秘魯圣瑪利亞水電站樞紐布置設計

李道元

（上海勘測設計研究院，上海 200434）

1 工程概況

秘魯圣瑪利亞（Santamaria）水電站位于秘魯中部，距首都利馬約 650km，壩址位于阿亞庫喬（Ayacucho）地區潘巴斯（Pampas）河上，電站廠房位于庫斯科（Cusco）地區阿普里馬克（Apurimac）河左岸Lechemayo 村附近。工程區屬安地斯山脈中高山區，交通條件較差，與工程區最近的城市為阿亞庫喬市，阿亞庫喬至工程區的道路多為山區泥結石路面，其中廠址區有公路通過，庫壩區則無交通道路。

潘巴斯河為阿普里馬克河的一級支流，由西北流向東南，于帕凱帕塔注入阿普里馬克河，阿普里馬克河由南向北流，匯入亞馬孫河后流入大西洋。因此，該兩條河在此處形成了一個大拐彎，集中了約800m的天然落差。

電站采用混合式開發，最大壩高137m，引水線路全長30km，由28km長的隧洞和2km長的壓力鋼管組成。整個工程由首部樞紐、引水系統和地面廠房等三大部分組成。大壩建成后，電站正常蓄水位1675m，相應水庫總庫容為 5.15億m3，有效庫容為4.0億m3，為季調節水庫。電站總裝機容量750MW，安裝4臺單機容量為187.5mW的沖擊式水輪發電機組，年發電量48.16億kW·h，年利用小時數6420h。

首部樞紐由瀝青混凝土心墻堆石壩、左岸溢洪道、泄水底孔（兼導流洞）組成；引水系統由左岸進水口、引水隧洞、調壓室、閥門室和壓力管道組成；廠區樞紐由地面廠房和地面開關站等建筑物組成。輸電線路電壓等級為 500kV，從升壓站接至新建的Mantaro－Caraveli－Montalvo輸電線路，總長約120km，最后送至秘魯國家電網。

2 工程建設條件

2.1 水文、泥沙

圣瑪利亞水電站位于安第斯山脈的東部，秘魯的中心。水庫流域由 Torobamba河流域和潘帕斯河流域兩條河流組成，河源和壩區均屬高山峽谷地形，植被較差，為干旱少雨地區，河床自然坡降約7‰，壩址以上集水面積25000km2，徑流主要來源于降雨，壩址多年平均流量為120m3/s。

分別對水電站（阿普里馬克河）和水庫（潘帕斯河）兩個位置的洪水進行調查，計算最大可能洪水（MPF）流量為5000m3/s。

水庫壩址附近沒有泥沙長期監測資料，據2008年4月實測潘帕斯河在雨季的含沙量為0.21kg/m3。

2.2 地形地質條件

工程區位于秘魯中部的安地斯山脈，東部為亞馬遜平原，西部為太平洋。安地斯山脈呈NW-SE向展布，山脊高程 3000～4500m，溝谷高程 700～1600m，屬中高山區地貌。工程區西部干旱少雨，植被稀疏，河流侵蝕作用強烈，山地風化剝蝕、水土流失嚴重，為典型的侵蝕、剝蝕山地。東部則氣候相對溫濕，降雨量大，植被茂密，為侵蝕、堆積地貌。

秘魯位于環太平洋地震帶，南美洲主要的構造格架為安地斯山脈和秘魯－智利海溝，為全球強震區之一，也是地球上高頻率地震發生區。南美洲板塊運動向太平洋逆沖形成了安地斯山脈，板塊從大西洋東北部以每年 2～3cm的速度向太平洋發展，并沿著南美洲海岸與納斯卡板塊相撞，納斯卡板塊在南美洲板塊推動下以每年5～10cm的速度向西發展。工程區外圍地震烈度一般在Ⅵ度，接近工程區一帶達到Ⅶ度，地震加速度為0.15g～0.25g，相應的地震基本烈度為Ⅶ～Ⅷ。工程區板塊活動強烈，區域構造穩定性較差。

