積石峽水電站工程樞紐布置設(shè)計(jì)綜述

王康柱，王君利，廖元慶，張曼曼，蔡新合

（中國水電顧問集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065）

1 工程概況

積石峽水電站位于青海省循化縣境內(nèi)積石峽出口處，距循化縣城30 km，距省會(huì)西寧市206 km，距民和縣城100 km?，F(xiàn)有臨平公路、民臨公路二條省級(jí)公路鄰近壩址，對(duì)外交通十分便利。

積石峽水電站是黃河上游龍羊峽-青銅峽河段規(guī)劃25座水電站的第11座，該工程的主要任務(wù)是發(fā)電。積石峽水庫為日調(diào)節(jié)水庫，正常蓄水位1 856 m，最大壩高103 m，總庫容2.94億m3，最大發(fā)電水頭73 m，總裝機(jī)容量1 020 MW，保證出力332.3 MW，多年平均發(fā)電量33.63億kW·h。

樞紐布置方案由混凝土面板堆石壩、左岸表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞、左岸泄洪排沙底孔、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、壩后廠房等組成。工程規(guī)模為二等大（2）型，大壩為1級(jí)建筑物，泄水建筑物、引水發(fā)電及廠房均為2級(jí)建筑物。

大壩、泄水、發(fā)電引水建筑物按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，5 000年一遇洪水校核，其入庫洪峰流量分別為5 850、7 550 m3/s；廠房按200年一遇洪水設(shè)計(jì)，按500年一遇洪水校核；消能防沖按50年一遇設(shè)計(jì)。

積石峽水電站施工采用全年圍堰擋水、隧洞導(dǎo)流、基坑全年施工的導(dǎo)流方式。施工總工期72個(gè)月。

積石峽水電站2005年1月開工，2007年3月截流，2010年11月9日第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2010年12月12日三臺(tái)機(jī)組全部發(fā)電。

2 自然條件

積石峽水電站壩址距離公伯峽、李家峽、龍羊峽水電站壩址分別為 55、131、239.6 km，距河源 1 938 km。壩址控制流域面積146 749 km2，占全流域的19.5%，水量占全流域的38.8%。

積石峽水電站采用循化水文站為設(shè)計(jì)代表站，其多年平均流量703 m3/s，年徑流量221億m3，多年平均含沙量1.25 kg/m3，為全流域含沙量較小的河段。

積石峽多年平均氣溫8.7℃，多年平均降雨量266.2 mm，蒸發(fā)能力2 131.4 mm（20 cm蒸發(fā)器），最大風(fēng)速24.0 m/s。多年平均年日照時(shí)數(shù)2 712.7 h。

積石峽水電站壩址上游有已建的龍羊峽、李家峽水電站及在建的公伯峽水電站。龍羊峽水庫是一個(gè)多年調(diào)節(jié)水庫，總庫容達(dá)275億m3。龍羊峽水電站與下游劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，使積石峽徑流年內(nèi)分配趨于均勻，提高了積石峽水電站的發(fā)電效益，同時(shí)大大削減了積石峽入庫洪水，減小了水庫的設(shè)計(jì)洪水和校核洪水。積石峽各頻率洪水受上游水庫調(diào)蓄后的洪峰流量見表1。

工程區(qū)及近場(chǎng)區(qū)為歷史地震相對(duì)較弱地區(qū)，工程場(chǎng)址主要受外圍強(qiáng)震的波及影響，離壩址最近的關(guān)門、鎖同等斷層無歷史中強(qiáng)震發(fā)生。經(jīng)國家地震局地殼應(yīng)力研究所復(fù)核，國家地震烈度評(píng)定委員會(huì)批準(zhǔn)，積石峽壩址區(qū)50年超越概率10%的地震基本烈度為Ⅶ度[1-2]。設(shè)防烈度為Ⅶ度[1-2]。

表1 積石峽壩址設(shè)計(jì)洪峰流量

壩址區(qū)河谷呈不對(duì)稱U型，右岸陡，左岸相對(duì)較緩；斷層不發(fā)育，構(gòu)造裂隙相對(duì)較發(fā)育；相對(duì)不透水層埋藏較深；局部岸坡巖體具有卸荷現(xiàn)象，卸荷帶深度均小于10 m。巖體風(fēng)化較淺，一般為7～26 m。按巖體質(zhì)量分類，壩區(qū)巖體多屬于Ⅱ級(jí)，部分Ⅲ級(jí)，局部Ⅳ級(jí)。壩址區(qū)工程地質(zhì)條件良好，適宜修建當(dāng)?shù)夭牧蠅巍?/p>

