引漢濟渭工程三河口水利樞紐壩型選擇研究

趙 瑋

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

引漢濟渭工程是陜西省內(nèi)最大的跨流域調(diào)水工程，為Ⅰ等大（1）型工程，三河口水利樞紐為其兩個水源工程之一，是整個引漢濟渭工程的調(diào)蓄中樞。樞紐地處漢中市佛坪縣與安康市寧陜縣交界的秦嶺山脈中部子午河中游峽谷段，在椒溪河、蒲河、汶水河交匯口下游2km處。水庫總庫容7.1億m3，調(diào)節(jié)庫容6.62億m3，正常蓄水位643m，汛限水位642m，正常運行死水位558m，特枯水年運行死水位544m。其主要任務(wù)是調(diào)蓄子午河來水與漢江干流不能直供受水區(qū)的水量，結(jié)合發(fā)電。

2 壩址條件

2.1 地形、地質(zhì)條件

三河口水利樞紐壩址處河床高程525m，河谷呈“V”型發(fā)育，河谷寬度50m～100m之間，河谷狹窄，兩岸坡度35°～55°，大部分基巖裸露，地形基本對稱，地層主要為變質(zhì)砂巖夾薄層結(jié)晶灰。

左岸巖石強風(fēng)化厚度5m～14m，弱風(fēng)化厚度12m～29m，左岸發(fā)育有3條斷層，與壩軸線近正交，影響帶寬度3m～6m，河床覆蓋層厚6.5m～7.2m，下伏基巖無大的深槽分布，強風(fēng)化厚度1.5m～2.5m，弱風(fēng)化厚度6m～14.4m。壩基分布有1條斷層，與壩軸線斜交，影響帶寬度1m～3m，右岸巖石強風(fēng)化厚度6m～14.5m，弱風(fēng)化厚度19m～35m，右岸發(fā)育有2條斷層，與壩軸線斜交，影響帶寬度1m～5m。弱風(fēng)化、微風(fēng)化巖塊飽和抗壓強度大于60MPa，弱風(fēng)化及以下壩基以弱透水為主，壩址地質(zhì)條件較好。

2.2 氣象、水文條件

子午河流域?qū)俦眮啛釒駶?、半濕潤氣候區(qū)。壩址多年平均氣溫12.3℃，極端最高氣溫37.4℃，最低氣溫-16.4℃。多年平均降水量903mm，降水主要集中在汛期，5月～10月降水量占全年降水量的84.5%。多年平均蒸發(fā)量1214mm，多年平均日照時數(shù)1603h，多年平均相對濕度78%，多年平均最大風(fēng)速9.1m/s，土層凍結(jié)期為11月到次年3月，最大凍土深度13cm。

子午河屬山溪性河流，主要流經(jīng)秦嶺深山區(qū)，流域內(nèi)植被良好，林木茂密，森林覆蓋率達70%，水土流失輕微。流域的徑流主要是由降雨形成，其水情隨降雨的變化而變化，洪水由暴雨形成，洪水最早出現(xiàn)在4月，最遲出現(xiàn)在11月，年最大洪水較多出現(xiàn)在7月～9月，洪峰流量大。壩址10年一遇洪峰流量2550 m3/s，500年一遇洪峰流量 7180 m3/s，2000年一遇洪峰流量8870m3/s。

3 工程任務(wù)和樞紐布置要求

引漢濟渭工程在漢江干流黃金峽和支流子午河分別修建水源工程黃金峽水利樞紐和三河口水利樞紐蓄水，在黃金峽水利樞紐庫區(qū)左岸修建黃金峽泵站，抽干流水通過秦嶺輸水隧洞（黃三段）輸水至三河口水利樞紐壩后右岸匯流池，所抽水的大部分通過匯流池直接進入秦嶺輸水隧洞（越嶺段）送至關(guān)中地區(qū)，少量水（黃金峽泵站抽水流量大于關(guān)中用水流量部分）經(jīng)匯流池由三河口水利樞紐泵站抽水入三河口水利樞紐水庫存蓄，當黃金峽泵站抽水流量較小，不滿足關(guān)中地區(qū)用水需要時，由三河口水利樞紐放水補充，所放水經(jīng)匯流池進入秦嶺輸水隧洞（越嶺段）送至關(guān)中地區(qū)。

