小浪底水利枢纽的设计特点

林秀山
　

摘 要 黄河小浪底水利枢纽是以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电的多目标兴利工程，是黄河下游治理的控制性骨干工程。枢纽坝高160m，水库总库容126.5亿m³；枢纽按千年一遇洪水40000m³／s设计，万年一遇洪水52300万m³／s校核；按水库减淤排沙运用要求，在非常死水位220m时枢纽总泄流能力不小于7000m³／s。高标准的设计要求与复杂的自然条件，使工程设计和建设面临一系列的挑战性技术课题， 诸如大坝深覆盖层处理、导流洞改建的多级孔板消能泄洪洞、大跨度地下厂房、无黏结预应力混凝土衬砌等，都是开拓性的设计研究与实践

关键词 小浪底水利枢纽 大坝 导流洞 地下厂房 工程设计

一、小浪底工程建设揭开了黄河治理新篇章

　　 小浪底水利枢纽位于黄河中游最后一个峡谷的出口，上距三门峡大坝130km，向下俯视黄、淮、海平原，控制 黄河流域总面积的92.3％，控制黄河花园口以上天然径流总量的92％及近100％的黄河输沙量，是治理黄河下游的控制性骨干工程。设计水库最高运用水位275m，回水直到三门峡坝下，水库总库容126.5亿m³。按照合理拦排、综合兴利的工程规划思想，确定枢纽的开发目标是：“以防洪(包括防凌)、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电，蓄清排浑，除害兴利，综合利用。”小浪底水库按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，规划水库防洪库容为40.5亿m³，调水调沙库容为10.5亿m³，防洪库容和调水调沙库容共51亿m³为长期有效库容，汛期用以削减洪峰和调节水沙，非汛期用以调节径流和控制凌汛期的下泄流量。其余75.5亿m³为淤沙库容，拦截上游的来沙(主要是粗颗粒泥沙)，减少下游河床的淤积。小 浪底水利枢纽已于1997年10月实现大河截流，2咖年元月首台机组并网发电，2001年底工程全部建成。小浪底 水库运用4年来，为确保黄河下游不断流发挥了重要作用，平均每年3～6月增加调节水量21亿m³，极大地缓解了豫、鲁两省沿黄地区的严重旱情。其中3次向天津紧急供水约24亿m³，天津实际受水12亿m³。水库大约在30年运 用期内拦沙100亿t，相当于使下游河床至少20年不淤积抬升。水库拦沙初期运用下泄清水，有利于下游已严重萎缩的主槽恢复过流能力。4年来黄河下游减淤12.8亿t，主槽过流能力增加100～400m³/s。小浪底水库投入 下游防洪运用后，下游的防护标准从约60年一遇提高到1000年一遇。2003年华西秋雨，小浪底水库将
5000～6000m³/s的洪水削减至约2500m³/s，使黄河滩区24.73万hma耕地和116万人免受洪灾损失，防洪效 益达110亿元。2000年初小浪底水库已参与防凌运用，2003年初黄河下游全河封冻，小浪底控制下泄流量120m³/s，确保了凌汛安全，黄河下游的凌汛威胁可望从此基本解除。小浪底水电站总装机容量1800MW，多年 平均发电量51亿kW·h，是系统中理想的调峰电站。4年来共发电95亿kW·h。综上所述，小浪底水利枢纽的 兴建无疑将揭开黄河开发治理的新篇章，成为治黄的里程碑工程。

二、枢纽的设计条件及枢纽建筑物总布置特点

1．枢纽的主要设计条件

　　(1)枢纽按千年一遇洪水40000n³/s设计，万年一遇洪水52300m3／s校核，水库校核洪水位同水库最高运用水位为275m，要求枢纽总泄流能力不小于17000m³/s。

　　(2)枢纽设计水平年200瞻年多年平均入库径流量277.1亿m³，多年平均输沙量13.23亿t，汛期入库沙量占 总来沙量的99％，汛期入库径流平均含沙量可能为80～lOOkS/m³。泥沙集中在汛期随三门峡以上的暴雨洪水人 库，坝址实测最大含沙量达舛941kg/m3(1977年8月7日)。水库淤积库容淤满后，坝前最高淤积面高程将达254m。

