溪洛渡電站設(shè)計(jì)中的重大技術(shù)問(wèn)題研究（上）

肖白云

摘要：總裝機(jī)容量達(dá)12 600 MW的溪洛渡工程是我國(guó)繼三峽工程之后的又一座巨型水電工程。工程以水力發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運(yùn)條件等綜合利用效益。溪洛渡混凝土雙曲拱壩足建在基本烈度Ⅷ度的高地震區(qū)的特高拱壩。在溪洛渡樞紐設(shè)計(jì)中，對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，即：大壩基建面的選擇、拱壩的體型設(shè)計(jì)，大壩應(yīng)力分析，壩肩穩(wěn)定分析，大壩的抗震設(shè)計(jì)、泄洪消能和超大型地下洞室群的設(shè)計(jì)。隨著前期工程的進(jìn)展，這些技術(shù)問(wèn)題將深入研究，并會(huì)取得滿(mǎn)意結(jié)果。

關(guān)鍵詞：重大技術(shù)問(wèn)題；設(shè)計(jì)；溪洛渡水電站；金沙江

1 概述

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣境，壩址距離宜賓市(金沙江河口)河道里程184km，壩址控制金沙江：流域面積45.44萬(wàn)km2，占金沙江總流域面積的96%。是金沙江上控制性的樞紐工程，業(yè)主為中國(guó)三峽總公司。電站開(kāi)發(fā)任務(wù)以水力發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運(yùn)條件等綜合利用效益，供電華東、華中地區(qū)，兼顧川渝、滇的用電需要。它是金沙江“西電東送”距離最短的骨于電源之一，也是落實(shí)國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)“西電東送”的骨于工程。

水庫(kù)正常蓄水位高程600m，死水位高程540m，汛期防洪限制水位高程560m。大壩壅高水位約230m，形成一座長(zhǎng)約200km，平均寬度690m的河道型大水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容126.7億m3，正常蓄水位600m以下的庫(kù)容115.7億m3，其中死庫(kù)容51.1億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容64.6億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)能力。

電站樞紐在左、右兩岸各設(shè)一座地下廠房，各安裝9臺(tái) 700MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量12 600MW。初期保證出力3 395MW，多年平均年發(fā)電量576.7億kW·h，其中枯水期電量145.1億kW·h。

溪洛渡工程綜合效益顯著：

(1)防洪 水庫(kù)控制了金沙江流域面積96％，占長(zhǎng)江宜昌以上流域面積47.8％，汛期洪水總量約占宜昌洪量的1／3以上。是長(zhǎng)江防洪體系的重要組成部分。水庫(kù)廠游緊臨川江，具有控制洪水比重大，距離防洪對(duì)象近的特點(diǎn)。利用水庫(kù)的46.5億m3防洪庫(kù)容調(diào)蓄洪水，配合其它措施，可以提高下游

沿江重要城市宜賓、瀘州和重慶的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

三峽水庫(kù)是長(zhǎng)江中下游防洪的主體工程，有防洪庫(kù)容 221.5億心，對(duì)長(zhǎng)江中下游防洪作用巨大，使荊江河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到100年以上。溪洛渡水庫(kù)汛期攔蓄金沙江洪水，減少了直接進(jìn)入三峽水庫(kù)的洪量。如與三峽水庫(kù)聯(lián)合進(jìn)行防洪調(diào)度，在遭遇特大洪水時(shí)，可以減少長(zhǎng)江中下游分洪量25～40億m3，平均防洪效果系數(shù)(削減下游分洪量／預(yù)留防洪庫(kù)容)58％。

(2)攔沙 金沙江是一條多泥沙河流，多年平均含沙量1.7kg／m3，在溪洛渡壩址懸移質(zhì)年輸沙量達(dá)2.47億t，推移質(zhì)年輸沙量180萬(wàn)t。通過(guò)重慶市寸灘水文站的輸沙量有一半來(lái)自金沙江。溪洛渡水電站位于金沙江產(chǎn)沙區(qū)的末端，利用大壩壅高水位達(dá)230m，對(duì)河道天然輸沙條件的改變較大，

