小浪底工程設(shè)計創(chuàng)新與實踐

林秀山，景來紅

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，450003，鄭州）

黃河小浪底水利樞紐位于黃河干流中游最后一個峽谷出口處，上距三門峽水利樞紐130 km，下距鄭州花園口128 km。壩址控制流域面積69.4萬km2，占黃河流域總面積的92.3%；控制黃河天然徑流量的87%和近100%的輸沙量。工程開發(fā)任務(wù)“以防洪 （包括防凌）、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電，蓄清排渾，除害興利，綜合利用”。按照黃河開發(fā)治理規(guī)劃，小浪底水利樞紐與上游龍羊峽、劉家峽、黑山峽和中游磧口、古賢、三門峽構(gòu)成七大控制性骨干工程，由于小浪底工程處在控制黃河下游水沙的關(guān)鍵部位，因此它在黃河治理開發(fā)中具有十分重要的戰(zhàn)略地位。

一、小浪底工程的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題

小浪底工程按千年一遇洪水40000 m3/s設(shè)計（三門峽水庫不控制情況下），按汛期降低水位敞泄排沙要求，在非常死水位220 m時應(yīng)具有不低于7000 m3/s的泄流能力。2000年水平壩址設(shè)計多年平均年徑流量277.6億m3，設(shè)計年輸沙量13.5億t，平均含沙量達(dá)48.6 kg/m3，汛期 7—9月來沙量占85%。工程泥沙是小浪底工程必須妥善解決的特殊課題，特殊的防洪減淤運用方式對小浪底工程的樞紐布置和建筑物設(shè)計提出了很高的要求。

從地質(zhì)條件看，壩址區(qū)出露的地層主要為二疊系上統(tǒng)和三疊系下統(tǒng)的黏土巖和砂巖互層。壩址左岸山體溝道切割，相對比較單??；沿河谷右岸有不穩(wěn)定傾倒變形體和規(guī)模巨大的滑坡體。河床覆蓋層深達(dá)70 m以上，兩岸巖層中緩傾角泥化夾層發(fā)育。在樞紐建筑物區(qū)分布有右岸順河向 F1斷層和左岸 F28、F236、F238等大的斷裂構(gòu)造。壩址基本地震烈度為7度，要求按8度設(shè)防，并要考慮壩址上游10 km范圍內(nèi)發(fā)生6.25級水庫觸發(fā)地震的可能。

小浪底水庫是一個不完全年調(diào)節(jié)水庫，要求水庫運用方式在保證重點開發(fā)目標(biāo)的前提下，按照“合理攔排，綜合利用”的規(guī)劃思想進(jìn)行設(shè)計，最大限度地發(fā)揮多目標(biāo)綜合效益。

1.工程泥沙問題是小浪底工程設(shè)計必須妥善解決的特殊課題

黃河是世界上輸沙量最大、含沙量最高的河流，治河的關(guān)鍵在于治沙。對小浪底工程而言，工程泥沙問題主要表現(xiàn)在庫容的快速淤損，泄水建筑物進(jìn)口淤堵，高速含沙水流對建筑物流道、閘門門軌、水輪機過流部件的磨蝕，庫區(qū)及下游河道的沖淤變化等。該問題事關(guān)工程成敗，極端重要，涉及專業(yè)面很廣且十分復(fù)雜，國內(nèi)外工程實踐經(jīng)驗缺乏。

2.高含沙高速水流問題的處理對樞紐建筑物總體布置和泄洪排沙建筑物設(shè)計提出了很高要求

小浪底水庫正常蓄水位275 m，最大壩高達(dá)154 m，采用土石壩擋水。低水位（220 m）、大泄量（7000 m3/s）的運用要求，形成了泄洪排沙建筑物以隧洞為主的布置特色。9條泄洪洞泄流能力占樞紐總泄流能力的78%，最高運用水頭近140 m，高含沙高速水流問題不可避免，對水工建筑物流道結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計、閘門設(shè)計都提出了很高要求，甚至對樞紐建筑物總布置都造成很大影響和困難。

