西藏扎拉水電站樞紐布置與設(shè)計研究

胡中平 黃紅飛 肖浩波

收稿日期：2023-09-29

作者簡介：

胡中平，男，正高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計與管理工作。E-mail：huzhongping@cjwsiy.com.cn

引用格式：

胡中平，黃紅飛，肖浩波.

西藏扎拉水電站樞紐布置與設(shè)計研究

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：49-53.

摘要：

扎拉水電站水頭高，泥沙問題突出，工程區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，存在活動斷裂帶、傾倒變形巖體發(fā)育。為減輕泥沙對水輪機(jī)機(jī)組的磨蝕，縮短引水線路穿越活動斷裂帶寬度，避開傾倒變形巖體的不利影響。通過多方案比選，確定了“下壩址以庫代池，攔蓄泥沙；南線引水隧洞，避開鬧中斷裂影響帶；上廠址地面廠房，利用河岸階地的樞紐布置方案”。該方案最大限度減少了泥沙對機(jī)組的影響，避開了不利地質(zhì)條件，節(jié)省了工程投資，同時充分利用了河段水頭，發(fā)揮了工程最大效益，研究成果可為類似水電站樞紐布置設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：

樞紐布置； 引水隧洞； 活動斷裂帶； 傾倒變形巖體； 扎拉水電站

中圖法分類號：TV61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.009

文章編號：1006-0081（2024）06-0049-05

0? 引? 言

扎拉水電站壩址位于西藏昌都市左貢縣碧土鄉(xiāng)，廠址位于林芝市察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)。水庫正常蓄水位2 815 m，總庫容914萬m3，總裝機(jī)容量1 015 MW（含生態(tài)電站15 MW），沖擊式水輪機(jī)組單機(jī)容量500 MW，為世界首臺套，額定水頭671 m。扎拉水電站采用混合式開發(fā)［1］，主要建筑物包括首部擋泄水建筑物、引水隧洞和發(fā)電廠房。扎拉水電站具有河道泥沙含量大、單機(jī)容量大、引水隧洞穿越活動斷裂、傾倒變形巖體發(fā)育等特點。目前，解決過機(jī)泥沙含量高的思路主要有常規(guī)布置沉沙池、以庫代池和大修更換轉(zhuǎn)輪。趙瑋［2］對煙崗水電站以庫代池方案進(jìn)行了初步研究，通過對以庫代池方案和沉沙池方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行比較，認(rèn)為以庫代池更具經(jīng)濟(jì)性；白俊嶺等［3］研究了多泥沙河流水輪機(jī)增加抗磨措施和停機(jī)大修更換轉(zhuǎn)輪方案，提出布置沉沙池解決過機(jī)泥沙更可靠。針對引水隧洞穿越活動斷裂破壞機(jī)理和抗錯斷措施，部分國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，翁文林等［4］結(jié)合滇中引水工程沿線大斷裂，通過三維有限元模型計算，研究了跨活斷層隧洞破壞機(jī)理，分析了斷層錯動量、寬度、圍巖強(qiáng)度和斷層傾角等對襯砌的影響程度；崔臻等［5］對滇中引水工程香爐山輸水隧洞進(jìn)行數(shù)值計算分析，提出了分節(jié)設(shè)置鉸接縫的抗錯斷措施。隨著水電工程的逐步開發(fā)，在瀾滄江小灣、云南苗偉水電工程中發(fā)現(xiàn)大量傾倒變形現(xiàn)象，引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。趙小平等［6］對31個傾倒變形體發(fā)育特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出了反向坡和順向坡的發(fā)育特征及分布規(guī)律；駱波等［7］通過建立地質(zhì)模型，運(yùn)用極限平衡法和離散元法對云南苗偉水電站傾倒變形體邊坡穩(wěn)定進(jìn)行了對比分析。本文結(jié)合過機(jī)泥沙、活動斷裂和傾倒變形巖體等相關(guān)研究成果，對扎拉水電站壩址、廠址及引水隧洞線路進(jìn)行了研究，提出了以庫代池沉沙、引水隧洞避開鬧中斷裂影響帶、地面廠房利用河岸階地的樞紐布置方案，可供類似混合式開發(fā)水電站樞紐布置參考。