壩址下游的Ⅰ號(hào)滑坡[2]，經(jīng)研究分析和模擬計(jì)算，天然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好。溢洪道、泄洪排沙底孔為挑流，中孔泄洪洞為底流消能，在泄洪期水霧基本不影響Ⅰ號(hào)滑坡體。

3 樞紐總布置

工程樞紐布置由混凝土面板堆石壩、左岸壩下掩埋式引水鋼管、壩后廠房、左岸一孔表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞（與導(dǎo)流洞結(jié)合）、左岸泄洪排沙底孔（兼放空洞）、左岸灌溉孔、GIS封閉式開關(guān)站及安裝間頂出線構(gòu)架等組成（見圖1）。

圖1 積石峽水電站樞紐總平面布置（單位：m）

3.1 混凝土面板堆石壩

樞紐大壩布置在主河床，大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩軸線方位 NE69°0′5.43″。

壩頂高程1 861.00 m，最大壩高103.0 m，壩頂長度321.9 m，頂寬9.8 m?；炷撩姘迳嫌螇纹?∶1.5； 下游壩坡 1∶1.4～1∶1.3，為干砌石護(hù)坡，并設(shè)有9.0 m寬的 “之”字形上壩公路，大壩下游綜合壩坡為1∶1.72。壩頂設(shè)有高度為5.2 m的L型墻與面板相接。電站進(jìn)水口位于大壩的左側(cè)，以重力式擋墻與大壩連接，進(jìn)水口右邊墩與面板之間設(shè)置周邊縫相接。引水發(fā)電鋼管掩埋于壩下。溢洪道布置在電站進(jìn)水口及引水發(fā)電鋼管左側(cè)，溢洪道堰閘段與電站進(jìn)水口相接，溢洪道泄槽段右邊墻與大壩相接，并設(shè)置周邊縫與面板相接。

壩體從上游向下游依次分為：面板上游面下部粉質(zhì)壤土斜鋪蓋（1A）及其蓋重區(qū)（1B）、混凝土面板、 墊層區(qū)（2A）、 特殊墊層區(qū)（2B）、 過渡區(qū)（3A）、 反濾排水區(qū)（3F）、 主堆石區(qū)（3BⅠ、3BⅡ）、 下游次堆石區(qū)（3C） 及下游護(hù)坡（3D）。

積石峽面板壩壩體防滲系統(tǒng)由面板、趾板和接縫止水組成。鋼筋混凝土面板厚0.3～0.59 m，面板混凝土為二級(jí)配C25，垂直縫間距均為12.0 m。趾板選用平趾板的布置形式，趾板寬度分別為4.0、6.0、7.4 m，趾板厚度分別為0.4、0.6、0.8 m，趾板混凝土為二級(jí)配C25。周邊縫設(shè)三道止水，頂部設(shè)塑性填料、在塑性填料與縫口橡膠棒之間設(shè)置波紋止水帶（4波）、底部設(shè)F型止水銅片與面板垂直縫底部W型銅止水相接，周邊縫縫內(nèi)充填12 mm厚的瀝青木板。面板張性縫和壓性縫均設(shè)二道止水。

3.2 引水發(fā)電系統(tǒng)

電站進(jìn)水口為壩前塔式進(jìn)水口，左鄰溢洪道，右側(cè)為攔河大壩。由攔污柵墩、胸墻、擋墻、隔水墻及左右邊墩組成。采用一機(jī)一管引水方式，共設(shè)3個(gè)進(jìn)水口。由右起依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)進(jìn)水口，各段分別寬 22、20、22 m，進(jìn)水口長度為46.20 m。進(jìn)水口頂高程1 861.00 m，建基面高程1 815.50 m。進(jìn)水口分為兩段，攔污柵段和閘門段。攔污柵段由2個(gè)中墩和2個(gè)邊墩分隔為3孔，各孔設(shè)4.8 m×41.4 m的主、副攔污柵，攔污柵墩后為閘門段，進(jìn)口頂唇采用1/4橢圓曲線（x2/92+y2/32=1），左、右立面為1/4圓曲線，半徑為2 m。在樁號(hào)引0+017.00設(shè)一道11.5 m×13.6 m檢修閘門，在樁號(hào)引0+022.50設(shè)一道11.5 m×13.1 m快速工作閘門。進(jìn)水口基礎(chǔ)設(shè)有齒槽，建基面高程1 809.00 m，齒槽內(nèi)設(shè)置3 m×3.5 m的帷幕灌漿排水廊道。底孔泄洪排沙洞的進(jìn)口位于2號(hào)和3號(hào)進(jìn)水口之間，建基面高程1 792.00 m，在樁號(hào)引0+008.00設(shè)兩道4.8 m×8.0 m檢修閘門。進(jìn)水口頂部布置一臺(tái)2×2 000 kN/800 kN雙向門機(jī)，分別用于攔污柵、泄洪排沙底孔檢修門、電站進(jìn)水口檢修門、溢洪道檢修門的啟閉?？焖俟ぷ鏖l門由6 300 kN/4 500 kN快速液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。

