旭龍水電站樞紐布置設(shè)計(jì)研究

孔凡輝 黃紅飛 王維浩 熊堃

摘要：為整體提高旭龍水電站主體工程的安全可靠性與經(jīng)濟(jì)環(huán)保性，通過對大壩、泄洪消能、地下廠房等建筑物布置的深入研究與方案比選，使樞紐主要建筑物避開不良地質(zhì)構(gòu)造范圍，并利用優(yōu)良的河床壩基與右岸地下電站圍巖條件，確定了河床布置混凝土雙曲拱壩、采用全壩身泄洪3表孔加4中孔，右岸布置地下廠房，左岸布置導(dǎo)流洞的緊湊樞紐布置格局。該方案降低了邊坡開挖高度，減小對工程區(qū)環(huán)境影響，優(yōu)化減少工程占地面積與開挖等土建工程量，顯著節(jié)省了工程投資，充分體現(xiàn)了環(huán)保設(shè)計(jì)理念，可為《長江保護(hù)法》實(shí)施后的水電站樞紐布置設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：樞紐布置； 拱壩； 長江保護(hù)法； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV73

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.002

文章編號：1006-0081（2024）05-0008-06

0 引言

旭龍水電站是金沙江上游河段“一庫十三級”梯級開發(fā)方案中的第12級，是“十四五”期間開工建設(shè)裝機(jī)規(guī)模最大的水電站，也是《長江保護(hù)法》實(shí)施以來第一個核準(zhǔn)的大型水電站項(xiàng)目，工程建設(shè)需要妥善解決壩區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求高等難題［1-3］。

樞紐布置作為工程勘察設(shè)計(jì)研究中重大關(guān)鍵技術(shù)問題之一，相較于以往水電站技術(shù)論證方式［4-6］，旭龍水電站更加注重貫徹生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展理念。本文結(jié)合壩區(qū)水文氣象特征、地形地質(zhì)等條件，開展了壩型壩線、泄洪消能、引水發(fā)電系統(tǒng)、導(dǎo)流方案等樞紐建筑布置方案綜合比選，確定了建設(shè)條件便利、工程經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、生態(tài)環(huán)境有充分保障的樞紐布置方案。

1 工程概況

旭龍水電站工程位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段。工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，并促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。水庫總庫容8.47億m3，電站總裝機(jī)容量2 400 MW，為Ⅰ等大（1）型工程。樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、地下引水發(fā)電系統(tǒng)及過魚設(shè)施等組成。拱壩最大壩高213 m，泄水建筑物全壩身布置，由3個泄洪表孔、4個泄洪中孔和1個生態(tài)放水孔組成，壩下設(shè)水墊塘消能，右岸布置引水發(fā)電系統(tǒng)與過魚設(shè)施，左岸布置導(dǎo)流洞。樞紐布置如圖1所示。

2 樞紐布置條件

旭龍水電站所在金沙江干流上游河段，屬于典型干熱河谷氣候，壩址處于高地震烈度區(qū)，河流總體順直，河谷狹窄，岸坡高陡。

2.1 水文氣象

金沙江上游流域?qū)俑咴瓪夂騾^(qū)，氣候特征具有明顯的地區(qū)、時(shí)間差別。工程區(qū)多年平均氣溫14.8 ℃，多年平均降水量336.2 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為1 530.5 mm。

旭龍水電站壩址處徑流年際變化較大，多年平均流量990 m3/s，徑流量313億m3。徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期（6～10月），約占全年的76.5%。壩址洪水主要來源于降水和融雪，1 000 a一遇洪峰流量為9 970 m3/s，相對其他高壩大庫水電站工程，洪峰流量較小。

2.2 地形地質(zhì)

旭龍水電站地處青藏高原強(qiáng)烈隆起區(qū)，區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育、規(guī)模大、活動性較強(qiáng)［7］。工程區(qū)基本烈度為Ⅷ度，大壩校核地震峰值加速度達(dá)0.497g，為同期在建水電站最高。

旭龍壩址為典型的“V”形谷，壩頂高程2 308 m，河谷寬度約350 m。大壩所在河段總體順直，兩岸邊坡呈多級山脊態(tài)勢且走向與金沙江流向基本一致。壩基巖體以印支期花崗巖為主，左岸下游側(cè)為斜長角閃片巖，右岸上游側(cè)為混合巖。河床分布一定厚度覆蓋層，主要為碎塊石或漂卵石夾礫砂，下伏基巖為花崗巖及少量混合巖條帶，巖石堅(jiān)硬、弱風(fēng)化至微新狀。