3.大規(guī)模密集洞室群圍巖穩(wěn)定問題對工程建設(shè)至關(guān)重要

小浪底工程采用進(jìn)口集中、洞線集中、出口消能集中的布置方式，即9條泄洪排沙洞、6條發(fā)電引水洞、1條灌溉引水洞和地下廠房洞群系統(tǒng)集中布置在左岸，加上灌漿、排水、交通以及附屬洞群，在左岸單薄山體內(nèi)形成了規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布密集的洞室群，地下工程總開挖量達(dá)270萬m3。其中地下廠房為最大的洞室，開挖跨度達(dá)26.2 m，高61.4 m，長251 m，采用噴錨支護(hù)柔性結(jié)構(gòu)作為永久支護(hù)。導(dǎo)流洞開挖斷面達(dá)17.2 m，3條導(dǎo)流洞穿過Ⅳ、Ⅴ類圍巖的長度超過600 m。大規(guī)模密集洞室群的圍巖穩(wěn)定不僅影響到施工期人員、設(shè)備安全也是控制截流進(jìn)度的制約條件。

另外，泄洪建筑物進(jìn)口110 m高邊坡和出口60 m順向邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，其施工期穩(wěn)定問題也是工程進(jìn)度的制約因素。

4.壩基深厚覆蓋層防滲處理是大壩設(shè)計的一大難點

小浪底大壩坐落在深度超過70 m的砂礫石覆蓋層上，由于大壩高度大、覆蓋層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，底部基巖面起伏變化大，覆蓋層的防滲處理成為大壩防滲系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，防滲墻與大壩防滲體的可靠銜接也是設(shè)計考慮的重點。地震引起的壩基砂礫石層的液化及壩體附加孔隙水壓力等都需要采取相應(yīng)的工程措施妥善解決。

5.20萬移民的生產(chǎn)性安置極具挑戰(zhàn)性

小浪底水庫的興建涉及河南、山西兩省8縣（市）近20萬人的遷移安置。開發(fā)性移民安置政策性強，涉及面廣，難度很大，當(dāng)時又無現(xiàn)成的經(jīng)驗可供借鑒，成為小浪底工程建設(shè)的一大挑戰(zhàn)性課題。

二、小浪底工程的設(shè)計創(chuàng)新與實踐

面對上述大量難題的挑戰(zhàn)，工程設(shè)計者迎難而上，針對關(guān)鍵問題開展了400余項科學(xué)試驗研究，大膽創(chuàng)新，經(jīng)大量方案比較優(yōu)選提出了技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的樞紐布置和建筑物設(shè)計方案。國內(nèi)外許多知名高校和科研單位積極參與了小浪底重大技術(shù)問題的研究。工程設(shè)計廣泛汲取了國內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)、經(jīng)驗和最新成果，國內(nèi)外多家知名咨詢公司參與了工程咨詢研究，并采取專題論證會、研討會等各種方式聽取國內(nèi)有關(guān)方面專家的意見，水利部還專門組建了由國內(nèi)最有經(jīng)驗的專家組成的小浪底工程咨詢專家組參與工程重大技術(shù)問題的研究與決策。可以說，小浪底工程的設(shè)計凝聚了國內(nèi)外許多一流專家的智慧和心血，是國內(nèi)水利水電工程設(shè)計、科研全方位協(xié)同攻關(guān)并取得輝煌成就的一個范例。

1.工程設(shè)計充分體現(xiàn)了“合理攔排、綜合興利”的規(guī)劃思想

深入研究、認(rèn)真汲取三門峽水庫規(guī)劃設(shè)計的經(jīng)驗教訓(xùn)，充分借鑒了三門峽水庫蓄清排渾運用的成功經(jīng)驗。為使小浪底水庫126.5億m3總庫容充分發(fā)揮巨大作用和效益，通過在死水位220 m設(shè)置7000 m3/s的泄流能力，汛期降低水位運用，保證一般洪水能夠敞泄出庫，汛期運用水位從205 m逐年抬高，可最終在庫內(nèi)形成高灘深槽形態(tài)。灘面高程254 m以上40.5億m3的庫容可發(fā)揮巨大的防洪作用，深槽內(nèi)10.5億m3庫容可用來調(diào)水調(diào)沙，工程設(shè)計充分體現(xiàn)了“合理攔排、綜合興利”的規(guī)劃思想。按此規(guī)劃運用，可使黃河下游20年不淤積抬升，又可保持約51億m3的長期有效庫容，非汛期蓄水興利，汛期防洪，調(diào)水調(diào)沙，為黃河的長治久安長期發(fā)揮其巨大作用。

