積石峽水電站工程樞紐布置設計綜述

王康柱，王君利，廖元慶，張曼曼，蔡新合

（中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西 西安 710065）

1 工程概況

積石峽水電站位于青海省循化縣境內積石峽出口處，距循化縣城30 km，距省會西寧市206 km，距民和縣城100 km?，F有臨平公路、民臨公路二條省級公路鄰近壩址，對外交通十分便利。

積石峽水電站是黃河上游龍羊峽-青銅峽河段規劃25座水電站的第11座，該工程的主要任務是發電。積石峽水庫為日調節水庫，正常蓄水位1 856 m，最大壩高103 m，總庫容2.94億m3，最大發電水頭73 m，總裝機容量1 020 MW，保證出力332.3 MW，多年平均發電量33.63億kW·h。

樞紐布置方案由混凝土面板堆石壩、左岸表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞、左岸泄洪排沙底孔、左岸引水發電系統、壩后廠房等組成。工程規模為二等大（2）型，大壩為1級建筑物，泄水建筑物、引水發電及廠房均為2級建筑物。

大壩、泄水、發電引水建筑物按500年一遇洪水設計，5 000年一遇洪水校核，其入庫洪峰流量分別為5 850、7 550 m3/s；廠房按200年一遇洪水設計，按500年一遇洪水校核；消能防沖按50年一遇設計。

積石峽水電站施工采用全年圍堰擋水、隧洞導流、基坑全年施工的導流方式。施工總工期72個月。

積石峽水電站2005年1月開工，2007年3月截流，2010年11月9日第一臺機組發電，2010年12月12日三臺機組全部發電。

2 自然條件

積石峽水電站壩址距離公伯峽、李家峽、龍羊峽水電站壩址分別為 55、131、239.6 km，距河源 1 938 km。壩址控制流域面積146 749 km2，占全流域的19.5%，水量占全流域的38.8%。

積石峽水電站采用循化水文站為設計代表站，其多年平均流量703 m3/s，年徑流量221億m3，多年平均含沙量1.25 kg/m3，為全流域含沙量較小的河段。

積石峽多年平均氣溫8.7℃，多年平均降雨量266.2 mm，蒸發能力2 131.4 mm（20 cm蒸發器），最大風速24.0 m/s。多年平均年日照時數2 712.7 h。

積石峽水電站壩址上游有已建的龍羊峽、李家峽水電站及在建的公伯峽水電站。龍羊峽水庫是一個多年調節水庫，總庫容達275億m3。龍羊峽水電站與下游劉家峽水庫聯合調度運行，使積石峽徑流年內分配趨于均勻，提高了積石峽水電站的發電效益，同時大大削減了積石峽入庫洪水，減小了水庫的設計洪水和校核洪水。積石峽各頻率洪水受上游水庫調蓄后的洪峰流量見表1。

工程區及近場區為歷史地震相對較弱地區，工程場址主要受外圍強震的波及影響，離壩址最近的關門、鎖同等斷層無歷史中強震發生。經國家地震局地殼應力研究所復核，國家地震烈度評定委員會批準，積石峽壩址區50年超越概率10%的地震基本烈度為Ⅶ度[1-2]。設防烈度為Ⅶ度[1-2]。

表1 積石峽壩址設計洪峰流量

壩址區河谷呈不對稱U型，右岸陡，左岸相對較緩；斷層不發育，構造裂隙相對較發育；相對不透水層埋藏較深；局部岸坡巖體具有卸荷現象，卸荷帶深度均小于10 m。巖體風化較淺，一般為7～26 m。按巖體質量分類，壩區巖體多屬于Ⅱ級，部分Ⅲ級，局部Ⅳ級。壩址區工程地質條件良好，適宜修建當地材料壩。