壓力鋼管采用一機(jī)一管的布置方式，為直接敷設(shè)在地基上的鋼襯鋼筋混凝土管道。單機(jī)引用流量579.76 m3/s，鋼管直徑11.5 m，外包混凝土厚2 m，混凝土標(biāo)號(hào)C25。3條鋼管呈放射形布置，長度分別為253.4、250.5、248.7 m。鋼管由上平段、上彎段、斜直段、下彎段和下平段組成，斜管段坡度為1∶1.9，管道基礎(chǔ)寬15.5 m，厚1 m。上平段掩埋在混凝土面板堆石壩中，下彎段及下平段鋼管外包混凝土之間回填砂礫石，形成廠區(qū)交通平臺(tái)。3條鋼管在主廠房分縫處均取消了伸縮節(jié)，用可適應(yīng)微小變形的彈性墊層伸縮管代替。

正常蓄水位包括水錘壓力在內(nèi)的作用水頭約105 m，HD值達(dá)1 207.5 m2，屬于巨型鋼管。鋼管大部分采用Q345C低合金鋼，厚度為24～30 mm，在墊層管部位采用了國產(chǎn)WDB620C高強(qiáng)度鋼材，厚度為30 mm。

電站廠房布置在大壩下游壩腳處，為壩后引水式地面廠房。廠房建基高程為1 746.20 m，主廠房總長94.80 m，廠房順?biāo)飨驅(qū)?3 m，機(jī)組段長度31.60 m，總高72.8 m。廠內(nèi)安裝3臺(tái)單機(jī)容量為340 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。

主廠房分尾水管層、蝸殼層、水輪機(jī)層及發(fā)電機(jī)層。發(fā)電機(jī)層高程為1 795.50 m。廠房上部結(jié)構(gòu)由排架柱、鋼吊車梁、混凝土圈梁及磚混結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)安裝兩臺(tái)跨度為29 m的橋式起重機(jī)。廠房屋面為預(yù)制鋼筋混凝土雁型板。尾水副廠房位于廠房下游長，共分三層。第一層高程1 767.50 m，為電纜夾層及供水設(shè)備層；第二層高程1 776.00 m，為廠用設(shè)備層；第三層高程1 784.50 m，為發(fā)電機(jī)電壓配電裝置層。

安裝間位于主廠房左側(cè)，總長63.00 m。安裝間底板高程1 795.30 m，安裝間設(shè)有進(jìn)廠大門，與進(jìn)廠公路銜接，進(jìn)廠設(shè)備可直接進(jìn)入安裝間。

開關(guān)站位于安裝間底部，為戶內(nèi)GIS室。開關(guān)站長63 m，寬12 m，共兩層，上層布置GIS設(shè)備，下層為電纜夾層。

中控樓位于安裝間左側(cè)。中控樓總長13 m，寬度為33.00 m，共分五層。發(fā)電機(jī)組的中央控制室及辦公用房等，均布置在中控樓內(nèi)。

尾水平臺(tái)寬23.50 m，布置有3臺(tái)主變壓器和1臺(tái)1 000 kN尾水單項(xiàng)門機(jī)。

尾水渠反坡段坡度1∶4，長50 m，寬88.30 m，底板厚50 cm，兩側(cè)為半重力式混凝土擋墻。

出線站位于安裝間上游側(cè)，占地約為27 m×79 m。

3.3 泄洪建筑物

泄洪建筑物由左岸溢洪道、左岸中孔泄洪洞和泄洪排沙底孔組成。

3.3.1 左岸溢洪道

溢洪道布置在左岸，為開敞式岸邊溢洪道，由引渠段、堰閘段、泄槽段、挑流鼻坎段組成。引渠段、堰閘段、泄槽段和鼻坎段的長度分別為30、46.2、344.302、38.181 m，堰閘段至鼻坎段溢洪道總長428.683 m。