2.集中流道，互相保護(hù)，保持進(jìn)口沖刷漏斗，成功解決引水泄水建筑物進(jìn)口的防泥沙淤堵問題

防止泥沙淤堵建筑物進(jìn)口的問題事關(guān)工程安全，涉及工程泥沙、建筑物總布置等重大問題的研究。通過深入研究黃河水沙特性和壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，并開展大量的試驗，形成了具有鮮明特色的小浪底水庫泄洪排沙建筑物布置方案。所有泄洪排沙發(fā)電引水建筑物均集中布置在左岸一字排開的10座進(jìn)水塔內(nèi)，形成低位排沙、中部引水、高位排污溢洪的布置格局。在平面上，排沙、泄洪進(jìn)口的布置力求在270 m的進(jìn)水前緣能相互保護(hù)，泄流量分配力求合理搭配，以適應(yīng)不同的泄流運用要求。充分利用地形條件，進(jìn)口流道布置為側(cè)向入流，并設(shè)置必要的導(dǎo)水墻，使水流在進(jìn)水塔前形成一個反時針回流，保證不同量級的洪水在進(jìn)水塔前形成且維持一個以排沙洞和孔板洞進(jìn)口為底、規(guī)模較大的沖刷漏斗，在適宜的水沙條件下進(jìn)行異重流排沙。

為確保進(jìn)口安全，還采取了在閘門前設(shè)置高壓水槍、加強進(jìn)水塔前水下地形觀測等輔助措施，一旦發(fā)生由于地震、水位驟降等不利工況引起泥沙淤堵，可在高壓水槍的幫助下保證閘門自上而下全部安全提起。

3.多級孔板消能泄洪洞的采用為高速水流消能和導(dǎo)流洞的永久利用開辟了一條嶄新途徑

由于小浪底水利樞紐采用土石壩擋水，泄水引水建筑物全部布置在左岸相對單薄的山體內(nèi)且要求低水位大泄量，泄水洞最大運用水頭達(dá)140 m。低位明流洞方案必須對付45 m/s的高速含沙水流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有工程實踐，而低位大直徑壓力洞若用鋼板襯砌，洞內(nèi)流速將受到很大限制，工程投資將大大增加。

經(jīng)大量科學(xué)試驗研究論證，小浪底水利樞紐采用了極具特色的孔板消能泄洪方案。3條直徑14.5 m的導(dǎo)流洞在完成導(dǎo)流任務(wù)后設(shè)龍?zhí)ь^段將進(jìn)口抬高至175 m，洞身加設(shè)3級孔板，孔板后設(shè)置弧形控制閘門。高水位運用時3級孔板可消能達(dá)50 m水頭，經(jīng)控制閘室后形成明流狀態(tài)，可控制最大流速不超過34 m/s，一般不超過30 m/s。多級孔板消能技術(shù)將大直徑低位洞內(nèi)高含沙水流的流速控制在工程技術(shù)允許條件之內(nèi)，從而成功解決了導(dǎo)流洞重復(fù)利用問題，避免了重新開洞帶來布置上的極大困難，使得孔板消能泄洪洞、明流泄洪洞、排沙洞組合泄洪方案成為可能，使小浪底工程樞紐布置走出了困境。