壩址下游的Ⅰ號滑坡[2]，經研究分析和模擬計算，天然狀態下穩定性較好。溢洪道、泄洪排沙底孔為挑流，中孔泄洪洞為底流消能，在泄洪期水霧基本不影響Ⅰ號滑坡體。

3 樞紐總布置

工程樞紐布置由混凝土面板堆石壩、左岸壩下掩埋式引水鋼管、壩后廠房、左岸一孔表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞（與導流洞結合）、左岸泄洪排沙底孔（兼放空洞）、左岸灌溉孔、GIS封閉式開關站及安裝間頂出線構架等組成（見圖1）。

圖1 積石峽水電站樞紐總平面布置（單位：m）

3.1 混凝土面板堆石壩

樞紐大壩布置在主河床，大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩軸線方位 NE69°0′5.43″。

壩頂高程1 861.00 m，最大壩高103.0 m，壩頂長度321.9 m，頂寬9.8 m。混凝土面板上游壩坡1∶1.5； 下游壩坡 1∶1.4～1∶1.3，為干砌石護坡，并設有9.0 m寬的 “之”字形上壩公路，大壩下游綜合壩坡為1∶1.72。壩頂設有高度為5.2 m的L型墻與面板相接。電站進水口位于大壩的左側，以重力式擋墻與大壩連接，進水口右邊墩與面板之間設置周邊縫相接。引水發電鋼管掩埋于壩下。溢洪道布置在電站進水口及引水發電鋼管左側，溢洪道堰閘段與電站進水口相接，溢洪道泄槽段右邊墻與大壩相接，并設置周邊縫與面板相接。

壩體從上游向下游依次分為：面板上游面下部粉質壤土斜鋪蓋（1A）及其蓋重區（1B）、混凝土面板、 墊層區（2A）、 特殊墊層區（2B）、 過渡區（3A）、 反濾排水區（3F）、 主堆石區（3BⅠ、3BⅡ）、 下游次堆石區（3C） 及下游護坡（3D）。

積石峽面板壩壩體防滲系統由面板、趾板和接縫止水組成。鋼筋混凝土面板厚0.3～0.59 m，面板混凝土為二級配C25，垂直縫間距均為12.0 m。趾板選用平趾板的布置形式，趾板寬度分別為4.0、6.0、7.4 m，趾板厚度分別為0.4、0.6、0.8 m，趾板混凝土為二級配C25。周邊縫設三道止水，頂部設塑性填料、在塑性填料與縫口橡膠棒之間設置波紋止水帶（4波）、底部設F型止水銅片與面板垂直縫底部W型銅止水相接，周邊縫縫內充填12 mm厚的瀝青木板。面板張性縫和壓性縫均設二道止水。

3.2 引水發電系統

電站進水口為壩前塔式進水口，左鄰溢洪道，右側為攔河大壩。由攔污柵墩、胸墻、擋墻、隔水墻及左右邊墩組成。采用一機一管引水方式，共設3個進水口。由右起依次為1號、2號、3號進水口，各段分別寬 22、20、22 m，進水口長度為46.20 m。進水口頂高程1 861.00 m，建基面高程1 815.50 m。進水口分為兩段，攔污柵段和閘門段。攔污柵段由2個中墩和2個邊墩分隔為3孔，各孔設4.8 m×41.4 m的主、副攔污柵，攔污柵墩后為閘門段，進口頂唇采用1/4橢圓曲線（x2/92+y2/32=1），左、右立面為1/4圓曲線，半徑為2 m。在樁號引0+017.00設一道11.5 m×13.6 m檢修閘門，在樁號引0+022.50設一道11.5 m×13.1 m快速工作閘門。進水口基礎設有齒槽，建基面高程1 809.00 m，齒槽內設置3 m×3.5 m的帷幕灌漿排水廊道。底孔泄洪排沙洞的進口位于2號和3號進水口之間，建基面高程1 792.00 m，在樁號引0+008.00設兩道4.8 m×8.0 m檢修閘門。進水口頂部布置一臺2×2 000 kN/800 kN雙向門機，分別用于攔污柵、泄洪排沙底孔檢修門、電站進水口檢修門、溢洪道檢修門的啟閉。快速工作閘門由6 300 kN/4 500 kN快速液壓啟閉機操作。