有巨大的死庫(kù)容的優(yōu)勢(shì)，輔以水庫(kù)合理調(diào)度，大量攔截泥沙，減少三峽水庫(kù)的入庫(kù)泥沙，且使三峽水庫(kù)入庫(kù)泥沙顆粒細(xì)化，可有效地減少三峽水庫(kù)庫(kù)尾的泥沙淤積，有利于三峽水庫(kù)的長(zhǎng)期使用和綜合效益的發(fā)揮。

(3)發(fā)電補(bǔ)償效益 長(zhǎng)江水系汛期水量豐沛，各電站汛期電量比重均較大，特別需要調(diào)節(jié)水庫(kù)將汛期水量調(diào)配到枯水期發(fā)電。溪洛渡水庫(kù)具有64.6億m3的調(diào)節(jié)庫(kù)容，由于它的凋蓄作用，能使三峽、葛洲壩電站的供水期增加一個(gè)月，保證出力共增加379.2MW，枯水期電量18.86億kW·h。使向家壩水電站設(shè)計(jì)枯水年的枯水期平均出力增加保證出力336MW，發(fā)電量13·54億kW·h。

(4)航運(yùn) 樞紐位于不通航河段。經(jīng)水庫(kù)調(diào)節(jié)，在枯水期可增加下泄流量約500m3／s，較大地改善下游川江航道的枯水期航運(yùn)條件。

2 樞紐布置

壩區(qū)位于豆沙溪溝口至溪洛渡溝口，全長(zhǎng)約4km的峽谷河段，在峽谷進(jìn)口金沙江呈近90°拐彎，峽谷段內(nèi)河道順直,谷坡陡峻，臨江坡高從進(jìn)口的大于400m，向下游逐漸降為 300m左右。河谷斷面呈窄“U”型，河谷的寬高比約為2，枯水期水面寬70～110m，在水面抬高230m到達(dá)正常蓄水位 600m時(shí)，水面寬度僅有530m左右。整個(gè)峽谷無(wú)沖溝，地形十分完整，且在峽谷中段兩岸地形向下游略呈收斂之勢(shì)，具備修建高拱壩的良好的地形條件。

壩區(qū)河床基巖及兩岸谷坡主要由二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖(P2β)組成，系一總體緩傾下游偏左岸的單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀在峽谷進(jìn)口和出口附近有明顯轉(zhuǎn)折，形成“陡一緩一陡”的平緩褶曲，峽谷中段產(chǎn)狀平緩，傾角3°～5°。巖流層厚達(dá)490～540m，巖體致密、堅(jiān)硬、均一，沒(méi)有斷層分布，發(fā)育于巖流層層間和層內(nèi)的的錯(cuò)動(dòng)帶是其主要的結(jié)構(gòu)面。茅口組石灰?guī)r (P1m)出露于峽谷進(jìn)口谷底，向下游傾伏于玄武巖之下，在峽谷中段埋深達(dá)100m左右。河床沖積層一般厚度15～20 m，在峽谷出口段附近增加為40m左右。大量的地質(zhì)勘察成果表明，在峽谷河段具有修建高拱壩的工程地質(zhì)條件。

電站樞紐由攔河大壩、泄洪設(shè)施、引水發(fā)電建筑物等組成。具有“高拱壩、大泄量、多機(jī)組”的特點(diǎn)。根據(jù)壩址區(qū)河谷狹窄，基巖新鮮完整的地形地質(zhì)條件，結(jié)合金沙江的水文特性及工程的開(kāi)發(fā)目標(biāo)及綜合利用要求，樞紐布置中考慮的原則：

(1)樞紐布置必須緊湊，充分利用峽谷河段的地形地質(zhì)條件，將樞紐建筑物(含消能區(qū)和導(dǎo)流建筑物)全部布置在4km峽谷河段玄武巖出露段之內(nèi)，與之相匹配，拱壩的壩線位置宜在峽谷中段。

(2)充分利用水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容大的特點(diǎn)，調(diào)蓄洪水減少樞紐的下泄流量，降低下游河床消能防沖的難度。

(3)由于樞紐泄洪流量大，泄洪功率近100 000MW，居世界高拱壩之首。泄洪消能設(shè)施布置采用“分散泄洪、分區(qū)消能、按需防護(hù)”的原則，由壩身孔口和泄洪隧洞及非常泄洪隧洞等多套泄洪設(shè)施共同宣泄洪水。壩下游消能分為兩個(gè)區(qū)：壩下游設(shè)二道壩壅高水位形成水墊塘，消剎壩身孔口挑射水流的能量；隧洞出口消能區(qū)遠(yuǎn)離水墊塘，隧洞出口挑射水流在水下碰撞和漩滾消能。這種布置方式增加了運(yùn)行的靈活性和安全度。