多級孔板消能方式的成功采用為大直徑水工隧洞的洞內(nèi)消能、大型水電站導(dǎo)流洞重復(fù)利用等闖出了一條新的道路。

4.建造在深厚覆蓋層上的帶內(nèi)鋪蓋的壤土斜心墻堆石壩將堆石壩設(shè)計水平推上了一個新臺階

經(jīng)過多年研究論證，并經(jīng)現(xiàn)場試驗，壩基采用厚1.2 m的混凝土防滲墻，其最大造孔深度81.9 m，防滲墻底嵌入基巖1～2 m，墻頂插入心墻12 m。大壩壩型及防滲設(shè)計具有如下特點：①壩基防滲采用以垂直防滲為主、水平防滲為輔的雙重防滲體系，提高了大壩防滲的可靠性；②上游堆石壩壩殼體積大大增加，保證了壩體抗滑穩(wěn)定性和抗震性能；③內(nèi)鋪蓋采用上爬式，消除了壩體下部軟弱帶，提高了上游壩坡穩(wěn)定性；④主壩混凝土防滲墻移至斜心墻下，與斜墻壩相比，大壩防滲線縮短，帷幕灌漿進(jìn)尺大大減少；⑤上游圍堰采用斜墻與上爬式內(nèi)鋪蓋銜接，減小了施工難度，縮短了施工工期。

小浪底大壩的設(shè)計充分適應(yīng)了壩址地質(zhì)地形特點和建筑材料條件，又反映和利用了黃河多泥沙特點。小浪底大壩的成功建設(shè)使我國深厚覆蓋層防滲處理技術(shù)和堆石壩設(shè)計施工水平上了一個大臺階。利用水庫淤積體和大壩主防滲體連接作為輔助防滲體系的設(shè)計思想，為多泥沙河流上大壩防滲設(shè)計提供了一個重要的技術(shù)思路。

5.在不良地質(zhì)條件下成功設(shè)計了世界最大跨度的地下廠房

小浪底水電站裝設(shè)了6臺單機容量300 MW的混流式水輪發(fā)電機組，設(shè)計水頭112 m，單機最大過流量300 m3/s。地下廠房建造在T14沉積砂巖中，廠房跨度26.2 m，長 251 m，最大開挖深度61.4 m。設(shè)計大量采用國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，包括頂拱在內(nèi)均采用了錨噴柔性支護(hù)作為永久支護(hù)方案。為處理頂拱圍巖連續(xù)的泥化夾層，大量采用了大噸位雙層保護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索；巖壁吊車梁設(shè)計荷載達(dá)1000 t，經(jīng)過超凈載25%和動載10%的試驗，工作狀態(tài)良好。小浪底地下廠房是我國在砂頁巖不良地質(zhì)條件下建造的最大的地下廠房，經(jīng)過建設(shè)期和10年運行期的考驗，各項監(jiān)測指標(biāo)正常，運行安全可靠。

6.排沙洞采用雙圈纏繞無黏接后張預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌，填補了該技術(shù)在國內(nèi)的空白，具有廣闊的推廣前景

小浪底壓力式排沙洞設(shè)計水頭122 m，為了防止高壓水滲漏影響左岸單薄山體的穩(wěn)定，設(shè)計對鋼板襯砌、復(fù)合襯砌等方案進(jìn)行了大量研究，均因工程造價高、施工復(fù)雜、工期長而難以采用。為此專門從國外引進(jìn)了預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)，經(jīng)過大量的試驗研究和方案論證，最終確定采用雙圈纏繞無黏接混凝土襯砌結(jié)構(gòu)并付諸實施。該襯砌方案較鋼板襯砌方案節(jié)省投資達(dá) 1.5億元人民幣，較有黏接預(yù)應(yīng)力襯砌方案僅材料費就節(jié)省約1280萬元人民幣。

無黏接預(yù)應(yīng)力襯砌技術(shù)的應(yīng)用滿足了各項設(shè)計原則，防止了高壓水外滲，確保了整個左岸山體、洞群穩(wěn)定乃至整個樞紐的正常運行，為高含沙、多泥沙河流上類似工程的設(shè)計和實施提供了寶貴經(jīng)驗。無黏接結(jié)預(yù)應(yīng)力襯砌技術(shù)在小浪底泄洪排沙洞中的提出和成功應(yīng)用皆為國內(nèi)首創(chuàng)，雙圈無黏接預(yù)應(yīng)力襯砌技術(shù)則為世界首創(chuàng)，使我國在該領(lǐng)域的技術(shù)研究和設(shè)計應(yīng)用水平躋身國際領(lǐng)先行列。