壓力鋼管采用一機一管的布置方式，為直接敷設在地基上的鋼襯鋼筋混凝土管道。單機引用流量579.76 m3/s，鋼管直徑11.5 m，外包混凝土厚2 m，混凝土標號C25。3條鋼管呈放射形布置，長度分別為253.4、250.5、248.7 m。鋼管由上平段、上彎段、斜直段、下彎段和下平段組成，斜管段坡度為1∶1.9，管道基礎寬15.5 m，厚1 m。上平段掩埋在混凝土面板堆石壩中，下彎段及下平段鋼管外包混凝土之間回填砂礫石，形成廠區交通平臺。3條鋼管在主廠房分縫處均取消了伸縮節，用可適應微小變形的彈性墊層伸縮管代替。

正常蓄水位包括水錘壓力在內的作用水頭約105 m，HD值達1 207.5 m2，屬于巨型鋼管。鋼管大部分采用Q345C低合金鋼，厚度為24～30 mm，在墊層管部位采用了國產WDB620C高強度鋼材，厚度為30 mm。

電站廠房布置在大壩下游壩腳處，為壩后引水式地面廠房。廠房建基高程為1 746.20 m，主廠房總長94.80 m，廠房順水流向寬33 m，機組段長度31.60 m，總高72.8 m。廠內安裝3臺單機容量為340 MW的水輪發電機組。

主廠房分尾水管層、蝸殼層、水輪機層及發電機層。發電機層高程為1 795.50 m。廠房上部結構由排架柱、鋼吊車梁、混凝土圈梁及磚混結構組成，內安裝兩臺跨度為29 m的橋式起重機。廠房屋面為預制鋼筋混凝土雁型板。尾水副廠房位于廠房下游長，共分三層。第一層高程1 767.50 m，為電纜夾層及供水設備層；第二層高程1 776.00 m，為廠用設備層；第三層高程1 784.50 m，為發電機電壓配電裝置層。

安裝間位于主廠房左側，總長63.00 m。安裝間底板高程1 795.30 m，安裝間設有進廠大門，與進廠公路銜接，進廠設備可直接進入安裝間。

開關站位于安裝間底部，為戶內GIS室。開關站長63 m，寬12 m，共兩層，上層布置GIS設備，下層為電纜夾層。

中控樓位于安裝間左側。中控樓總長13 m，寬度為33.00 m，共分五層。發電機組的中央控制室及辦公用房等，均布置在中控樓內。

尾水平臺寬23.50 m，布置有3臺主變壓器和1臺1 000 kN尾水單項門機。

尾水渠反坡段坡度1∶4，長50 m，寬88.30 m，底板厚50 cm，兩側為半重力式混凝土擋墻。

出線站位于安裝間上游側，占地約為27 m×79 m。

3.3 泄洪建筑物

泄洪建筑物由左岸溢洪道、左岸中孔泄洪洞和泄洪排沙底孔組成。

3.3.1 左岸溢洪道

溢洪道布置在左岸，為開敞式岸邊溢洪道，由引渠段、堰閘段、泄槽段、挑流鼻坎段組成。引渠段、堰閘段、泄槽段和鼻坎段的長度分別為30、46.2、344.302、38.181 m，堰閘段至鼻坎段溢洪道總長428.683 m。