孔凡輝 等旭龍水電站樞紐布置設(shè)計(jì)研究

壩址處兩岸岸坡巖體普遍存在往臨空方向卸荷特點(diǎn)，存在多處強(qiáng)卸荷松弛區(qū)，分布高程較高。兩岸各級岸坡處還分布有堆積體，其中以位于二級岸坡處的堆積體規(guī)模最大，影響下部大壩及水墊塘等工程安全。

規(guī)模較大的區(qū)域性斷裂主要分布于壩址河段以外，選壩河段地質(zhì)平面示意見圖2。建壩河段上、下游橫江發(fā)育規(guī)模較大的F2、F1斷層，兩斷層相距約850 m。該范圍作為推薦壩址區(qū)，在兩岸主要分布有斷層、裂隙、緩傾角結(jié)構(gòu)面等。

大壩左岸裂隙相對發(fā)育，沿?cái)鄬臃植加幸粭l裂隙密集帶，山體內(nèi)部花崗巖與片巖接觸部位一定寬度內(nèi)，片巖產(chǎn)生了滑動，形成片巖與花崗巖接觸帶。大壩右岸斷層、裂隙分布無明顯分區(qū)性，以橫河向斷層為主，中、緩角斷層相對發(fā)育較少，壩肩附近沿?cái)鄬影l(fā)育有云母富集帶。壩址區(qū)主要巖體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

3 壩型壩線比選

3.1 壩型選擇

旭龍水電站壩址區(qū)兩岸巖體強(qiáng)度高，具有一定的整體性，河床覆蓋層不深，可修建200 m以上高壩。

壩址區(qū)河谷狹窄，兩岸地形具備較好對稱性，邊坡整體穩(wěn)定，未卸荷巖體完整堅(jiān)硬，但局部存在云母富集帶、裂隙密集帶以及斷層、裂隙等地質(zhì)缺陷。壩基主要坐落在花崗巖上，具備修建高拱壩的條件，部分?jǐn)鄬拥冉Y(jié)構(gòu)面經(jīng)常規(guī)處理后滿足大壩及拱座穩(wěn)定要求。

同時(shí)，壩基部位長大緩傾角裂隙不發(fā)育，也具備修建200 m以上高混凝土重力壩的條件，考慮到碾壓混凝土重力壩較常態(tài)混凝土重力壩工期短、投資省、溫控難度低、壩體橫向分縫更適應(yīng)高陡岸坡地形條件，采用碾壓混凝土重力壩［8］作為比選壩型。

對于面板堆石壩而言，河床覆蓋層厚約30 m，趾板可落于基巖上，具備建壩條件。需設(shè)岸邊開敞式溢洪道，壩址河道順直，兩岸無埡口，壩頂高程附近亦無寬緩臺地，溢洪道只能貼岸坡開挖形成。因洪水泄量相對不大，開挖規(guī)模較小且與壩體填筑量基本平衡，面板堆石壩［9］也是可行的比選壩型。

對混凝土拱壩、碾壓混凝土重力壩和混凝土面板堆石壩等3種壩型方案進(jìn)行比較：面板堆石壩在溢洪道開挖及泄洪消能方面對壩址區(qū)周邊地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)性較差且樞紐布置受限，混凝土拱壩及重力壩在布置擋、泄水建筑物方面具有布局緊湊的優(yōu)勢，各壩型對應(yīng)的引水發(fā)電建筑物布置條件相同。工程位于高地震區(qū)，拱壩的抗震性能與超載能力強(qiáng)于其他兩種壩型。

從施工角度而言，重力壩混凝土澆筑強(qiáng)度最高，石料場開采量較大。從總體來看，拱壩方案的樞紐建筑布局及邊坡開挖范圍最小，所需料場等施工場地及建材較少，對施工區(qū)及工程區(qū)周邊環(huán)境影響最低。各方案對比見表2，其中拱壩方案總投資最低，重力壩方案最高。

經(jīng)過綜合分析，拱壩方案具有樞紐布置條件優(yōu)良、工程占地面積相對較小、大壩抗震性能好、所需建材較少、混凝土澆筑強(qiáng)度不大、施工布置條件較優(yōu)、對環(huán)境影響小、對水土保持有利等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此選擇拱壩作為旭龍水電站推薦壩型。

3.2 壩線比選

通過分析旭龍水電站壩址區(qū)拱壩布置條件，考慮將大壩和主廠房洞室盡量布置于花崗巖范圍內(nèi)，并盡量遠(yuǎn)離左岸片巖與花崗巖接觸帶以及右岸云母富集帶，減小其對壩肩變形及抗滑穩(wěn)定的影響，在F1和F2兩條斷層之間、花崗巖出露范圍內(nèi)擬定分別相距100 m的上、中、下3條壩線。