(4)高度重視泄洪霧化對(duì)樞紐布置的影響。已建工程的實(shí)例表明，狹窄河谷中采用挑跌流的泄洪方式，泄洪霧化是不可避免的，霧化強(qiáng)度及范圍均較大。在樞紐布置中首先考慮避讓的原則。在強(qiáng)霧化區(qū)及較強(qiáng)霧化區(qū)不布置水工建筑物；其次對(duì)霧化區(qū)內(nèi)的邊坡不穩(wěn)定巖體及其他存在地質(zhì)缺陷的巖體采取挖除或其它工程加固措施，加強(qiáng)坡面排水，確保兩岸邊坡的穩(wěn)定性。

(5)河芥狹窄，不具備布設(shè)壩后廠房的條件，利用河床左右兩岸地形地質(zhì)條件基本對(duì)稱(chēng)，山體雄厚，圍巖條件好的特點(diǎn)，將18臺(tái)機(jī)組均勻分設(shè)在左、右兩岸的地下廠房，每座廠房裝機(jī)容量6 300MW。

(6)初期施工導(dǎo)流采用斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流、基坑全年施工的方案。在左右兩岸共布置6條大斷面導(dǎo)流隧洞。在樞紐布置時(shí)盡量考慮將導(dǎo)流隧洞與永久建筑物相結(jié)合，后期略加改建便可成為永久建筑物。這樣不僅減少工程量節(jié)省投資，而且使處于狹窄河谷的樞紐布置更加緊湊。

(7)兼顧分期蓄水提前發(fā)電，提早發(fā)揮工程效益，降低工程總投資。

對(duì)多個(gè)樞紐布置方案進(jìn)行了全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出推薦的樞紐布置方案(參見(jiàn)圖2)，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)充分利用玄武巖出露的4km長(zhǎng)的峽谷河段布設(shè)整個(gè)水工樞紐。壩軸線選擇在峽谷中段，地形微向下游收斂，河床覆蓋層厚<15m，基巖面相對(duì)隆起，有利于減小壩體高度。利用在壩軸線亡游約500m的緩坡臺(tái)地布置電站進(jìn)水口，該緩坡臺(tái)地高程在550～650m之間，使進(jìn)水口的開(kāi)挖邊坡降低到150m以下，且大壩和進(jìn)水口之間可以設(shè)泄洪隧洞進(jìn)水口，縮短了泄洪洞長(zhǎng)度。

(2)壩身孔口泄洪流量可達(dá)30 000m3／s，占樞紐總泄量的60％。下泄水流順應(yīng)河勢(shì)，歸槽條件好，對(duì)岸坡穩(wěn)定影響相對(duì)較小，且能節(jié)省投資。多套泄洪設(shè)施可靈活運(yùn)用。下游消能區(qū)沿河床縱向和橫向拉開(kāi)，避免對(duì)下游河床的集中沖刷。

(3)壩址區(qū)左岸屬四川省，右岸屬云南省，在左右兩岸各設(shè)一座裝機(jī)6 300MW的地下廠房，滿(mǎn)足向華中2回±500kV直流輸電和向華東2回±600kV直流輸電的需要，同時(shí)也兼顧了川、滇兩省的用電要求。

(4)有利于分期蓄水，提前發(fā)電。初期施工導(dǎo)流采用斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流、基坑全年施工的方案。后期在壩身設(shè)兩層導(dǎo)流底孔。在410m高程布置6個(gè)5mXl0m導(dǎo)流底孔，在 450m高程設(shè)4個(gè)4.5mX8m的導(dǎo)流底孔。在大壩尚未完建、壩體灌漿至580m、高程的情況下，即可蓄水至死水位540m發(fā)電，并能妥善解決發(fā)電后按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的度汛問(wèn)題。能提前8個(gè)月發(fā)電，可多獲得約78.8億kW·h電能。