7.采取綜合措施成功解決電站的汛期發(fā)電問題

小浪底水電站處在黃河最不利的多沙河段，泥沙對引水建筑物進(jìn)口的淤堵，對流道、閘門門軌和水輪機過流部件的磨蝕等對電站運行十分不利，電站的技術(shù)供水、污物處理相對復(fù)雜，還有泄洪時泥霧影響等問題。在工程論證期間，不少專家對小浪底電站汛期能否正常發(fā)電、能否發(fā)揮預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益心存疑慮。

通過開展大量的科學(xué)試驗，認(rèn)真總結(jié)黃河上已建電站的經(jīng)驗教訓(xùn)，提出了保障汛期發(fā)電的一系列綜合措施，主要包括：①按照合理攔排、綜合興利的規(guī)劃思想，優(yōu)化運用調(diào)度方式，盡量減少過機泥沙；②樞紐布置充分考慮防沙要求，并采取多種技術(shù)手段，保證發(fā)電引水不受泥沙淤堵；③采取降低安裝高程、設(shè)置筒形閥等多種技術(shù)措施，選用新型低參數(shù)抗磨水輪機，采用國際上最先進(jìn)的水輪機設(shè)計、制造技術(shù)，對材料和工藝提出嚴(yán)格要求，并設(shè)置可互換的備用轉(zhuǎn)輪等；④采取綜合措施包括設(shè)置專用技術(shù)供水水源、設(shè)置防淤閘、主變壓器布置在地下、開關(guān)站的布置避開夏季主導(dǎo)風(fēng)向等，以保證主要電氣設(shè)備不受泥霧影響。采取綜合措施后可保證一般情況下正常發(fā)電，只有在遭遇極端不利的水沙條件下才可能出現(xiàn)極短時間的停機。

三、小浪底水利樞紐的建成運用揭開了黃河治理開發(fā)的新篇章

小浪底水利樞紐1999年10月25日水庫下閘蓄水以來，已安全度過了10個汛期，截至2009年年底，水庫最高運用水位265.69 m，在水位250 m以上運用958天，在水位260 m以上運用192天，均經(jīng)受了較長時段、較高水位的運行考驗，樞紐各主要建筑物運行正常，主設(shè)備完好率達(dá)到100%，輔助設(shè)備完好率達(dá)到98%以上，電能質(zhì)量合格率連續(xù)4年達(dá)到100%。

小浪底水利樞紐投入運用10年來，對確保下游防洪安全發(fā)揮了巨大作用。2002年以來進(jìn)行了10次調(diào)水調(diào)沙，使黃河下游主槽行洪排沙能力顯著提高，平灘流量從1800 m3/s提高到4000 m3/s，“二級懸河”不斷加劇的形勢得到遏制并逐步改善，減輕了洪水威脅，對黃河下游灘區(qū)群眾生產(chǎn)生活、經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定等方面發(fā)揮了巨大的作用。通過科學(xué)調(diào)度，基本滿足了工業(yè)及生活用水需求，農(nóng)業(yè)灌溉關(guān)鍵期用水得到保證。確保了黃河不斷流，維持了黃河水系的完整，下游水質(zhì)明顯改善，十分有助于河流生態(tài)系統(tǒng)功能的維持，并使河口生態(tài)系統(tǒng)逐步得到改善。小浪底水電站已成為河南電網(wǎng)不可或缺的擁有巨大發(fā)電和調(diào)峰能力的骨干電源。小浪底水利樞紐已初步發(fā)揮了顯著的社會、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益，揭開了黃河治理開發(fā)的新篇章。

多年的治黃實踐表明，水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是黃河難治的根本癥結(jié)所在。要解決黃河下游防洪減淤問題，必須標(biāo)本兼治，遠(yuǎn)近結(jié)合，采取“攔、排、放、調(diào)、挖”，工程與非工程綜合措施，抓緊建設(shè)并完善黃河水沙調(diào)控體系。希望在不久的將來，隨著水沙調(diào)控體系中古賢水利樞紐等骨干工程的投入，與小浪底水利樞紐聯(lián)合調(diào)度，調(diào)控水沙，小浪底水利樞紐必將發(fā)揮出更大的綜合效益，為黃河治理和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。