3條壩線樞紐布置格局基本一致，從下游向上游，河谷逐漸變寬，樞紐建筑工程量相應(yīng)增加。以上壩線拱壩工程量最大，右岸壩肩還存在云母富集帶，處理難度較大。下壩線工程量較中壩線略小，但左岸大壩拱端距片巖與花崗巖接觸帶及附近斷層較近，拱座穩(wěn)定問題相對突出。上、中、下3條壩線方案比選示意見圖3。

中、下壩線地下廠房洞室圍巖主要為花崗巖，洞室穩(wěn)定性高，主廠房軸線方向與最大水平主應(yīng)力交角小，布置條件優(yōu)于上壩線。施工條件方面，上壩線導(dǎo)流洞進(jìn)口布置受F2斷層影響，難度較大。在料源規(guī)劃、施工強(qiáng)度、施工場地、對外交通及運(yùn)輸?shù)绕渌矫妫?條壩線方案基本相同。

中壩線在大壩開挖、壩基巖體、混凝土拱壩方量及拱座穩(wěn)定等方面較優(yōu)。下壩線左岸壩肩分布裂隙密集帶及接觸帶等地質(zhì)缺陷，導(dǎo)致左岸拱座及邊坡穩(wěn)定性較差。上壩線右岸上游側(cè)分布的云母富集帶進(jìn)入大壩拱座范圍，不利于建基面的穩(wěn)定安全，同時(shí)還影響進(jìn)水塔口邊坡及輸水隧洞圍巖穩(wěn)定。經(jīng)過綜合比選分析，選擇中壩線作為推薦壩線。

4 全壩身泄洪

旭龍水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，壩址區(qū)河谷狹窄、兩側(cè)岸坡陡峻，不適宜布置岸邊溢洪道，適合布置壩身孔口和岸邊泄洪洞泄洪。大壩1 000 a一遇設(shè)計(jì)洪水對應(yīng)洪峰流量9 970 m3/s，5 000 a一遇校核洪水對應(yīng)洪峰流量為11 300 m3/s，洪峰流量相對不大，遠(yuǎn)小于溪洛渡［10］、小灣［11］、構(gòu)皮灘［12］等同類工程壩身的泄量。表3中統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)部分高拱壩泄洪孔口尺寸。

考慮到旭龍水電站不承擔(dān)防洪任務(wù)，以及其洪峰流量、入庫泥沙量等相對較小的便利條件，明確泄水建筑物主要起宣泄洪水、控制水位、保證大壩安全并兼顧后期導(dǎo)流的利用原則，比選了壩身孔口泄洪、壩身孔口與岸邊泄洪洞聯(lián)合泄洪兩種方案。

壩址兩岸均具備布置泄洪洞［13］的地質(zhì)條件，且可以和導(dǎo)流洞結(jié)合，但為處理進(jìn)、出口邊坡或洞身段均存在的地質(zhì)缺陷問題，以及保證出口消能防沖效果，需要額外增加工程投資約3.5億元，壩身孔口與岸邊泄洪洞聯(lián)合泄洪方案的經(jīng)濟(jì)性較差。若考慮與引水發(fā)電系統(tǒng)共同布置在地質(zhì)條件相對較好的一側(cè)，則相互間存在干擾，工程完建后可能影響電站的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

結(jié)合旭龍水電站洪水泄量相對不大且下游河床地質(zhì)條件良好的特點(diǎn)，最終選擇全壩身泄洪加下游水墊塘消能的方案。泄洪孔口布置于壩身會削弱拱壩總體剛度，綜合拱壩體形、泄洪結(jié)構(gòu)及大壩防震抗震設(shè)計(jì)等方面研究工作，對孔口結(jié)構(gòu)對壩體影響、震后孔口及周邊變形等技術(shù)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過對旭龍拱壩壩體及孔口局部的應(yīng)力、變形與壩體損傷等方面進(jìn)行靜、動力分析，結(jié)果表明壩身孔口僅對大壩力學(xué)性能有局部影響，通過采取適當(dāng)抗震措施，可以滿足壩身抗震安全要求，進(jìn)而保證泄洪孔口結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。