(5)樞紐布置緊湊，工程量小。主體工程的工程量包括：石方明挖1 970萬(wàn)m3，石方洞挖1 580萬(wàn)m3，混凝土和鋼筋混凝土1 300萬(wàn)m3，鋼筋、鋼材36萬(wàn)t。

3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

在溪洛渡樞紐設(shè)計(jì)中，對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，即：大壩建基面的選擇、拱壩的體型設(shè)計(jì)、大壩的靜動(dòng)應(yīng)力分析、壩肩穩(wěn)定分析、大壩的抗震設(shè)計(jì)、泄洪消能和超大型地下洞室群設(shè)計(jì)。

3.1 大壩的建基面選擇

壩址區(qū)自然條件優(yōu)越，山高谷深，兩岸地形完整對(duì)稱(chēng)，河道順直，河谷為窄“U”型，其寬高比小于2，壩址區(qū)出露490～520m厚的二疊系峨眉山玄武巖，河床壩基及兩岸壩肩均置于玄武巖之上，是理想的修建混凝土雙曲拱壩的壩址。

選擇大壩建基面時(shí)，考慮壩高達(dá)278m，承受總水推力約 l 400萬(wàn)t，對(duì)基礎(chǔ)的要求較高，因此將拱壩基本上置于微一新和弱風(fēng)化下段的玄武巖巖體上，拱壩壩肩、壩基巖體質(zhì)地堅(jiān)硬，以整體塊狀和次塊狀結(jié)構(gòu)為主，完整性、均勻性好，能夠滿(mǎn)足拱壩承載能力及壩基變形的要求。大壩建基面高程確定為332m，最大壩高278m，初步擬定的拱端的平均嵌深左岸48.0m，右岸55.7m，在嵌深上適當(dāng)留有余地。

3.2 雙曲拱壩的體型設(shè)計(jì)

(1)壩體應(yīng)具有較大的整體剛度，以改善壩身開(kāi)孔后對(duì)拱壩整體剛度削弱的不利影響；通過(guò)加強(qiáng)壩體剛度，提高壩體整體性，改善地震反映較強(qiáng)的壩體中上部位應(yīng)力條件，提高大壩的抗震能力。

(2)在滿(mǎn)足壩體強(qiáng)度要求的前提下，采用扁平拱布置，盡量使拱推力轉(zhuǎn)向山體內(nèi)部，改善壩肩穩(wěn)定條件。

(3)大壩應(yīng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)壩基變形、壩基變模浮動(dòng)及變模各向異性的能力；在各種計(jì)算工況下，均有較好的應(yīng)力、變形狀況；大壩的應(yīng)力、變形變化幅度合理，并能兼顧提前發(fā)電需要。

(4)在雙曲拱壩布置中，考慮不設(shè)縱縫，簡(jiǎn)化溫控措施，加快施工進(jìn)度，提高拱壩整體性?？刂粕嫌蔚箲叶龋纳剖┕て趹?yīng)力條件。盡量使體型簡(jiǎn)單，方便施工。

(5)要求建基面規(guī)則、縱坡平順，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。按此要求，經(jīng)各種拱圈線形的優(yōu)化設(shè)計(jì)及綜合比較，推薦拋物線雙曲拱壩，其體型參數(shù)見(jiàn)表1。

采用我院開(kāi)發(fā)的ADSC—CK拱梁分載法計(jì)算程序，對(duì)推薦的拋物線雙曲拱壩進(jìn)行位移、應(yīng)力計(jì)算，并采用水科院結(jié)構(gòu)所ADASO拱梁分載法靜動(dòng)力分析程序水科院抗震所SD—TAM88拱梁分載法靜動(dòng)力分析程序以及浙江大學(xué)ADAO拱梁分載法靜動(dòng)力分析程序進(jìn)行輔助驗(yàn)證。計(jì)算分析表明：在自重荷載作用下，上下游壩面基本處于受壓狀態(tài)，局部產(chǎn)生的拉應(yīng)力與水沙、溫度荷載下的拉應(yīng)力發(fā)生部位不同。水沙荷載作用下的最大主拉應(yīng)力的出現(xiàn)部位在自重荷載作用下則出現(xiàn)最大主壓應(yīng)力，荷載組合作用下壩體拉應(yīng)力相互抵消，拱壩體型設(shè)計(jì)是合理的。(待續(xù))