三河口水利樞紐具有供水調(diào)節(jié)及發(fā)電作用，其調(diào)蓄庫容占引漢濟渭工程總調(diào)蓄庫容的90.6%，調(diào)節(jié)其壩址控制的子午河與漢江黃金峽水利樞紐的水量，完成引漢濟渭工程1/3左右的調(diào)水任務(wù)，位于整個調(diào)水線路上的中間位置，自流供水，具有“承上啟下”作用，不僅為引漢濟渭工程提供必要的水源補充，而且是調(diào)水工程中主要調(diào)蓄功能的樞紐，在引漢濟渭調(diào)水工程中起著關(guān)鍵性的作用。在滿足調(diào)蓄和供水任務(wù)的前提下，三河口水利樞紐“以水定電”，利用水庫供水、河道生態(tài)水量、水庫下泄水量進行發(fā)電，增加工程效益，每年發(fā)電1.15億kW·h。

為實現(xiàn)三河口水利樞紐的任務(wù)，樞紐布置要考慮擋水、泄洪、供水、抽水和發(fā)電及生態(tài)用水等要求。經(jīng)過綜合研究，樞紐布置應(yīng)包括攔河大壩、泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)、壩抽水泵站、連接洞（連接三河口水利樞紐與秦嶺水隧洞）及生態(tài)放水建筑物。

4 壩址適宜壩型分析

壩型選擇是水利樞紐工程設(shè)計的重大技術(shù)問題，設(shè)計采用的壩型是否恰當，對工程任務(wù)的實現(xiàn)，對工程安全、環(huán)境、經(jīng)濟、施工、運行等均有很大的影響。合理的壩型可以便于施工布置和節(jié)省工期，可以使擋水、泄洪、供水、發(fā)電、生態(tài)放水等建筑物布置各得其所，在很好地滿足各建筑物發(fā)揮其功能性要求的同時，使工程建筑物部分的投資最小。在每種比選壩型均可以滿足工程安全的前提下，壩型最終的選定反映了建筑物布置與地形地質(zhì)、環(huán)境等條件的和諧及工程的經(jīng)濟性。

壩址處洪峰流量大，地形地質(zhì)條件較好，工程區(qū)天然建筑材料較為豐富，砂石料分布多，質(zhì)量滿足要求，土料分布零散且粘粒含量偏高，天然密度偏大，易結(jié)塊。根據(jù)壩址客觀條件，漿砌石壩施工緩慢，不宜建高壩，土壩由于土料分散、質(zhì)量不好，且開采對當?shù)刈匀画h(huán)境影響大，不宜采用?？陀^分析，混凝土拱壩、重力壩和面板堆石壩在此壩址均可以適用。

5 壩型選擇

5.1 混凝土拱壩方案

混凝土拱壩方案的主要建筑物由混凝土拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、壩后引水系統(tǒng)、泵站、電站和連接洞等六部分組成。

混凝土雙曲拱壩，壩頂高程646.0m，最大壩高145m，壩頂寬10m，壩頂弧長476.272m。壩身布置3個泄洪表孔和2個泄洪放空底孔，表孔孔口尺寸15m×15m，底孔布置在550m高程，分設(shè)在表孔兩側(cè)，孔口尺寸4m×5m（寬×高）。壩下游消力塘長200m，寬 60m。

引水系統(tǒng)進水口布置于壩身右岸側(cè)壩體中，設(shè)計引水流量72.71m3/s。進水口下游側(cè)接壓力主管道，主管道“卜”型分岔，分別接電站機組和減壓閥。電站廠房垂直于河道布置，與減壓調(diào)流閥共用一個進水口和主管。主廠房內(nèi)安裝3臺混流式發(fā)電機組。尾水池布置于尾水平臺下游側(cè)，尾水池也是下游側(cè)泵站的前池。泵站緊挨電站廠房下游布置，泵站設(shè)計抽水流量為18m3/s，設(shè)計揚程97.7m。泵站共安裝3臺臥式雙吸離心水泵電動機組。連接洞一端與秦嶺輸水隧洞控制閘相接，另一端與泵站前池（電站尾水池）相連，總長度293.34m，平底、無壓洞設(shè)計。

5.2 混凝土重力壩方案

混凝土重力壩方案主要建筑物由混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、壩后引水系統(tǒng)、泵站、電站和連接洞等六部分組成。

重力壩壩頂高程同拱壩方案，均為646.0m，最大壩高為145m，壩頂寬10m，壩頂長度369.5m，其中非泄洪壩段長度為290.5m（左岸 140m，右岸 150.5m），泄洪壩段長度為79m。泄洪建筑物為壩頂中部的開敞式3個泄洪表孔和底部的2個泄洪放空底孔，壩下游設(shè)消力塘，孔口尺寸與拱壩方案相同。