旭龍水電站拱壩泄水建筑物全部布置在壩身。壩身還設(shè)有1個生態(tài)放水孔，布置于右岸泄洪表孔右側(cè)，采用上挑型有壓管型式，進(jìn)口底板高程2 278 m，孔口出口尺寸4.5 m×6.0 m。通過研究泄洪孔口流量分配，提出表、中孔泄量基本相當(dāng)?shù)呐渲梅桨福_保下泄水溫不宜過低，降低過飽和氣體及泄洪霧化對下游的不利影響［14］，提高調(diào)度靈活性，為保護(hù)周邊環(huán)境及工程運(yùn)行提供了基礎(chǔ)條件。

5 引水發(fā)電系統(tǒng)布置

5.1 廠房型式

旭龍水電站共安裝4臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)引用流量、機(jī)組尺寸、廠房規(guī)模均較大，電站廠房可布置地面廠房或地下廠房。

壩址處及下游附近河段河谷狹窄、兩岸地勢陡峻，若臨近大壩布置地面廠房，壩后式或引水式廠房都會導(dǎo)致廠房區(qū)開挖形成超高邊坡的問題，加固岸坡及防護(hù)上部危巖體、堆積體的工程措施費(fèi)用高，且均處在泄洪霧化影響范圍內(nèi)，對電站發(fā)電運(yùn)行存在不利影響。右岸沿河道向下游處，局部存在緩坡地形且基巖出露，可以布置引水式地面廠房，但均距離大壩2 km以上，導(dǎo)致引水線路較長、隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜。

壩區(qū)兩岸均分布有花崗巖、混合巖及斜長角閃片巖等堅(jiān)硬巖石，山體雄厚，地應(yīng)力屬中低等，無重大地質(zhì)制約因素，是布置大型地下洞室群的良好場所［15］。地下洞室規(guī)模相對地面廠房較小，局部地質(zhì)缺陷易于處理，能滿足基礎(chǔ)承載力，基礎(chǔ)長期穩(wěn)定性及抗震性有保證。地下廠房更加適合壩址處地形地質(zhì)條件，為典型順直河段繞壩布置，可控制引水隧洞長度，完全避免高陡地形形成的廠房高邊坡和高地震影響，安全性高，工程量小，對工區(qū)環(huán)境影響小，與大壩施工互不干擾，因此選擇采用地下廠房的型式，并對引水發(fā)電系統(tǒng)布置作進(jìn)一步比選。

5.2 引水發(fā)電系統(tǒng)布置

壩址區(qū)兩岸山體內(nèi)部巖體為硬質(zhì)巖，均具備布置地下廠房的條件，右岸地下洞室圍巖質(zhì)量整體高于左岸。右岸花崗巖中構(gòu)造不發(fā)育，地下洞室群以Ⅱ類圍巖為主，條件較優(yōu)，進(jìn)出水口邊坡整體穩(wěn)定，引水線路相對較短。

左岸斜長角閃片巖中片理較發(fā)育，地下洞室群以Ⅲ類圍巖為主，主廠房位置受片巖接觸帶、斷層及巖層走向影響大，流道平均長度相對較長，平均水頭損失較大，引水隧洞沿線圍巖條件明顯差于右岸，襯砌及支護(hù)工程量大。下游岸坡分布有危巖體、崩坡積體及強(qiáng)卸荷巖體，為確保尾水出口邊坡安全，需避讓至相對下游側(cè)，導(dǎo)致左岸引水線路總體增長約400 m，樞紐占地范圍增大約2.1萬m2。工程靜態(tài)總投資方面，右岸廠房方案為227.95億元，左岸廠房方案為233.29億元。旭龍水電站地下廠房布置比選方案如圖4所示。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，將引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸具有顯著優(yōu)勢。

對于右岸地下廠房，采用中部式能較好協(xié)調(diào)引水、尾水線路布置，并且與庫區(qū)岸坡、兩岸邊坡及大壩拱端具有一定距離，有利于廠房及大壩形成整體的防滲體系。中部式地下廠房還具備靈活布置的特點(diǎn)，過流條件較好，能夠同時(shí)滿足主要洞室群遠(yuǎn)離避讓大斷層的條件，此外洞室軸線與主地應(yīng)力方向交角較小，有利于保障地下廠房洞室群穩(wěn)定性，節(jié)省地下洞室開挖及支護(hù)措施，減少棄渣量約165萬m3，且具備施工、交通、運(yùn)行管理方便等多項(xiàng)優(yōu)勢條件，故選擇右岸中部式地下廠房方案。

6 導(dǎo)流洞布置

壩址河段汛期流量大，河道較窄，兩岸山體陡峻；河床覆蓋層深厚，具有較強(qiáng)透水性；大壩為混凝土雙曲拱壩，施工期壩體不宜過水。推薦采用全年圍堰一次性攔斷河床、全年圍堰擋水、導(dǎo)流隧洞泄流的導(dǎo)流方式。