溢洪道引渠段由堰前直線段、彎道段及與彎道相切的上游直線段組成。堰前直線段長度為40.0 m，底寬約為23.0 m，底板高程1 819.0 m。

溢洪道為一孔，溢洪道堰閘段順?biāo)鞣较蜷L度為46.2 m（樁號(hào)溢 0+000.00～溢 0+046.20），孔口尺寸15 m×20 m。堰閘段設(shè)溢流堰，堰體凈寬15 m。溢流堰坐落在K13層新鮮礫巖上，建基面高程為1822.0 m，堰下設(shè)齒槽并布置灌漿廊道，堰底部設(shè)灌漿帷幕及排水孔幕。堰頂高程為1 836 m，邊墩厚4.0 m，堰頂上游堰頭為三圓弧曲線，堰面曲線為WES曲線（y=0.0461x1.836）。下游直線段坡比為 1∶2，末端接反弧，半徑為40 m，圓心角為23.703°。堰頂設(shè)一扇15 m×20.6 m平板檢修門，啟閉設(shè)備與引水系統(tǒng)的攔污柵、泄洪排沙底孔檢修門共用2×2 000 kN/800 kN一臺(tái)雙向門式啟閉機(jī)。工作門為15 m×21.5 m的弧門，由2×3 600 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。

溢洪道堰閘段后接寬度為15 m的等寬矩形泄槽，樁號(hào)溢0+46.2～溢0+260.0，底坡為0.05；樁號(hào)溢0+260.0～溢0+270.299，底坡由緩變陡時(shí)，用渥奇曲線（y=0.05x+0.004 37x2）連接；樁號(hào)溢 0+270.299～溢0+390.502，底坡為0.14。泄槽邊墻高由17 m變?yōu)?4 m。

為降低泄槽下的揚(yáng)壓力、防止繞滲，保證泄槽穩(wěn)定，在泄槽底板設(shè)縱橫排水管，左邊墻底部布置一條縱向排水廊道，尺寸為2 m×2.5 m，廊道下設(shè)8 m深排水孔與泄槽底板排水管形成排水系統(tǒng)。

泄槽末端接挑流鼻坎，樁號(hào)為溢0+390.502～溢0+428.683。采用兩側(cè)導(dǎo)墻前后交錯(cuò)收縮的舌形挑流鼻坎，鼻坎建基高程1 794.0 m，為新鮮巖石；挑流鼻坎反弧半徑為20 m，挑射角為37.97°，頂部高程1 816.152 m。

3.3.2 左岸中孔泄洪洞

中孔泄洪洞是由導(dǎo)流洞改建的 “龍?zhí)ь^”式有壓短管進(jìn)口的泄洪洞，位于左岸山體中，全長828 m，包括進(jìn)口引渠、進(jìn)水塔、 “龍?zhí)ь^”斜洞段、反弧段、與導(dǎo)流洞結(jié)合段、明槽及消力池段等。

進(jìn)口閘門段設(shè)有岸塔式進(jìn)水口，進(jìn)水塔長42 m，寬15 m，頂部高程1 861.0 m，進(jìn)水口底板高程1 804 m。進(jìn)水口為喇叭口型，頂部及側(cè)墻均為橢園形曲線（頂部x2/13.62+y2/4.52=1；側(cè)墻x2/52+y2/1.72=1）。進(jìn)口段樁號(hào)0+003.47處設(shè)8m×13.6m的平板檢修門，由4 000 kN的固定式卷揚(yáng)機(jī)啟閉。檢修門后設(shè)8 m×11 m的平板工作門，由6 300 kN的卷揚(yáng)機(jī)啟閉。頂部壓板斜率為1∶4.3。

樁號(hào)中0+042.00處接斜洞段，斜洞由拋物線段（x2=350y）、14%的斜線段及反弧段組成，反弧半徑100 m。“龍?zhí)ь^”斜洞斷面為10 m×14 m的封閉式城門洞型。斜洞末端樁號(hào)為中0+220.023，底板高程1 778.972 m。樁號(hào)中0+214.457～中0+233.416為漸擴(kuò)段，末端洞斷面變?yōu)?0 m×15 m，與導(dǎo)流洞斷面相同。

從樁號(hào)中0+242.664～中0+678.327為導(dǎo)流洞結(jié)合段，底坡為0.47，斷面為封閉式城門洞型，頂拱半徑6.25 m，圓心角106.26°。中孔泄洪洞出口處底板高程1 776 m。中孔泄洪洞為鋼筋混凝土襯砌，厚度1.2 m。

中孔泄洪洞與消力池之間由水平段、拋物線段（y=0.004x2）、斜線段和反弧曲線段（反弧半徑為30 m，圓心角為14.04°）連接，底板高程由1 776.00 m降至1 768.00 m，底寬由10 m漸變?yōu)?5 m。