壩后引水系統(tǒng)進水口布置于壩身右岸側(cè)壩體中，進水口下游側(cè)接壓力主管道，主管道“卜”型分岔，分別接電站機組和減壓閥。電站布置于壩后右岸，與減壓調(diào)流閥共用一個進水口和主管。廠房裝機3臺混流式水輪發(fā)電機組。泵站采用壩內(nèi)布置方案，廠房布置于大壩挑流鼻坎下混凝土壩體內(nèi)，主廠房中心線距壩軸線110m。泵站采用側(cè)向母管進水，側(cè)向母管出水。泵站進水池（與壩后電站尾水池共用）布置于右壩段壩后，由連接控制閘的連接洞引水。連接洞長度313m，連接洞布置型式及斷面尺寸與混凝土拱壩方案基本相同，此處不再贅述。

5.3 混凝土面板堆石壩方案

混凝土面板堆石壩方案的主要建筑物由混凝土面板堆石壩、左岸開敞式溢洪道、左岸泄洪放空洞、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)、壩后右岸泵站和連接洞等六部分組成。

面板堆石壩壩頂高程確定為648.0m，壩頂長325m，壩頂寬10m，最大壩高136m。上、下游壩坡均為1∶1.4。壩體從上游向下游依次分有：礫石蓋重區(qū)、壤土鋪蓋區(qū)、防滲面板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)以及干砌石護坡和下游堆石棱體。大壩主要采用爆破堆石料填筑，同時由于本方案的石料開挖量較大，次堆石區(qū)采用建筑物開挖石料填筑，墊層區(qū)和過渡區(qū)水平寬度為4m，等厚布置，下游干砌石護坡厚度為0.6m，下游堆石棱體頂高程540.5m，頂寬10m，上下游坡比均為1∶1.4。

溢洪道布置在左岸壩端，控制段總寬50m，進口溢流堰凈寬3m×12m，溢洪道總長525m，設(shè)計洪水位下泄流量4036m3/s，校核洪水位下泄流量5260m3/s，最大單寬流量150.3m3/s，溢洪道出口挑流消能。

泄洪放空洞位于大壩左岸，長704.24m，進水口高程550m，孔口尺寸為8m×9m（寬×高），設(shè)計洪水位下泄流量2525m3/s，校核洪水位下泄流量2570m3/s。出口采用挑流消能。

引水隧洞布置在大壩右岸山體內(nèi)，采用塔式進水口，放水塔后接壓力洞，洞段總長360m，內(nèi)徑4.5m，隧洞段末接長30m壓力鋼管段，在壓力管道上分別設(shè)電站和減壓調(diào)流閥岔管。電站廠房布置于大壩下游右岸邊坡上，廠房軸線垂直河道布置，與泵站廠房成“丁”字型。泵站廠房垂直河道布置在壩后消力池右岸電站下游側(cè)，泵站主廠房中心線距混凝土面板壩壩軸線305.26m。泵站由控制閘經(jīng)長242.50m的連接洞引水側(cè)向接入泵站進水池。根據(jù)泵站與秦嶺隧洞相對位置，該方案三河口控制閘位置與拱壩方案控制閘位置相比需沿秦嶺隧洞黃三段洞線向上游側(cè)移動約110m。該方案連接洞長度242.50m，布置形式及尺寸與混凝土拱壩方案基本一致，此處不再贅述。

5.4 壩型選擇

對三種不同壩型的選擇，需根據(jù)壩址處的地形地質(zhì)、樞紐布置、施工、建筑材料、環(huán)境影響和工程投資等，進行綜合比較分析，以選出相對較優(yōu)的壩型。

5.4.1 地形地質(zhì)

壩址河谷呈“V”型發(fā)育，河床漫灘寬79m～87m。兩岸基本對稱，山體雄厚，基巖裸露。左岸自然坡角35°～55°，右岸自然坡角45°～50°，設(shè)計壩頂高程河谷寬325m。從地形條件上看，最適合修建拱壩，其次是重力壩和面板堆石壩。從工程布置上看，由于拱壩和重力壩均采用相同的壩身泄洪的布置型式，結(jié)構(gòu)相對緊湊，布置簡單，而面板堆石壩方案由于建筑物較多，也無有利的地形條件，布置相對困難，對施工及今后的管理運行均帶來一定的不便。

壩址具備興建拱壩、混凝土重力壩、面板堆石壩的基本地質(zhì)條件。但又由于各種壩型本身的特點，地質(zhì)條件對其影響也不相同。其中面板堆石壩對地質(zhì)的要求最低，其次是重力壩，而拱壩對地質(zhì)的要求最高，受壩址處斷層、不利結(jié)構(gòu)面的影響也最大，相應(yīng)的處理工程量也是最大的。

