溪洛渡电站设计中的重大技术问题研究（上）

肖白云

摘要：总装机容量达12 600 MW的溪洛渡工程是我国继三峡工程之后的又一座巨型水电工程。工程以水力发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等综合利用效益。溪洛渡混凝土双曲拱坝足建在基本烈度Ⅷ度的高地震区的特高拱坝。在溪洛渡枢纽设计中，对几个关键技术问题进行了深入的研究，即：大坝基建面的选择、拱坝的体型设计，大坝应力分析，坝肩稳定分析，大坝的抗震设计、泄洪消能和超大型地下洞室群的设计。随着前期工程的进展，这些技术问题将深入研究，并会取得满意结果。

关键词：重大技术问题；设计；溪洛渡水电站；金沙江

1 概述

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县境，坝址距离宜宾市(金沙江河口)河道里程184km，坝址控制金沙江：流域面积45.44万km2，占金沙江总流域面积的96%。是金沙江上控制性的枢纽工程，业主为中国三峡总公司。电站开发任务以水力发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等综合利用效益，供电华东、华中地区，兼顾川渝、滇的用电需要。它是金沙江“西电东送”距离最短的骨于电源之一，也是落实国家西部大开发战略，实现“西电东送”的骨于工程。

水库正常蓄水位高程600m，死水位高程540m，汛期防洪限制水位高程560m。大坝壅高水位约230m，形成一座长约200km，平均宽度690m的河道型大水库。水库总库容126.7亿m3，正常蓄水位600m以下的库容115.7亿m3，其中死库容51.1亿m3，调节库容64.6亿m3，具有不完全年调节能力。

电站枢纽在左、右两岸各设一座地下厂房，各安装9台 700MW混流式水轮发电机组，总装机容量12 600MW。初期保证出力3 395MW，多年平均年发电量576.7亿kW·h，其中枯水期电量145.1亿kW·h。

溪洛渡工程综合效益显著：

(1)防洪 水库控制了金沙江流域面积96％，占长江宜昌以上流域面积47.8％，汛期洪水总量约占宜昌洪量的1／3以上。是长江防洪体系的重要组成部分。水库厂游紧临川江，具有控制洪水比重大，距离防洪对象近的特点。利用水库的46.5亿m3防洪库容调蓄洪水，配合其它措施，可以提高下游

沿江重要城市宜宾、泸州和重庆的防洪标准。

三峡水库是长江中下游防洪的主体工程，有防洪库容 221.5亿心，对长江中下游防洪作用巨大，使荆江河段的防洪标准提高到100年以上。溪洛渡水库汛期拦蓄金沙江洪水，减少了直接进入三峡水库的洪量。如与三峡水库联合进行防洪调度，在遭遇特大洪水时，可以减少长江中下游分洪量25～40亿m3，平均防洪效果系数(削减下游分洪量／预留防洪库容)58％。

(2)拦沙 金沙江是一条多泥沙河流，多年平均含沙量1.7kg／m3，在溪洛渡坝址悬移质年输沙量达2.47亿t，推移质年输沙量180万t。通过重庆市寸滩水文站的输沙量有一半来自金沙江。溪洛渡水电站位于金沙江产沙区的末端，利用大坝壅高水位达230m，对河道天然输沙条件的改变较大，

有巨大的死库容的优势，辅以水库合理调度，大量拦截泥沙，减少三峡水库的入库泥沙，且使三峡水库入库泥沙颗粒细化，可有效地减少三峡水库库尾的泥沙淤积，有利于三峡水库的长期使用和综合效益的发挥。

(3)发电补偿效益 长江水系汛期水量丰沛，各电站汛期电量比重均较大，特别需要调节水库将汛期水量调配到枯水期发电。溪洛渡水库具有64.6亿m3的调节库容，由于它的凋蓄作用，能使三峡、葛洲坝电站的供水期增加一个月，保证出力共增加379.2MW，枯水期电量18.86亿kW·h。使向家坝水电站设计枯水年的枯水期平均出力增加保证出力336MW，发电量13·54亿kW·h。