出口消力池樁號(hào)中 0+739.642～中 0+812.0，池底高程1 768 m，凈寬15 m，邊墻頂部高程1 796 m，邊墻與底板為整體式。消力池尾坎頂高程為1 778.0 m，消力池建基面高程為1 765 m，底板厚度3 m，板下布設(shè)直徑為28 mm的錨桿，間排距1.5 m×1.5 m，深入基巖4 m。為降低板下?lián)P壓力，在底板下部設(shè)縱橫向無沙混凝土排水暗管，消力池尾坎左邊墻外設(shè)集水井抽排。在消力池尾坎頂設(shè)1扇15 m×5 m的平板門，由2×400 kN固定式卷揚(yáng)機(jī)操作。

消力池尾坎檢修閘門在導(dǎo)流洞封堵施工期間，承擔(dān)圍堰作用，阻止下游水流進(jìn)入中孔泄洪洞。消力池尾坎檢修閘門在電站運(yùn)行后承擔(dān)枯水期間消力池、中孔泄洪洞的檢修工作。

3.3.3 泄洪排沙底孔

泄洪排沙底孔進(jìn)口位于左岸電站進(jìn)水口2號(hào)、3號(hào)引水鋼管之間，在平面上有兩個(gè)彎道，其軸線走向由SE 159°經(jīng)弧型變?yōu)镾E 159°。泄洪排沙洞底孔引渠底高程1 795 m，底寬10 m，兩邊邊坡分別與溢洪道及電站進(jìn)水口引渠相連接。

泄洪排沙底孔進(jìn)口與電站進(jìn)水塔結(jié)合，進(jìn)口為兩孔，底坎高程1 795.0 m，各設(shè)一道事故檢修門，檢修門孔口尺寸為2孔4.8 m×8.0 m，啟閉設(shè)備與溢洪道及電站攔污柵啟閉設(shè)備共用。進(jìn)口頂部為橢圓形曲線（x2/82+y2/2.672=1）。在樁號(hào)0+013.5處中墩結(jié)束，兩孔合一。進(jìn)水口后樁號(hào)0+013.5～0+033.5為20 m長的漸變段，由矩形斷面12.0 m×8 m漸變?yōu)橹睆? m的圓形斷面。

樁號(hào)0+033.5～0+364.7為直徑9 m的圓形有壓隧洞，底坡為0.004 53，厚度為0.8、1.0 m的鋼筋混凝土襯砌，在平面上有兩個(gè)彎道，兩個(gè)彎道半徑均為50 m；樁號(hào)0+364.7～0+382.0為出口漸變段，由直徑9 m的圓形有壓隧洞漸變?yōu)? m×6.8 m的矩形斷面，與工作閘室相連。

工作閘門室位于隧洞出口，樁號(hào)0+382.0～0+409.2，底板高程1 793.5 m，底板厚度3 m，內(nèi)設(shè)弧型工作閘門一扇，閘門孔口尺寸為8 m×6.8 m，由2×2 000 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。閘室后為明渠，泄槽寬8 m，底板厚2 m，底坡為0.004 53。根據(jù)水面線計(jì)算并考慮摻氣和安全超高，邊墻高度取9.0 m。末端接挑流鼻坎，反弧半徑為20 m，挑射角為28.43°，反弧段最低點(diǎn)高程1 787.35 m，鼻坎頂部高程1 798.103 m。

4 結(jié)語

（1）積石峽水電站工程樞紐布置充分結(jié)合了地形、地質(zhì)條件，因地制宜地將電站進(jìn)水口、溢洪道布置在左岸Ⅱ級(jí)階地上，樞紐布置緊湊。

（2）混凝土面板堆石壩的壩料分區(qū)設(shè)計(jì)中充分地利用了樞紐區(qū)建筑物開挖料，節(jié)省工程投資，同時(shí)設(shè)置L型壩體排水，降低壩體內(nèi)浸潤線，利于壩體滲透穩(wěn)定。

（3）引水發(fā)電系統(tǒng)布置為壩下掩埋式，壓力管道由壓力鋼管和較厚的外包混凝土聯(lián)合受力。

（4）泄水建筑物按不同高程分別布置了表、中、底泄水建筑物，可分別滿足施工期、運(yùn)行期的下游供水和泄洪安全的要求。消能方式采用挑流、底流相結(jié)合，避免泄洪雨霧對(duì)下游1號(hào)滑坡的影響。

［1］中國水電顧問集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黃河積石峽水電站工程可行性研究報(bào)告（審定本）［R］.西安：中國水電顧問集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2006.

［2］中國水電顧問集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黃河積石峽水電站工程項(xiàng)目申請(qǐng)報(bào)告［R］.西安：中國水電顧問集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2007.