1? 工程條件

1.1? 水文泥沙

扎拉水電站位于西藏自治區(qū)，徑流主要來自降水，該流域氣候干冷，降水量小，降雨一般集中在5～10月。根據(jù)水文統(tǒng)計資料，扎拉壩址多年平均流量為110 m3/s，多年平均徑流量為34.8億m3，徑流年內(nèi)分配不均，汛期5～10月徑流量約占全年的76.5%左右。已有實測資料表明，懸移質(zhì)泥沙幾乎全部集中在汛期，壩址多年平均懸移質(zhì)年輸沙量91.9萬t，平均含沙量0.266 kg/m3，多年平均推移質(zhì)年輸沙量13.8萬t。通過顆粒級配和礦物成分分析，懸移質(zhì)中值粒徑0.036 mm，主要成分為石英。

1.2? 地形地貌

樞紐區(qū)位于碧土至珠拉村河段“幾”字形回頭河灣段，河灣地塊山體橫向?qū)?.7～9.5 km，分水嶺山脊靠近東側(cè)，脊線總體呈近南北展布，脊頂高程3 218～4 917 m，南北兩端高、中間相對較低。山脊東側(cè)斜坡高458～980 m，地形坡度一般為30°～50°。西側(cè)脊頂與河床高差為1 118～1 690 m，發(fā)育有扎史同溝和鬧中溝，兩溝之間為走向南西的山脊，脊頂高程為2 335～3 790 m。河灣地塊河道縱向長60 km左右，平均比降11.8‰，兩岸斷續(xù)發(fā)育階地。

1.3? 工程地質(zhì)

上壩址左岸地形坡度為60°～80°，基巖裸露，局部分布階地Qalp卵漂石；河床覆蓋層厚2.1～14.0 m，為Qal4漂（塊）石；右岸呈坡角大于70°陡崖與河床相接，臨河岸坡基巖裸露。壩基基巖為γδ15花崗閃長巖，河床及兩岸臨河岸坡無強(qiáng)風(fēng)化帶，右岸順河向存在古河道深槽。

下壩址左岸地形坡度一般為50°～70°，下部基巖裸露，高程2 806 m以上Ⅲ級階地為卵漂石；河床覆蓋層厚度2～4 m，同上壩址一樣為漂（塊）石；右岸高程2 779～2 791 m之間為Ⅰ級階地，高程2 798 m以上為Ⅱ級階地，兩級階地之間及Ⅰ級階地以下為巖質(zhì)邊坡，覆蓋層厚度為10.6～29.2 m；壩基基巖主要為P1nc1砂質(zhì)板巖，左岸為順向坡，右岸為逆向坡，壩基存在緩傾角裂隙，右岸傾倒變形巖體發(fā)育。

引水線路區(qū)巖性主要為砂質(zhì)板巖、鈣質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、大理巖、結(jié)晶灰?guī)r等，引水線路穿過鬧中活動斷裂（F1-6）和坡郎斷裂（F1-2）等區(qū)域性斷裂，斷裂帶巖體軟弱破碎，圍巖穩(wěn)定和涌水問題突出。引水線路南線和北線方案的主要差異在于穿越鬧中活動斷裂的部位不同。

上廠址Ⅱ級階地發(fā)育，下伏基巖為鈣質(zhì)板巖，局部夾中厚層狀結(jié)晶灰?guī)r。階地后緣邊坡高達(dá)950 m，邊坡地形呈上、下較陡中部較緩狀態(tài)。平洞揭示，邊坡巖體普遍發(fā)生傾倒變形，總體呈斜-逆向坡。