5.4.2 樞紐布置

混凝土拱壩和重力壩方案樞紐建筑物由大壩、壩身泄洪系統(tǒng)、電泵站等組成，壩體本身布置簡潔、緊湊。重力壩方案電站布于壩后、泵站布于挑流鼻坎下，總體布置相對最為簡潔、緊湊?；炷撩姘宥咽瘔畏桨笜屑~建筑物由大壩、溢洪道、泄洪洞、電泵站等組成，獨立建筑物相對較多，整體結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，相對其他壩型最難布置。

5.4.3 施工

本工程樞紐布置相對集中，壩區(qū)無集中布置臨時施工場地的位置，但相對來說，由于面板堆石壩方案的建筑物較多，且壩體施工要求施工場地面積較大，因此施工布置安排最為不利。另外，幾種壩型的施工導(dǎo)流方案均為隧洞導(dǎo)流全年圍堰，但面板堆石壩方案的導(dǎo)流洞最長。根據(jù)施工進度安排，混凝土拱壩方案施工總工期需58個月，混凝土重力壩方案施工總工期需60個月，混凝土面板堆石壩方案施工總工期需55個月?；炷凉皦问┕すて谳^混凝土面板堆石壩方案長，較混凝土拱壩方案短。

由于拱壩和重力壩方案主要用料為水泥、粉煤灰等，需外運采購，但壩址區(qū)交通運輸可以得到保證，相對重力壩對外依賴最大。三種壩型的施工技術(shù)均成熟，無技術(shù)難點。

5.4.4 建筑材料

本工程天然砂石料可以滿足混凝土壩對天然建材的需求，料場均有簡易公路相通，運輸條件較好。石料滿足設(shè)計用料要求，且位于簡易公路邊，運輸條件良好，開采場地較為開闊，同時混凝土面板壩方案建筑物的開挖棄料相對豐富，可直接作為壩體填筑料源。從建筑材料來看，對天然料需求量最大的是面板壩，其次是重力壩，拱壩最小。

5.4.5 環(huán)境影響

面板堆石壩方案工程量及建筑物開挖量最大，雖能利用部分開挖石料，但棄料仍較大，對工程當?shù)刂脖黄茐暮铜h(huán)境影響也較大。

5.4.6 工程投資

根據(jù)投資估算，三種壩型的建筑工程投資費分別為：拱壩方案124324.25萬元，重力壩方案137684.38萬元，混凝土面板堆石壩方案131771.64萬元?；炷凉皦畏桨竿顿Y節(jié)省。

5.4.7 比選結(jié)論

壩址地形地質(zhì)條件對各壩型無明顯制約，在樞紐布置上拱壩和重力壩的結(jié)構(gòu)均相對緊湊，施工上各有優(yōu)缺點，但由于拱壩的工程量最小，所以在施工干擾、環(huán)境影響、節(jié)能方面占有優(yōu)勢，特別是拱壩的工程部分投資相對重力壩方案和面板堆石壩方案少20754.50萬元、17370.87萬元，具有明顯優(yōu)勢。因此，將混凝土拱壩做為三河口水利樞紐推薦壩型。

6 結(jié)語

在實際工程中，沒有選擇修建哪種壩型，必須從地形地質(zhì)條件、筑壩材料、工程布置、施工條件、環(huán)境影響和工程投資等方面進行全面分析比較。利用土石材料筑壩，可以節(jié)省水泥，減少外來物資的運輸量，對壩址地質(zhì)條件要求較低。重力壩對地質(zhì)的要求較拱壩低而較土石壩高。除擋水外，重力壩壩體還可用來布置泄洪、引水建筑物，有時還可在壩體內(nèi)設(shè)置廠房，因而可充分利用河床布置樞紐建筑物，抗超標準洪水的能力強，有較高的安全性。但混凝土重力壩壩體混凝土量大，耗用水泥較多，為保證質(zhì)量，澆筑時需采取一定的溫控措施。拱壩壩體剖面小，水泥用量少，抗震性能好，超載能力強，但地基變形、溫度變化及混凝土收縮對壩體應(yīng)力的影響較大。

隨著我國壩工技術(shù)的發(fā)展，對于三河口水利樞紐來說，無論選擇哪種壩型，都不存在難以解決的設(shè)計和施工技術(shù)問題。在現(xiàn)有的地形地質(zhì)條件下，影響壩型選擇的主要是環(huán)境影響和投資因素。陜西水利

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