溪洛渡電站設計中的重大技術問題研究（上）

肖白云

摘要：總裝機容量達12 600 MW的溪洛渡工程是我國繼三峽工程之后的又一座巨型水電工程。工程以水力發電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運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度的高地震區的特高拱壩。在溪洛渡樞紐設計中，對幾個關鍵技術問題進行了深入的研究，即：大壩基建面的選擇、拱壩的體型設計，大壩應力分析，壩肩穩定分析，大壩的抗震設計、泄洪消能和超大型地下洞室群的設計。隨著前期工程的進展，這些技術問題將深入研究，并會取得滿意結果。

關鍵詞：重大技術問題；設計；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，業主為中國三峽總公司。電站開發任務以水力發電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運條件等綜合利用效益，供電華東、華中地區，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，也是落實國家西部大開發戰略，實現“西電東送”的骨于工程。

水庫正常蓄水位高程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，形成一座長約200km，平均寬度690m的河道型大水庫。水庫總庫容126.7億m3，正常蓄水位600m以下的庫容115.7億m3，其中死庫容51.1億m3，調節庫容64.6億m3，具有不完全年調節能力。

電站樞紐在左、右兩岸各設一座地下廠房，各安裝9臺 700MW混流式水輪發電機組，總裝機容量12 600MW。初期保證出力3 395MW，多年平均年發電量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 水庫控制了金沙江流域面積96％，占長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。是長江防洪體系的重要組成部分。水庫廠游緊臨川江，具有控制洪水比重大，距離防洪對象近的特點。利用水庫的46.5億m3防洪庫容調蓄洪水，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準。

三峽水庫是長江中下游防洪的主體工程，有防洪庫容 221.5億心，對長江中下游防洪作用巨大，使荊江河段的防洪標準提高到100年以上。溪洛渡水庫汛期攔蓄金沙江洪水，減少了直接進入三峽水庫的洪量。如與三峽水庫聯合進行防洪調度，在遭遇特大洪水時，可以減少長江中下游分洪量25～40億m3，平均防洪效果系數(削減下游分洪量／預留防洪庫容)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年輸沙量達2.47億t，推移質年輸沙量180萬t。通過重慶市寸灘水文站的輸沙量有一半來自金沙江。溪洛渡水電站位于金沙江產沙區的末端，利用大壩壅高水位達230m，對河道天然輸沙條件的改變較大，

有巨大的死庫容的優勢，輔以水庫合理調度，大量攔截泥沙，減少三峽水庫的入庫泥沙，且使三峽水庫入庫泥沙顆粒細化，可有效地減少三峽水庫庫尾的泥沙淤積，有利于三峽水庫的長期使用和綜合效益的發揮。

(3)發電補償效益 長江水系汛期水量豐沛，各電站汛期電量比重均較大，特別需要調節水庫將汛期水量調配到枯水期發電。溪洛渡水庫具有64.6億m3的調節庫容，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。使向家壩水電站設計枯水年的枯水期平均出力增加保證出力336MW，發電量13·54億kW·h。

(4)航運 樞紐位于不通航河段。經水庫調節，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條件。

2 樞紐布置

壩區位于豆沙溪溝口至溪洛渡溝口，全長約4km的峽谷河段，在峽谷進口金沙江呈近90°拐彎，峽谷段內河道順直,谷坡陡峻，臨江坡高從進口的大于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到達正常蓄水位 600m時，水面寬度僅有530m左右。整個峽谷無沖溝，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，具備修建高拱壩的良好的地形條件。

壩區河床基巖及兩岸谷坡主要由二疊系上統峨眉山玄武巖(P2β)組成，系一總體緩傾下游偏左岸的單斜構造，巖層產狀在峽谷進口和出口附近有明顯轉折，形成“陡一緩一陡”的平緩褶曲，峽谷中段產狀平緩，傾角3°～5°。巖流層厚達490～540m，巖體致密、堅硬、均一，沒有斷層分布，發育于巖流層層間和層內的的錯動帶是其主要的結構面。茅口組石灰巖 (P1m)出露于峽谷進口谷底，向下游傾伏于玄武巖之下，在峽谷中段埋深達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。大量的地質勘察成果表明，在峽谷河段具有修建高拱壩的工程地質條件。

電站樞紐由攔河大壩、泄洪設施、引水發電建筑物等組成。具有“高拱壩、大泄量、多機組”的特點。根據壩址區河谷狹窄，基巖新鮮完整的地形地質條件，結合金沙江的水文特性及工程的開發目標及綜合利用要求，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條件，將樞紐建筑物(含消能區和導流建筑物)全部布置在4km峽谷河段玄武巖出露段之內，與之相匹配，拱壩的壩線位置宜在峽谷中段。

(2)充分利用水庫調節庫容大的特點，調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。泄洪消能設施布置采用“分散泄洪、分區消能、按需防護”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施共同宣泄洪水。壩下游消能分為兩個區：壩下游設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；隧洞出口消能區遠離水墊塘，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行的靈活性和安全度。