下廠址岸邊地形較狹小，后邊坡較高，引水線路要穿越活動斷裂，只能修建地下廠房，圍巖為C22大理巖，屬堅硬巖，主要為Ⅲ類，局部存在涌水、突泥和圍巖坍塌等問題。

2? 樞紐布置研究

2.1? 樞紐布置原則

扎拉水電站采用混合式開發(fā)，主要建筑物由首部樞紐、引水隧洞及電站廠房三大部分組成，依據(jù)工程條件，樞紐布置應(yīng)遵循以下4個原則。

（1） 相同正常蓄水位下壩址盡量往下游選擇，增大水庫庫容，提高水庫沉沙效果。

（2） 引水隧洞在無法避開鬧中活動斷裂的情況下，應(yīng)盡量縮短穿越活動斷裂的長度，避開其影響帶范圍。

（3） 電站廠房應(yīng)充分利用河灘階地，避開活動斷裂和廠房后邊坡傾倒變形巖體的影響。

（4） 引水隧洞采取裁彎取直方式布置，在充分利用河段水頭的情況下，應(yīng)盡量縮短引水線路長度，減少工程投資。

2.2? 壩址選擇

扎拉水電站具有水頭高、庫容沙量比小的特點，如何延緩水庫淤積、有效降低過機(jī)泥沙對700 m級水頭沖擊式水輪機(jī)組磨損是工程的主要技術(shù)問題之一。壩址位置同水庫庫容、發(fā)電水頭密切相關(guān)，越往下游水庫庫容越大，水庫沉沙效果越好。但是，壩址太靠近下游河段，引水線路須折回上游，導(dǎo)致線路加長，且壩址越靠近下游河段，大壩高度逐漸增加，工程量也會逐漸增大，因此壩址不能太靠近下游河段。在卡樹村與珠拉村之間相距2.35 km擬定上、下兩個壩址，采用相同正常蓄水位2 815 m進(jìn)行比選，壩址位置見圖1。

上壩址庫容較小，為滿足水庫日調(diào)節(jié)要求和解決粗沙過機(jī)問題，需要在右岸階地開挖沉沙池?；炷林亓巫畲髩胃?2 m，溢流壩段布置1個表孔和1個底孔，表孔堰頂高程為2 802 m，孔口尺寸為9.5 m×13.0 m（寬×高），底孔進(jìn)口高程2 785 m，孔口尺寸6.5 m×5.0 m（寬×高），采用底流消能；沉沙池工作段池長2 70 m，寬110 m，分兩廂，底板坡度1∶100。上壩址首部樞紐布置見圖2。

下壩址采用以庫代池的布置方案，混凝土重力壩最大壩高70 m，溢流壩段布置1個表孔和2個底孔，表孔堰頂高程2 805 m，孔口尺寸7 m×10 m（寬×高），底孔采用有壓短管型式，進(jìn)口底高程2 770 m，孔口尺寸4.5 m×6.0 m（寬×高），下游采用底流消能。生態(tài)電站布置在右非壩段，采用單管三機(jī)供水方式。下壩址首部樞紐布置見圖3。

從工程地質(zhì)上看，下壩址壩基存在緩傾角裂隙，右岸壩肩分布強(qiáng)傾倒變形巖體，上壩址地質(zhì)條件優(yōu)于下壩址；但是上壩址需要開挖較大規(guī)模的庫內(nèi)沉沙池，下壩址采用以庫代池的布置方案，從水庫沉沙效果和泥沙淤積情況看，下壩址明顯好于上壩址；下壩址工程投資比上壩址少1.71億元。經(jīng)綜合比較，選定下壩址。

2.3? 廠址選擇

為充分利用河段水頭，同時考慮與下游梯級的銜接，電站廠址區(qū)選取河道右岸鬧中溝和扎史同溝之間地段。該地段屬于高山峽谷地形，后邊坡傾倒變形巖體發(fā)育，兩溝之間河岸階地發(fā)育，階面寬 70～170 m。從地形地質(zhì)條件來看，珠拉村下游階地平緩，適合布置地面廠房；再往下游地形陡峻，坡腳場地狹窄，具備修建地下廠房的條件。在廠址選擇時，對相距約1 km的上、下兩個廠址進(jìn)行比選，上廠址為地面廠房方案，下廠址為地下廠房方案，廠址位置見圖4。

上廠址地質(zhì)條件簡單，后邊坡雖存在傾倒變形巖體，但整體較穩(wěn)定；下廠址斷層發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，地下廠房施工風(fēng)險較大，上廠址地質(zhì)條件優(yōu)于下廠址。上廠址地面廠房和下廠址地下廠房尺寸均不大，施工技術(shù)成熟，施工難度均不大；上廠址地面廠房方案投資少2.19億元。綜合考慮，選定上廠址。

2.4? 引水隧洞線路選擇

對于混合式開發(fā)的扎拉水電站，壩址、廠址確定后，引水隧洞總體走向基本明確。由于引水線路橫穿碧土至珠拉村河段河灣地塊，因此不可避免要穿越鬧中斷裂帶。鬧中斷裂屬第四紀(jì)晚更新世活動斷裂，斷裂帶寬度大，巖體軟弱破碎，圍巖穩(wěn)定和涌水問題突出。因此，引水隧洞應(yīng)盡量縮短穿越鬧中活動斷裂的長度，避開其影響帶。根據(jù)鬧中活動斷裂的走向和影響帶的分布，在引水隧洞線路選擇時，對南線和北線兩個方案進(jìn)行比選，引水隧洞線路布置見圖5。南線方案穿越鬧中活動斷裂帶線路長305 m，不經(jīng)過其影響帶；北線方案穿越鬧中活動斷裂帶線路長940 m，其中破碎帶寬215 m，影響帶寬725 m。綜合考慮，南線方案地質(zhì)條件明顯優(yōu)于北線，施工風(fēng)險相對較小；引水線路總長度短135 m，工程投資省，選定南線方案。