為提高導(dǎo)流洞運(yùn)用靈活性［16］，控制隧洞斷面規(guī)模、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)流洞采用2條“高低、大小洞”布置方案，通過下閘期間高低洞銜接的方式，滿足不同標(biāo)準(zhǔn)洪水的過流要求。結(jié)合設(shè)置生態(tài)供水旁通洞，實(shí)現(xiàn)向下游供水的環(huán)保要求，提高施工過程中蓄水初期生態(tài)供水保障［17］。

結(jié)合引水發(fā)電系統(tǒng)布置比選，同樣對導(dǎo)流隧洞布置方案進(jìn)行比較，包括導(dǎo)流隧洞布置于左岸、布置于右岸和左右各布置一條共3種。將導(dǎo)流洞布置于左岸能夠避開右岸引水發(fā)電系統(tǒng)，地下洞室及過水隧洞間施工干擾少，各自進(jìn)、出口邊坡的布置相對緊湊，且左岸導(dǎo)流洞出口地形相對較平緩，出口明渠內(nèi)適宜布置消力池，利于施工期下泄水流消能和下游銜接，因此選擇左岸布置導(dǎo)流隧洞方案。

7 推薦樞紐布置方案

經(jīng)過比選論證，確定旭龍水電站樞紐布置為河床布置拱壩、壩身布置泄洪孔、右岸布置引水發(fā)電建筑物、左岸布置導(dǎo)流洞的方案。混凝土雙曲拱壩采用拋物線型，壩頂高程2 308 m，最大壩高213 m，壩頂中心線弧長471 m。采用全壩身泄洪，由3個泄洪表孔、4個泄洪中孔和1個生態(tài)放水孔組成。壩下游設(shè)混凝土水墊塘，末端設(shè)混凝土二道壩。右岸中部式地下廠房三大洞室平行布置，主廠房開挖尺寸204.0 m×29.9 m×79.3 m（長×寬×高），機(jī)組裝機(jī)高程2 132 m，輸水洞線總長858～1 073 m。左岸導(dǎo)流隧洞分高、低洞布置，高洞上游側(cè)設(shè)生態(tài)放水旁通洞。

8 結(jié)論

在旭龍水電站樞紐布置設(shè)計(jì)工作中，系統(tǒng)考慮壩線、壩型及對應(yīng)樞紐布置方案對壩區(qū)地形地質(zhì)條件的適應(yīng)性，科學(xué)統(tǒng)籌擋、泄水建筑物，引水發(fā)電系統(tǒng)以及導(dǎo)流等樞紐建筑布局關(guān)系，著重論證并解決了大壩抗震、全壩身泄洪、施工期導(dǎo)流及生態(tài)供水等關(guān)鍵技術(shù)問題。旭龍水電站樞紐布置設(shè)計(jì)降低了對工區(qū)生態(tài)環(huán)境影響，提高了生態(tài)環(huán)保效益并兼顧工程經(jīng)濟(jì)性，充分響應(yīng)了《長江保護(hù)法》中對生態(tài)流量保障、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等相關(guān)要求。

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編輯：高小雲(yún)

Design and research on layout of Xulong Hydropower Station

KONG Fanhui1，2，3，HUANG Hongfei2，3，WANG Weihao2，3，XIONG Kun2，3

（1.CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China；2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；3.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to improve the safety and reliability，as well as economic and environmental protection of main project of Xulong Hydropower Station，after the study and comparison of the layout of buildings such as dams，flood discharge and energy dissipation，and underground power plants，the main buildings of the hub had avoided adverse geological structures.The excellent riverbed dam foundation and surrounding rock conditions of the right bank underground power station were utilized.A compact hydro project layout pattern with concrete double curvature arch dam on the riverbed，with three surface outlets and four middle outlets for flood discharge in the whole dam body，underground powerhouse on the right bank，and diversion tunnel on the left bank was determined.This layout plan can reduce the excavation height of the slope，minimize the environmental impact on the project area，optimize and reduce the construction quantities such as project area and excavation，which significantly saved project investment，and fully embodied the concept of environmental protection design，providing a precedent for the layout design of hydropower stations after the implementation of the Yangtze River Protection Law.

Key words：

layout of hydro project； arch dam； Yangtze River Protection Law； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2024-03-12

作者簡介：孔凡輝，男，正高級工程師，主要從事大型水利水電樞紐規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。E-mail：kongfanhui@cjwsjy.com.cn