　　 (3)黄河由西向东流过小浪底坝址，河床覆盖层最深为70余m。坝址区为二叠纪和三叠纪沉积的砂岩、粉砂岩 和黏土岩交互地层。岩层以100°左右的缓倾角倾向北东，并含有连通性很好、摩擦系数为0.2～0.25的泥化夹层。岩体断裂构造及节理裂隙发育，横穿坝下的F，及左岸F236、F238等大断层均与枢纽建筑物有密切关系。左岸山体 由于沟道切割形成了单薄分水岭，水库蓄水后存在稳定问题。近坝区右岸包括右坝肩有多处大的滑坡和倾倒变 形体，坝址区基本地震烈度为7度，世界银行专家建议应考虑发生6.25级水库诱发地震的可能。

　　(4)按水库减淤排沙运用要求，在非常死水位220m时枢纽总泄流能力不小于700m³/s。

2．枢纽建筑物总体布置的特点

　　(1)挡水建筑物为设计坝高154m(实际坝高160m)、总体积5073万m³、坐落在深厚覆盖层上且带有内铺盖的斜心墙堆石坝，是我国壤土心墙第一高坝。

　　(2)枢纽采用隧洞导流并以隧洞群为主的永久泄洪方案。9条泄洪洞总泄流能力为13500m³/s，占枢纽总泄流 能力的78％，其中3条泄洪洞是由直径14.5m的导流洞改建而成的多级孔板消能泄洪洞。

　　 (3)采用以地下厂房为核心、典型三洞室布置的引水发电方案，电站装设6台300MW的水轮发电机组。

　　 (4)泄洪、引水发电及灌溉建筑物均布置在左岸，16条隧洞的进口采用集中布置的方案，以利互相保护防止 泥沙淤堵，从而形成了高113m、前缘宽度276m的进水塔群，塔后形成了高120m、平均坡度1:0.3的岩石开挖 高边坡。9条泄洪洞和开敞式溢洪道采用出口集中消能方式，设置了大型综合消能水垫塘。

三、枢纽关键技术问题的研究与实践

1．枢纽大坝的设计思想及设计要点

　　 根据小浪底坝址区的地形地质条件、丰富的土石资源和施工总进度安排，经过多方案比较，大坝设计为带内 铺盖的壤土斜心墙堆石坝(见图1)，并将截流戗堤、枯水围堰、拦洪主围堰和主坝构成一个有机的整体。大坝坝 高160m，坝顶长1667m，大坝有400多m坐落在河床深覆盖层上，其斜心墙下设厚1.2m的混凝土垂直防渗墙， 防渗墙向下截断深厚覆盖层嵌入基岩1～2m，向上插入心墙12m，形成主防渗线。厚6m的人工掺砾土内铺盖连 接壤土斜心墙和主围堰壤土斜墙，随着水库淤积的发展将形成天然铺盖作为大坝的辅助防渗线。大坝采用分区 设计，并尽可能多地利用枢纽建筑物的开挖料填筑坝体。左岸单薄山体视为大坝的延伸进行防渗、排水和填沟压戗稳定处理。 根据世行专家的建议，校核了大坝在8度地震烈度及发生距震中10km、6.25级水库诱发地震工况下的 动力稳定，并根据分析在大坝下游坝坡155m高程设置了80m宽的压戗，以防止砂卵石地基液化影响下游坝坡 的稳定。对于横穿坝下的顺河向Fl大断层采用混凝土板封闭、固结灌浆、5排加强帷幕灌浆以及在反滤、过渡料 和堆石体底面设置反滤保护等措施，进行了重点加固处理。在大坝的设计中还采用了一系列先进的施工工艺， 诸如GIN帷幕灌浆技术、龙口段高压旋喷灌浆防渗技术、混凝土防渗墙槽口段平接技术、左岸坝脚坡积洪积物 地基采用旋喷灌浆桩加固技术等。大坝设置了渗压计、沉降仪、测斜管、土压力计等共487只原型观测仪器和大 量的位移测点，关键的原型观测仪器用MCU和计算机联网，可进行数据的自动采集和分析。

2. 进水口防止泥沙淤堵问题的研究

　　 根据大量的模拟泥沙输移的浑水水力学模型试验及不同的枢纽总布置方案比较，防止进水口泥沙淤堵的设计要点如下：

　　 (1)所有泄洪、排沙及发电、灌溉引水口分10个进水塔集中布置在左岸 风雨沟内，形成了侧向引水条件。从大 坝的上游坝脚起修高程为250m的引 水导墙，将高含沙洪水平顺地导引至 进水塔群前。10座进水塔一字形排 列，高含沙洪水将在风雨沟内形成一 个逆时针向的回流。16个进水口从平 面及立面上错落有致地做了精心的布 置。孔板消能泄洪洞和排沙洞共6个 洞的进口相间布置在175m高程，发电引水口布置在190m／195m高程，并 直接位于排沙洞进口上方，3个明流洞进口分别位于195m、209m和225m高程，开敞式溢洪道进口高程为 258m，从而形成了底部泄洪排沙、中 间引水发电和上部泄洪排漂的总格 局。如此布置有利于在进水塔前形成 以175m高程为底缘的进口冲刷漏 斗，漏斗的前坡为1:3.3。