2.5? 選定的樞紐布置

經(jīng)過壩址、廠址和引水隧洞線路比較，選定了上壩址、上廠址地面廠房和引水線路南線方案。首部樞紐位于左貢縣碧土鄉(xiāng)扎郎村，廠房位于察隅縣珠拉村，引水線路布置在右岸山體內(nèi)。扎拉水電站樞紐布置見圖6。

（1） 擋泄水建筑物?；炷林亓螇雾敻叱? 820 m，最大壩高70 m。溢流壩段布置1個表孔和2個底孔，表孔堰頂高程2 805 m，孔口尺寸7 m×10 m（寬×高），底孔進(jìn)口底高程2 770 m，孔口尺寸4.5 m×6.0 m（寬×高），下游采用底流消能。溢流壩段左側(cè)布置1孔生態(tài)放水孔，孔底高程2 805 m，孔口尺寸2.0 m×2.5 m（寬×高）。

（2） 引水發(fā)電建筑物。進(jìn)水口采用岸塔式布置，引水線路在立面上采用兩級豎井的布置型式，由上平段、調(diào)壓室段、第一級豎井段、中平段、第二級豎井段、下平段組成。引水隧洞主洞按兩機(jī)一洞布置，地面廠房由主廠房、副廠房、安裝場、尾水平臺、尾水渠等組成，副廠房位于主廠房上游側(cè)，安裝場位于主廠房右側(cè)，總尺寸118 m×75 m×69.1 m（長×寬×高），機(jī)組安裝高程2 127.10 m，主廠房內(nèi)安裝兩臺單機(jī)500 MW沖擊式機(jī)組。

（3） 生態(tài)電站。生態(tài)電站布置在右岸非溢流壩段壩后，緊靠河床，由壩式進(jìn)水口、壓力鋼管背管和壩后式地面廠房組成，采用單管三機(jī)供水方式。電站裝機(jī)3臺，采用立式機(jī)組，裝機(jī)容量3×5 MW。

（4） 魚道。魚道布置在大壩下游右岸，進(jìn)口緊鄰生態(tài)機(jī)組廠房尾水口，在進(jìn)口處轉(zhuǎn)折后，沿地形向下游延伸，并在距壩下約1.25 km處向上游折返，沿地形向上游延伸，在高程為2 807.50 m處穿過大壩。魚道共設(shè)3個出魚口，全長約2.97 km。

3? 結(jié)? 語

扎拉水電站作為西藏自治區(qū)首座裝機(jī)超百萬千瓦并核準(zhǔn)開工建設(shè)的混合式開發(fā)水電站，通過對壩址、廠址及引水隧洞線路進(jìn)行多方案綜合比選，選定的樞紐布置方案最大限度避開了泥沙和不良地質(zhì)條件影響，節(jié)省了工程投資，技術(shù)風(fēng)險可控；同時充分利用了河段水頭，發(fā)揮了工程最大效益，較好適應(yīng)了混合式開發(fā)水電站的特點，可為類似工程樞紐布置設(shè)計提供借鑒和參考。

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（編輯：李? 晗）

Research on design and layout of Xizang Zhala Hydropower Station

HU Zhongping1，HUANG Hongfei2，XIAO Haobo2

（1.CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China；

2. Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Zhala Hydropower Station has high water head and prominent sediment problem，its geological condition is complicated，and the active fault zone and toppling deformation rock mass are developed in the procject area. In order to reduce the abrasion of sediment on the hydraulic generator，shorten the width of the diversion line through the active fault zone，avoid the adverse influence of the toppled deformation rock mass，through the comparison and selection of multiple schemes，the general layout was determined. The gravity dam was arranged in the lower dam site using reservoir instead of sand basin and trapping sediment，while southern diversion tunnel avoided the zone affected by Naozhong active fault，the ground plant was arranged at the lower power station site using the bank terrace. The scheme can reduce the influence of sediment on the unit and avoid the unfavorable geological conditions to the maximum extent，save the project investment，fully use the river head，and exert the maximum benefit of the project. The study results can provide a reference for the design and layout of similar hydropower stations.

Key words：

layout of hydropower station； diversion tunnel； active fault zone； toppling deformation rock mass； Zhala Hydropower Station