河南五岳抽水蓄能電站上水庫庫盆軸線布置設計

李國會，李金友，盧 博，劉惟軼

（1.湖南水利水電職業技術學院，湖南 長沙 410131；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 工程概況

河南五岳抽水蓄能電站位于河南省信陽市光山縣殷棚鄉境內，裝機容量1000MW，樞紐工程主要由上水庫、輸水系統、地下廠房及地面開關站、下水庫等組成。

上水庫選擇在牢山寨北坡頂部的天然“V”形溝谷內，通過筑壩及擴庫開挖形成庫盆，正常運行時水位變幅36 m，調節庫容946萬m3，無泄水建筑物。壩址以上控制流域面積僅0.311 km2，庫盆利用一季節性流水的沖溝開挖而成，沖溝上游段走向NEE，下游段從大壩坡腳附近開始折向NNW方向，庫盆范圍內沖溝溝底高程為205～300 m，溝底平均坡降約13%，沿庫盆四周共發育有8條規模較小的次級沖溝。庫周山頂高程多在350～390 m，最高處為牢山寨，海拔高程415.90 m。庫內及庫外邊坡地形坡度變化較大，庫內邊坡坡度介于21°～44°之間，局部為花崗巖陡崖，庫外邊坡地形坡度一般在25°～46°之間。上水庫地形地貌如圖1所示。

圖1 上水庫全貌（下游視）

2 庫盆軸線布置原則

2.1 充分利用地形地質條件

上水庫庫盆所利用的天然沖溝走向大體呈“L”形，兩岸山體亦不對稱，庫周地形分水嶺以庫盆南側和東側一帶封閉條件較好，以主峰牢山寨為依托，山脈沿NEE～SWW方向延伸，山脊高程350～415 m；東側為一近南北走向的條形山脊，頂部高程在360～390 m之間，庫盆西側為一低矮埡口，最低高程僅321.3 m。

總體分析，上水庫壩址處集雨面積較小，庫盆地形條件較緊湊，壩軸線可供調整的范圍有限。壩軸線布置時應充分利用分水嶺，并對局部低矮埡口進行筑壩封閉，需要關注南側單薄分水嶺的滲透穩定問題。

同時，壩址左岸下游的分水嶺總體較右岸要低，作為混凝土面板堆石壩的下游坡腳，在壩軸線設計時，應保證左岸下游壩坡坡腳不越過該分水嶺。

2.2 保證調節庫容

本工程下水庫利用已建成的五岳水庫為大（Ⅱ）型水庫，現狀條件下調節庫容8098萬m3，上、下水庫進/出水口水平距離約1845m，電站加權平均水頭238.3m，額定水頭241.0m，距高比為7.7。經綜合分析比選，確定裝機容量為1000MW，所需上水庫調節庫容不小于946萬m3。

在已確定壩型為混凝土面板堆石壩的前提下，上水庫庫盆軸線的設計應在充分利用有限地形的條件下，保證調節庫容滿足發電要求。

2.3 土石方挖填平衡控制

上水庫地層巖性為燕山晚期肉紅、灰白色中粒二長花崗巖類，石料致密堅硬，均一性好，抗風化能力強，不存在潛在的混凝土堿活性反應，弱風化及其以下巖石開挖料可滿足作為堆石壩填筑料的質量要求。

受上水庫選址區域地形條件及調節庫容等因素限制，上水庫需采用“人工開挖擴庫+筑壩成庫”的開發方案，即通過“半挖半填”方案以形成滿足發電任務需求的上水庫庫盆。

根據料源規劃設計方案，上水庫庫岸開挖石料可滿足大壩墊層料開采量要求，上水庫相關區域開挖石料亦可滿足大壩過渡料、堆石料及護坡料的設計需要量，將上水庫庫盆底部向下擴挖作為備選料源儲備方案。

上水庫庫盆下挖作為儲備料源，存在著“低挖高用”的缺點，施工中應盡可能避免采用此方案。除做好料場開采規劃與壩料中轉、減少棄料等工程施工舉措外，在庫盆軸線設計方案上，應尤其關注上水庫土石方平衡，通過優化軸線布置設計，輔以料源規劃與開采，方能解決開挖與填筑的關系，并盡可能減少棄料，做到料盡其用。

3 庫盆軸線布置設計方案

3.1 大壩軸線布置設計方案

上水庫擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，結合地形地質條件，依據調節防洪庫容及土石方平衡等綜合要求，大壩壩軸線按中間直線、兩端圓弧線（凸向庫外）方式布置，壩軸線平面布置參數如表1所示。

表1 上水庫大壩壩軸線平面布置參數

壩頂高程351.00 m，壩軸線總長1 362.23 m，約占上水庫庫盆軸線周長的65.61%。上水庫大壩壩軸線平面布置方案如圖2中實線部分所示。

圖2 上水庫庫盆軸線平面布置（尺寸單位：m）

3.2 庫岸軸線布置設計方案

為增大上水庫有效庫容，滿足電站調節性能要求，并結合土石方挖填平衡需要，在上水庫東南側牢山寨進行擴庫開挖，開挖位置盡可能靠近大壩，且開挖料質量符合大壩填筑料要求。擴庫開挖段順應山體地形變化，由多段直線段和弧線段平順連接而成，庫岸軸線平面布置參數如表2所示。

表2 上水庫開挖庫岸軸線平面布置參數

根據上水庫挖填平衡的原則，在滿足壩頂交通及運行要求的前提下，環庫公路路面高程以上山體按地質建議坡比及邊坡穩定要求進行開挖。擴庫開挖段總長度約713.98 m（環庫公路內側軸線投影），占總庫長的34.39%。上水庫庫岸軸線平面布置方案如圖2中虛線部分所示。

4 結 語

1）上水庫混凝土面板堆石壩平面布置采用“1段直線+3段圓弧曲線”的壩軸線形式，可以充分利用上水庫有限地形空間、適應上水庫地貌特點，同時保證了蓄水發電所需要的調節庫容；主河溝左岸下游壩坡壩腳亦未越過單薄分水嶺，保證壩坡穩定的同時，也節省了壩體填筑工程量。兩端圓弧段采用相同的半徑，方便面板的結構設計與施工。

2）上水庫開挖庫岸軸線順應地形地勢變化，采用“4段直線+3段圓弧曲線”的布置形式，在保證必需的壩體填筑料料源供應外，經復核計算，分水嶺處的山脊抗滑穩定滿足規范要求，確保了蓄水后及水位消落過程中的庫岸穩定。

3）根據多方案比選確定庫盆軸線設計方案，并完成上水庫筑壩材料的料源規劃設計，如表3所示。

表3 上水庫大壩主要料源規劃

根據土石方平衡計算成果，上水庫庫岸開挖石料可滿足大壩過渡料、堆石料及護坡料的設計需要量，但不滿足1.15倍規劃開采量的擴大系數要求，在將上水庫庫盆底部向下擴挖作為備選料源儲備方案的同時，設計上采取在大壩下游堆石區高程較高處采用摻入一定比例的強風化石料，提高開挖石料的上壩率，可有效解決開采量擴大系數偏低的問題。

4）雖然大壩軸線存在多段圓弧，但通過調整防浪墻上游面結構體形，可確保面板與防浪墻的水平接縫仍然為常規的直線形，進而保證了上述區域的面板亦為常用的平面面板（表面和底面均為平面），便于面板的結構設計與施工。