　　 (2)在汛期一般来水情况下轮流开启，排沙洞保持至少100～200m³／s的 泄流，以防止泥沙在进水塔前大量落淤。

　　 (3)在进水塔前设置淤积高程监测 仪器，并设置高压水枪，如遇到水流淘 刷、水库诱发地震等原因造成漏斗坍 塌封堵进水口的情况，可由高到低分 层泄流，并用高压水枪冲刷淤堵泥沙开启闸门。

　　 (4)汛期非泄洪时所有泄洪洞均由 事故门挡水，事故门的启闭容量考虑 了20m的附加泥沙压力。发电引水口 设置双层拦污栅，并配有清污设备，拦污栅上设置了压差监测仪。

3．孔板消能泄洪洞的研究与实践

　　 小浪底水利枢纽的兴建使水库上 下游形成了140m的落差，最大泄流量13990m³／s。基于水库排沙减淤的运 用方式，必须以具有深式进水口的隧洞泄洪为主，因此高速水流的处理是 枢纽设计的关键技术难题。鉴于泄洪 引水建筑物集中布置在左岸单薄山 体，进水塔的布置又受断层F28的限制，建筑物布置的空间很有限。按百年一遇导流标准要求，最大泄流能力近9000m³／s的导流洞将占据很大的空间，从地形地质条件来看也只适合于布置在左岸，于是围绕导流洞的重复 利用进行泄洪方式的选择就成为枢纽建筑物总体布置的核心。 导流洞贴近原河床布置，要利用导流洞作为永久泄洪洞泄洪，最大水头达140m。如抬高进口改建为明流泄 洪洞，最大流速达48m／s，这样的高速含沙水流的水力学问题远远超出了工程实践的范围。我们也研究过改造 压力泄洪洞的方案，即抬高进口，在出口设弧形工作闸门，采用钢板衬砌或复合衬砌以防止高压水外渗影响单薄 山体的安全。但这种衬砌结构非常复杂，不仅造价高，而且建设工期长，质量也难保证。此外，我们还研究过进口 大圆塔方案，在圆塔内对冲加水垫消能后由与塔体相连的原导流洞泄水至下游。

　　 设计人员经过长期的研究与论证，突破常规，开创性地推荐了多级孔板消能泄洪洞方案。该方案的要点是 抬高进口，按3倍洞径的间距设三级孔径比分别为0.689、0.724、0.724的孔板环，然后在洞内设偏心铰弧形工 作闸门控制室。水流在洞内受孔板环的突缩和突扩形成剪切流消煞能量，然后经弧形工作门孔射流至下游以 壅水明流方式人消力塘。三级孔板共可消煞50多m水头，工作门孔最大平均流速33～35m/s，一般为30m/s左右。

　　 在大量模型试验及碧口中间试验的基础上，2000年4月底，1号孔板消能泄洪洞进行了水力学过流原型观测 试验，就长期以来国内外专家十分关注的孔板洞消能效果、水流空化、脉动水流诱发衬砌结构及围岩的振动、中 闸室出口水流的掺气及空腔负压、闸门开启过程中的流激振动以及孔板环、衬砌结构应力等进行了现场测试。

　　试验水库水位210.2m，试验历时24小时，试验过水流量1200-1300m³／s。6月初召开了专家咨询会，对原型观测 的试验成果进行了认真的咨询、分析和讨论。专家认为，原型观测取得了重要的有科学价值的成果，对长期有争 议的孔板泄洪洞洞内消能方式主要问题有了明确或比较明确的结论。认为孔板洞有压段内时均压强及脉动压力 的原型观测结果和模型试验的相应成果符合良好，三级孔板总消能率46.6％。闸门全开时2号、3号孔板处于弱空化状态，部分专家认为，根据这次原型观测结果，估计在高水位250m时也不致出现强烈空化。1号孔板洞泄流诱发山体振动的最大加速度只有4.91cm／s²，基本上属无感振动。估计在 高库水位时3条孔板洞同时泄洪，也只会诱发很微弱的山体振动。隧洞衬砌结构有充分安全储备。闸门局部开 启时只有轻微振动。认为这些原型观测成果对指导小浪底孔板泄洪洞的安全运行有重要意义，对推广导流洞改 建成永久泄洪洞及孔板消能形式也有重要参考价值。在2002年小浪底调水调沙试验和2003年华西秋雨防汛运用中，孔板洞分别在水位235m和 260m参与运用，进一步证明了孔板洞是一项成功的设计，经专家鉴定，小浪底多级孔板消能泄洪洞的设计总体上达国际领先水平。

