系数为4.2，超水容重系数为8.0，拱坝的强度储备系数和超水容重系数和国内同类工程相比较为高，因此，拱坝两岸坝肩具有足够的稳定安全度。
6）坝基处理
根据坝址地质情况，洞坪拱坝基础处理主要