壩址區基巖為二疊系晚期安山巖及斑巖，巖質中硬，強風化厚度一般 3～5m，下部弱～微風化巖體屬弱～微透水性。河床覆蓋層由卵礫石組成，最大厚度111m，在覆蓋層中上部約40m深度發育一層軟粘土層，厚度3～15m，覆蓋層下部含承壓水，說明兩岸地下水位高于河水位，粘土層具有一定的封閉性。

引水隧洞沿線穿越的地層巖性有：古生代晚期的火山巖、沉積巖、深成侵入的花崗巖及早古生代的板巖。

廠址區位于阿普里馬克河的左岸岸邊，地面高程720～740m，覆蓋層厚度10～27m，由粉質壤土、砂卵礫石層組成，下部基巖為板巖。

近壩料源初查儲量基本滿足要求，砂卵礫石儲量約950萬m3，防滲土料較為匱乏，混凝土骨料可于壩址附近河谷開采，可滿足工程需要。

3 樞紐布置

圣瑪利亞水電站工程由首部樞紐、引水系統和廠區樞紐等三大部分組成。根據樞紐工程場址的地形、地質、工程布置、工程量、施工布置、工期、投資和運行等條件，初擬壩址、廠址和引水系統線路，初擬壩型、引水發電、泄洪消能等主要建筑物型式，經技術、經濟比較，確定工程總布置方案。

根據工程區域地質構造及地形地質條件，引水系統和廠區樞紐布置相對比較簡單，較容易從工程安全和技術經濟上確定方案。工程布置的關鍵問題是如何在復雜的地質條件下，合理有效地進行首部樞紐布置，如何解決好深厚覆蓋層地基上修筑高壩的防滲和基礎處理等問題。

3.1 首部樞紐布置

首部樞紐由瀝青混凝土心墻堆石壩、左岸溢洪道、泄水底孔（兼導流洞）組成。

3.1.1 壩址選擇

壩址區河流流向為SE向，河谷寬度150～260m，基巖為安山巖及安山質凝灰巖，巖質中硬，無大的斷層通過，兩岸岸坡基巖裸露，坡度45°～70°，自然岸坡基本穩定。

預可研設計階段初選了上壩址和下壩址2個壩址進行比較，上、下壩址相距840m，從地形地質條件，壩址及其影響區固體徑流條件，樞紐布置條件及工程量，施工條件等分析，確定采用上壩址。

3.1.2 壩型選擇

根據圣瑪利亞水電站地處地震烈度高、河床覆蓋層深厚、壩址區天然建材豐富等地形地質條件，宜修建當地材料壩，較適宜的壩型有混凝土面板堆石壩、碎石土心墻堆石壩和瀝青心墻堆石壩。

混凝土面板堆石壩由于基礎、堆石體的變形較大，且覆蓋層中上部的軟粘土層厚度較薄，很難保證壩體防滲結構（防滲墻、趾板和面板）有好的變形適應性，作為建在覆蓋層地基上混凝土面板堆石壩，該工程最大壩高137m，壩基混凝土防滲墻最大高度 40m，為世界領先水平，由于面板堆石壩的面板對沉陷變形較為敏感，不均勻沉降易造成面板開裂。

瀝青混凝土心墻堆石壩和碎石土心墻堆石壩相比，在壩體及基礎應力變形條件、防滲體聯結可靠性、防震性能等方面基本相同，差異較大之處在于壩體防滲體不同，一為瀝青混凝土心墻，一為碎石土心墻。

碎石土心墻堆石壩對防滲土料的粘粒含量和含水量要求較高，且壩坡較緩，工程量較大。瀝青混凝土用于水電工程防滲，由于其受料源的限制、受冬季和雨季施工的制約相對較小，同時還具有工程量相對節省等特點，因此采用瀝青混凝土心墻堆石壩方案。

3.1.3 大壩及基礎防滲設計

攔河大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程1677m，最大壩高137m，壩頂寬度12m，壩頂長度305m。壩體結構劃分為瀝青混凝土防滲心墻、上下游過渡層、壩殼堆石料等，上游壩坡 1:2.0，下游壩坡1:1.8。心墻為梯形結構，頂寬0.6m，向下逐漸加厚，最大底部厚度為1.4m。心墻底部為鋼筋混凝土墊座，墊座下為混凝土防滲墻，防滲墻厚度0.8m，最大深度為 40m，伸入粘土層 1.5m，瀝青混凝土心墻與鋼筋混凝土墊座之間、鋼筋混凝土墊座與混凝土防滲墻之間均為剛性連接。