(4)航运 枢纽位于不通航河段。经水库调节，在枯水期可增加下泄流量约500m3／s，较大地改善下游川江航道的枯水期航运条件。

2 枢纽布置

坝区位于豆沙溪沟口至溪洛渡沟口，全长约4km的峡谷河段，在峡谷进口金沙江呈近90°拐弯，峡谷段内河道顺直,谷坡陡峻，临江坡高从进口的大于400m，向下游逐渐降为 300m左右。河谷断面呈窄“U”型，河谷的宽高比约为2，枯水期水面宽70～110m，在水面抬高230m到达正常蓄水位 600m时，水面宽度仅有530m左右。整个峡谷无冲沟，地形十分完整，且在峡谷中段两岸地形向下游略呈收敛之势，具备修建高拱坝的良好的地形条件。

坝区河床基岩及两岸谷坡主要由二叠系上统峨眉山玄武岩(P2β)组成，系一总体缓倾下游偏左岸的单斜构造，岩层产状在峡谷进口和出口附近有明显转折，形成“陡一缓一陡”的平缓褶曲，峡谷中段产状平缓，倾角3°～5°。岩流层厚达490～540m，岩体致密、坚硬、均一，没有断层分布，发育于岩流层层间和层内的的错动带是其主要的结构面。茅口组石灰岩 (P1m)出露于峡谷进口谷底，向下游倾伏于玄武岩之下，在峡谷中段埋深达100m左右。河床冲积层一般厚度15～20 m，在峡谷出口段附近增加为40m左右。大量的地质勘察成果表明，在峡谷河段具有修建高拱坝的工程地质条件。

电站枢纽由拦河大坝、泄洪设施、引水发电建筑物等组成。具有“高拱坝、大泄量、多机组”的特点。根据坝址区河谷狭窄，基岩新鲜完整的地形地质条件，结合金沙江的水文特性及工程的开发目标及综合利用要求，枢纽布置中考虑的原则：

(1)枢纽布置必须紧凑，充分利用峡谷河段的地形地质条件，将枢纽建筑物(含消能区和导流建筑物)全部布置在4km峡谷河段玄武岩出露段之内，与之相匹配，拱坝的坝线位置宜在峡谷中段。

(2)充分利用水库调节库容大的特点，调蓄洪水减少枢纽的下泄流量，降低下游河床消能防冲的难度。

(3)由于枢纽泄洪流量大，泄洪功率近100 000MW，居世界高拱坝之首。泄洪消能设施布置采用“分散泄洪、分区消能、按需防护”的原则，由坝身孔口和泄洪隧洞及非常泄洪隧洞等多套泄洪设施共同宣泄洪水。坝下游消能分为两个区：坝下游设二道坝壅高水位形成水垫塘，消刹坝身孔口挑射水流的能量；隧洞出口消能区远离水垫塘，隧洞出口挑射水流在水下碰撞和漩滚消能。这种布置方式增加了运行的灵活性和安全度。

(4)高度重视泄洪雾化对枢纽布置的影响。已建工程的实例表明，狭窄河谷中采用挑跌流的泄洪方式，泄洪雾化是不可避免的，雾化强度及范围均较大。在枢纽布置中首先考虑避让的原则。在强雾化区及较强雾化区不布置水工建筑物；其次对雾化区内的边坡不稳定岩体及其他存在地质缺陷的岩体采取挖除或其它工程加固措施，加强坡面排水，确保两岸边坡的稳定性。

(5)河芥狭窄，不具备布设坝后厂房的条件，利用河床左右两岸地形地质条件基本对称，山体雄厚，围岩条件好的特点，将18台机组均匀分设在左、右两岸的地下厂房，每座厂房装机容量6 300MW。

(6)初期施工导流采用断流围堰、隧洞导流、基坑全年施工的方案。在左右两岸共布置6条大断面导流隧洞。在枢纽布置时尽量考虑将导流隧洞与永久建筑物相结合，后期略加改建便可成为永久建筑物。这样不仅减少工程量节省投资，而且使处于狭窄河谷的枢纽布置更加紧凑。