溢洪道引渠段由堰前直線段、彎道段及與彎道相切的上游直線段組成。堰前直線段長度為40.0 m，底寬約為23.0 m，底板高程1 819.0 m。

溢洪道為一孔，溢洪道堰閘段順水流方向長度為46.2 m（樁號溢 0+000.00～溢 0+046.20），孔口尺寸15 m×20 m。堰閘段設溢流堰，堰體凈寬15 m。溢流堰坐落在K13層新鮮礫巖上，建基面高程為1822.0 m，堰下設齒槽并布置灌漿廊道，堰底部設灌漿帷幕及排水孔幕。堰頂高程為1 836 m，邊墩厚4.0 m，堰頂上游堰頭為三圓弧曲線，堰面曲線為WES曲線（y=0.0461x1.836）。下游直線段坡比為 1∶2，末端接反弧，半徑為40 m，圓心角為23.703°。堰頂設一扇15 m×20.6 m平板檢修門，啟閉設備與引水系統的攔污柵、泄洪排沙底孔檢修門共用2×2 000 kN/800 kN一臺雙向門式啟閉機。工作門為15 m×21.5 m的弧門，由2×3 600 kN液壓啟閉機操作。

溢洪道堰閘段后接寬度為15 m的等寬矩形泄槽，樁號溢0+46.2～溢0+260.0，底坡為0.05；樁號溢0+260.0～溢0+270.299，底坡由緩變陡時，用渥奇曲線（y=0.05x+0.004 37x2）連接；樁號溢 0+270.299～溢0+390.502，底坡為0.14。泄槽邊墻高由17 m變為14 m。

為降低泄槽下的揚壓力、防止繞滲，保證泄槽穩定，在泄槽底板設縱橫排水管，左邊墻底部布置一條縱向排水廊道，尺寸為2 m×2.5 m，廊道下設8 m深排水孔與泄槽底板排水管形成排水系統。

泄槽末端接挑流鼻坎，樁號為溢0+390.502～溢0+428.683。采用兩側導墻前后交錯收縮的舌形挑流鼻坎，鼻坎建基高程1 794.0 m，為新鮮巖石；挑流鼻坎反弧半徑為20 m，挑射角為37.97°，頂部高程1 816.152 m。

3.3.2 左岸中孔泄洪洞

中孔泄洪洞是由導流洞改建的 “龍抬頭”式有壓短管進口的泄洪洞，位于左岸山體中，全長828 m，包括進口引渠、進水塔、 “龍抬頭”斜洞段、反弧段、與導流洞結合段、明槽及消力池段等。

進口閘門段設有岸塔式進水口，進水塔長42 m，寬15 m，頂部高程1 861.0 m，進水口底板高程1 804 m。進水口為喇叭口型，頂部及側墻均為橢園形曲線（頂部x2/13.62+y2/4.52=1；側墻x2/52+y2/1.72=1）。進口段樁號0+003.47處設8m×13.6m的平板檢修門，由4 000 kN的固定式卷揚機啟閉。檢修門后設8 m×11 m的平板工作門，由6 300 kN的卷揚機啟閉。頂部壓板斜率為1∶4.3。

樁號中0+042.00處接斜洞段，斜洞由拋物線段（x2=350y）、14%的斜線段及反弧段組成，反弧半徑100 m。“龍抬頭”斜洞斷面為10 m×14 m的封閉式城門洞型。斜洞末端樁號為中0+220.023，底板高程1 778.972 m。樁號中0+214.457～中0+233.416為漸擴段，末端洞斷面變為10 m×15 m，與導流洞斷面相同。

從樁號中0+242.664～中0+678.327為導流洞結合段，底坡為0.47，斷面為封閉式城門洞型，頂拱半徑6.25 m，圓心角106.26°。中孔泄洪洞出口處底板高程1 776 m。中孔泄洪洞為鋼筋混凝土襯砌，厚度1.2 m。

中孔泄洪洞與消力池之間由水平段、拋物線段（y=0.004x2）、斜線段和反弧曲線段（反弧半徑為30 m，圓心角為14.04°）連接，底板高程由1 776.00 m降至1 768.00 m，底寬由10 m漸變為15 m。