3.1.4 溢洪道及泄水底孔設計

溢洪道位于大壩左岸，由進水渠、控制段、泄槽和消力池組成。10000年一遇洪峰流量為3500m3/s，最大可能洪水（MPF）流量5000m3/s。

控制段共設4孔，單孔凈寬11.3m，堰頂高程1662m，設弧形鋼閘門控制。泄槽段總長 429m，凈寬由54.2m漸變為30m，自溢流堰末端至消力池首端共分6級，陡坡變坡處共5處，為防止發生空蝕，均設置了防空蝕措施。下游采用底流消能，消力池長72m，池深20m，凈寬35.3～50m。

泄水底孔的功能是從水庫引用固定流量為 7.0m3/s的生態用水，同時在水位低于溢洪道溢流堰頂時預降庫水位。泄水底孔由導流隧洞改建而成，在大壩壩肩防滲帷幕線下游的導流洞段設置閘門井，其后布置一條直徑為2.6m的鋼管，長約530m，出口端設置調節閘閥以及消力池。

3.2 引水系統布置

引水系統由左岸進水口、引水隧洞、調壓室、閥門室和壓力管道等組成。自壩址至電站廠房間的大拐彎河段長約120 km，河床自然坡降約7‰，左岸為凸岸，無交通道路通過，采用左岸引水方案，通過裁彎取直獲得 858m水頭。引水線路從進水口至廠房全長約30km，由28km長的隧洞和2km長的壓力鋼管組成。

隧洞洞徑為6.4m，設計引用流量100m3/s，采用TBM法施工。調壓井位于隧洞出口上游415m處，為雙室結構，由直徑11.3m豎井相連，上室為地面鋼筋混凝土結構，B×H=11.3m×10m，左右對稱各43m，布置交通道對外聯系，下室為城門洞型地下廊道，左右對稱各90m。隧洞出口18m處布置閥門室，設2座直徑3.2m的事故檢修蝶閥。閥門室后設有兩根壓力鋼管，每根鋼管直徑3.2m，每根鋼管分為兩岔進入電站廠房。壓力管道為明管，鋼管內壓巨大，上半段采用普通 16MnR，下半段采用進口800MPa級進口鋼材，壁厚22～50mm，在10個轉角處共設10個鎮墩。

3.3 廠區樞紐布置

廠區樞紐由地面廠房和開關站等建筑物組成。地面式廠房布置在阿普里馬克河的左岸岸邊，裝有4臺沖擊式水輪機發電機組以及其他機電設備，電站裝機容量750MW。

水電站廠房地面高程724.5m，水輪機安裝高程713m，廠房底板高程705.3m。廠房長105m，寬22m。

開關站布置在廠房右側的臺地上，緊鄰主廠房，長200m，寬100m，場內地坪高程724.5m。

4 工程特點和難點

圣瑪利亞水電站工程規模較大，為秘魯最大的水電工程，電站采用混合式開發，利用天然地形條件裁彎取直，集中水頭引水發電，工程布置合理。但由于工程區較為復雜的地質條件和較大的開發難度，帶來了許多技術難題。

（1）大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，最大填筑高度137m。在當地材料壩中，無論采用何種壩型，均為國內外同類型的最大壩高。

（2）河床覆蓋層深厚，最大厚度達 111m，基礎變形控制和防滲處理難度大，如何利用覆蓋層中上部厚度為 3～15m的軟粘土層，成為選擇壩型及防滲方案的關鍵。

（3）引水隧洞具有埋深大（2500m）、洞線長（28km）的特點，超長引水隧洞的設計和施工難度較大，需要妥善處理高地應力和巖爆、突涌水、有害氣體、圍巖穩定以及隧洞所穿越的斷層破碎帶等問題。

（4）電站采用大容量沖擊式水輪發電機組，單機容量為187.5mW，其設計研發和施工技術控制難度均居國內同類工程之先。

（5）壩址區無對外交通道路、無施工電源。工程區地形陡峭、沖溝發育，施工布置條件差，施工難度較大。