(4)高度重視泄洪霧化對樞紐布置的影響。已建工程的實例表明，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，霧化強度及范圍均較大。在樞紐布置中首先考慮避讓的原則。在強霧化區及較強霧化區不布置水工建筑物；其次對霧化區內的邊坡不穩定巖體及其他存在地質缺陷的巖體采取挖除或其它工程加固措施，加強坡面排水，確保兩岸邊坡的穩定性。

(5)河芥狹窄，不具備布設壩后廠房的條件，利用河床左右兩岸地形地質條件基本對稱，山體雄厚，圍巖條件好的特點，將18臺機組均勻分設在左、右兩岸的地下廠房，每座廠房裝機容量6 300MW。

(6)初期施工導流采用斷流圍堰、隧洞導流、基坑全年施工的方案。在左右兩岸共布置6條大斷面導流隧洞。在樞紐布置時盡量考慮將導流隧洞與永久建筑物相結合，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電，提早發揮工程效益，降低工程總投資。

對多個樞紐布置方案進行了全面的技術經濟比較，提出推薦的樞紐布置方案(參見圖2)，其優點如下：

(1)充分利用玄武巖出露的4km長的峽谷河段布設整個水工樞紐。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的緩坡臺地布置電站進水口，該緩坡臺地高程在550～650m之間，使進水口的開挖邊坡降低到150m以下，且大壩和進水口之間可以設泄洪隧洞進水口，縮短了泄洪洞長度。

(2)壩身孔口泄洪流量可達30 000m3／s，占樞紐總泄量的60％。下泄水流順應河勢，歸槽條件好，對岸坡穩定影響相對較小，且能節省投資。多套泄洪設施可靈活運用。下游消能區沿河床縱向和橫向拉開，避免對下游河床的集中沖刷。

(3)壩址區左岸屬四川省，右岸屬云南省，在左右兩岸各設一座裝機6 300MW的地下廠房，滿足向華中2回±500kV直流輸電和向華東2回±600kV直流輸電的需要，同時也兼顧了川、滇兩省的用電要求。

(4)有利于分期蓄水，提前發電。初期施工導流采用斷流圍堰、隧洞導流、基坑全年施工的方案。后期在壩身設兩層導流底孔。在410m高程布置6個5mXl0m導流底孔，在 450m高程設4個4.5mX8m的導流底孔。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發電，并能妥善解決發電后按設計標準要求的度汛問題。能提前8個月發電，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m3，石方洞挖1 580萬m3，混凝土和鋼筋混凝土1 300萬m3，鋼筋、鋼材36萬t。

3 關鍵技術問題

在溪洛渡樞紐設計中，對幾個關鍵的技術問題進行了深入的研究，即：大壩建基面的選擇、拱壩的體型設計、大壩的靜動應力分析、壩肩穩定分析、大壩的抗震設計、泄洪消能和超大型地下洞室群設計。

3.1 大壩的建基面選擇

壩址區自然條件優越，山高谷深，兩岸地形完整對稱，河道順直，河谷為窄“U”型，其寬高比小于2，壩址區出露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，考慮壩高達278m，承受總水推力約 l 400萬t，對基礎的要求較高，因此將拱壩基本上置于微一新和弱風化下段的玄武巖巖體上，拱壩壩肩、壩基巖體質地堅硬，以整體塊狀和次塊狀結構為主，完整性、均勻性好，能夠滿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，在嵌深上適當留有余地。

3.2 雙曲拱壩的體型設計

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

(2)在滿足壩體強度要求的前提下，采用扁平拱布置，盡量使拱推力轉向山體內部，改善壩肩穩定條件。

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

(4)在雙曲拱壩布置中，考慮不設縱縫，簡化溫控措施，加快施工進度，提高拱壩整體性。控制上游倒懸度，改善施工期應力條件。盡量使體型簡單，方便施工。

(5)要求建基面規則、縱坡平順，避免產生應力集中。按此要求，經各種拱圈線形的優化設計及綜合比較，推薦拋物線雙曲拱壩，其體型參數見表1。

采用我院開發的ADSC—CK拱梁分載法計算程序，對推薦的拋物線雙曲拱壩進行位移、應力計算，并采用水科院結構所ADASO拱梁分載法靜動力分析程序水科院抗震所SD—TAM88拱梁分載法靜動力分析程序以及浙江大學ADAO拱梁分載法靜動力分析程序進行輔助驗證。計算分析表明：在自重荷載作用下，上下游壩面基本處于受壓狀態，局部產生的拉應力與水沙、溫度荷載下的拉應力發生部位不同。水沙荷載作用下的最大主拉應力的出現部位在自重荷載作用下則出現最大主壓應力，荷載組合作用下壩體拉應力相互抵消，拱壩體型設計是合理的。(待續)