出口消力池樁號中 0+739.642～中 0+812.0，池底高程1 768 m，凈寬15 m，邊墻頂部高程1 796 m，邊墻與底板為整體式。消力池尾坎頂高程為1 778.0 m，消力池建基面高程為1 765 m，底板厚度3 m，板下布設直徑為28 mm的錨桿，間排距1.5 m×1.5 m，深入基巖4 m。為降低板下揚壓力，在底板下部設縱橫向無沙混凝土排水暗管，消力池尾坎左邊墻外設集水井抽排。在消力池尾坎頂設1扇15 m×5 m的平板門，由2×400 kN固定式卷揚機操作。

消力池尾坎檢修閘門在導流洞封堵施工期間，承擔圍堰作用，阻止下游水流進入中孔泄洪洞。消力池尾坎檢修閘門在電站運行后承擔枯水期間消力池、中孔泄洪洞的檢修工作。

3.3.3 泄洪排沙底孔

泄洪排沙底孔進口位于左岸電站進水口2號、3號引水鋼管之間，在平面上有兩個彎道，其軸線走向由SE 159°經弧型變為SE 159°。泄洪排沙洞底孔引渠底高程1 795 m，底寬10 m，兩邊邊坡分別與溢洪道及電站進水口引渠相連接。

泄洪排沙底孔進口與電站進水塔結合，進口為兩孔，底坎高程1 795.0 m，各設一道事故檢修門，檢修門孔口尺寸為2孔4.8 m×8.0 m，啟閉設備與溢洪道及電站攔污柵啟閉設備共用。進口頂部為橢圓形曲線（x2/82+y2/2.672=1）。在樁號0+013.5處中墩結束，兩孔合一。進水口后樁號0+013.5～0+033.5為20 m長的漸變段，由矩形斷面12.0 m×8 m漸變為直徑9 m的圓形斷面。

樁號0+033.5～0+364.7為直徑9 m的圓形有壓隧洞，底坡為0.004 53，厚度為0.8、1.0 m的鋼筋混凝土襯砌，在平面上有兩個彎道，兩個彎道半徑均為50 m；樁號0+364.7～0+382.0為出口漸變段，由直徑9 m的圓形有壓隧洞漸變為8 m×6.8 m的矩形斷面，與工作閘室相連。

工作閘門室位于隧洞出口，樁號0+382.0～0+409.2，底板高程1 793.5 m，底板厚度3 m，內設弧型工作閘門一扇，閘門孔口尺寸為8 m×6.8 m，由2×2 000 kN液壓啟閉機操作。閘室后為明渠，泄槽寬8 m，底板厚2 m，底坡為0.004 53。根據水面線計算并考慮摻氣和安全超高，邊墻高度取9.0 m。末端接挑流鼻坎，反弧半徑為20 m，挑射角為28.43°，反弧段最低點高程1 787.35 m，鼻坎頂部高程1 798.103 m。

4 結語

（1）積石峽水電站工程樞紐布置充分結合了地形、地質條件，因地制宜地將電站進水口、溢洪道布置在左岸Ⅱ級階地上，樞紐布置緊湊。

（2）混凝土面板堆石壩的壩料分區設計中充分地利用了樞紐區建筑物開挖料，節省工程投資，同時設置L型壩體排水，降低壩體內浸潤線，利于壩體滲透穩定。

（3）引水發電系統布置為壩下掩埋式，壓力管道由壓力鋼管和較厚的外包混凝土聯合受力。

（4）泄水建筑物按不同高程分別布置了表、中、底泄水建筑物，可分別滿足施工期、運行期的下游供水和泄洪安全的要求。消能方式采用挑流、底流相結合，避免泄洪雨霧對下游1號滑坡的影響。

［1］中國水電顧問集團西北勘測設計研究院.黃河積石峽水電站工程可行性研究報告（審定本）［R］.西安：中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，2006.

［2］中國水電顧問集團西北勘測設計研究院.黃河積石峽水電站工程項目申請報告［R］.西安：中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，2007.