4．水电站地下厂房的研究与实践

　　小浪底水电站安装6x300MW混流式机组，设计水头112m，单机最大过流量296m³／s。在小浪底轮廓设计和 初步设计中曾分别推荐引水式地面厂房和半地下式厂房方案，在初步设计优化中推荐采用了以地下厂房为核心 的引水式布置方案。厂房跨度26.m、长251m，最大开挖深度61.44m。根据有限元及模拟开挖支护的地质力学模 型试验成果，并通过工程类比，设计采用了包括顶拱在内的喷锚柔性支护作为永久支护和岩壁吊车梁方案，选择了支护参数。鉴于顶拱围岩存在有连续的泥化夹层，在顶拱部位除设置长8m/6m、孔距3m、相间布置的系统张拉锚杆及厚20cm的挂网喷混凝土 外，以排距6m、间距4.5m，布设了324根1500kN、长25m的双层保护预应力锚索。61m高的开挖直立边墙采用长10m／8m、间距3m相间布置的系统张拉锚杆和20cm厚喷混凝土，在泥化夹层部位设两排长12m、500kN的预 应力锚杆。施工期收敛计所测顶拱最大位移17mm，边墙最大位移24mm。地下厂房的岩壁吊车梁的设计荷载 1000t，经实际超静载25％及超动载10％的试验，证明工作状态良好。小浪底地下厂房是我国在沉积岩地层条件 下最大的地下厂房，在如此地质条件下建造以柔性支护作为永久支护、采用岩壁吊车梁的大跨度地下厂房属国际先进水平。

5．排沙洞无黏结后张预应力混凝土衬砌结构的研究与实践

　　 小浪底排沙洞在枢纽中担负泄洪排沙及径流调节的任务，设计为压力洞。进口高程175m，每条洞6个进 口直接位于发电引水口的下方，然后合为一条直径6.5m的洞，出口设有可以局部开启的偏心铰弧形工作闸门。最高设计水头122m，单洞最大过流能力675m³／s，控制最大泄流不超过500m³／s，以保证洞内最大流速不超过15m／s。 压力式排沙洞最令人担心的是高压水外渗影响左岸山体的稳定，因而 排沙洞衬砌结构的选择是一个关键技术难题。在小浪底初步设计中，曾研究比较过钢板衬砌方案、灌浆预应力方 案，并最后引进了有黏结的后张预应力混凝土衬砌技术作为推荐方案。工程开工后，根据承包商的建议和由业主组织的专家论证，以无黏结后张预 应力混凝土衬砌结构方案作为替代方案，由黄委勘测规划设计研究院承担了该方案的设汁任务， 编制了施工技术规范，并付诸施工。该方案的设计要点如下：

　　 (1)在帷幕前排沙洞采用普通钢筋混凝土衬砌，帷幕后采用无黏结后张预应力混凝土衬砌结构，3条排沙洞预应力衬砌段共长约2000m。

　　 (2)在一般Ⅲ类围岩条件下预应力段设计混凝土衬砌厚度为0.65m，在断层破碎带预应力衬砌圈的外层另设厚度为0.60m的普通钢筋混凝土衬砌
圈。采用二级配C40混凝土，混凝土浇筑段长12.05m。

　　 (3)每束无黏结预应力锚索由8根015.7mm的钢绞线组成，钢绞线标准强度为1860MPa。锚索全长涂 0.5mm厚的防腐油脂，并用1.5mm厚的聚乙烯套管保护。无黏结预应力锚索在混凝土衬砌中采用双圈缠 绕布置，两层的净间距为13cm，相邻锚具槽中心距0.m，在起拱线以下按900/200两种方式分两排对称布置。锚具槽长1.54m、宽0.28m、深 0.25m，锚索张拉锁定后用无收缩混凝土回填锚具槽。

　　 实践证明，无黏结后张预应力混凝土衬砌有预应力效率高、施工方便、投资省等优点。小浪底排沙洞已投入 泄流运用4年多，工作状态良好。蓄水安全鉴定结果表明这是一项成功的设计。它填补了我国利用这项技术的空 白，而且有广阔的使用前景。

(作者为黄河勘测规划设计有限公司小浪底项目设计总工程师、教授级高级工程师)
责任编辑 韦凤年