(7)兼顾分期蓄水提前发电，提早发挥工程效益，降低工程总投资。

对多个枢纽布置方案进行了全面的技术经济比较，提出推荐的枢纽布置方案(参见图2)，其优点如下：

(1)充分利用玄武岩出露的4km长的峡谷河段布设整个水工枢纽。坝轴线选择在峡谷中段，地形微向下游收敛，河床覆盖层厚<15m，基岩面相对隆起，有利于减小坝体高度。利用在坝轴线亡游约500m的缓坡台地布置电站进水口，该缓坡台地高程在550～650m之间，使进水口的开挖边坡降低到150m以下，且大坝和进水口之间可以设泄洪隧洞进水口，缩短了泄洪洞长度。

(2)坝身孔口泄洪流量可达30 000m3／s，占枢纽总泄量的60％。下泄水流顺应河势，归槽条件好，对岸坡稳定影响相对较小，且能节省投资。多套泄洪设施可灵活运用。下游消能区沿河床纵向和横向拉开，避免对下游河床的集中冲刷。

(3)坝址区左岸属四川省，右岸属云南省，在左右两岸各设一座装机6 300MW的地下厂房，满足向华中2回±500kV直流输电和向华东2回±600kV直流输电的需要，同时也兼顾了川、滇两省的用电要求。

(4)有利于分期蓄水，提前发电。初期施工导流采用断流围堰、隧洞导流、基坑全年施工的方案。后期在坝身设两层导流底孔。在410m高程布置6个5mXl0m导流底孔，在 450m高程设4个4.5mX8m的导流底孔。在大坝尚未完建、坝体灌浆至580m、高程的情况下，即可蓄水至死水位540m发电，并能妥善解决发电后按设计标准要求的度汛问题。能提前8个月发电，可多获得约78.8亿kW·h电能。

(5)枢纽布置紧凑，工程量小。主体工程的工程量包括：石方明挖1 970万m3，石方洞挖1 580万m3，混凝土和钢筋混凝土1 300万m3，钢筋、钢材36万t。

3 关键技术问题

在溪洛渡枢纽设计中，对几个关键的技术问题进行了深入的研究，即：大坝建基面的选择、拱坝的体型设计、大坝的静动应力分析、坝肩稳定分析、大坝的抗震设计、泄洪消能和超大型地下洞室群设计。

3.1 大坝的建基面选择

坝址区自然条件优越，山高谷深，两岸地形完整对称，河道顺直，河谷为窄“U”型，其宽高比小于2，坝址区出露490～520m厚的二叠系峨眉山玄武岩，河床坝基及两岸坝肩均置于玄武岩之上，是理想的修建混凝土双曲拱坝的坝址。

选择大坝建基面时，考虑坝高达278m，承受总水推力约 l 400万t，对基础的要求较高，因此将拱坝基本上置于微一新和弱风化下段的玄武岩岩体上，拱坝坝肩、坝基岩体质地坚硬，以整体块状和次块状结构为主，完整性、均匀性好，能够满足拱坝承载能力及坝基变形的要求。大坝建基面高程确定为332m，最大坝高278m，初步拟定的拱端的平均嵌深左岸48.0m，右岸55.7m，在嵌深上适当留有余地。

3.2 双曲拱坝的体型设计

(1)坝体应具有较大的整体刚度，以改善坝身开孔后对拱坝整体刚度削弱的不利影响；通过加强坝体刚度，提高坝体整体性，改善地震反映较强的坝体中上部位应力条件，提高大坝的抗震能力。

(2)在满足坝体强度要求的前提下，采用扁平拱布置，尽量使拱推力转向山体内部，改善坝肩稳定条件。

(3)大坝应具有较强的适应坝基变形、坝基变模浮动及变模各向异性的能力；在各种计算工况下，均有较好的应力、变形状况；大坝的应力、变形变化幅度合理，并能兼顾提前发电需要。

(4)在双曲拱坝布置中，考虑不设纵缝，简化温控措施，加快施工进度，提高拱坝整体性。控制上游倒悬度，改善施工期应力条件。尽量使体型简单，方便施工。

(5)要求建基面规则、纵坡平顺，避免产生应力集中。按此要求，经各种拱圈线形的优化设计及综合比较，推荐抛物线双曲拱坝，其体型参数见表1。

采用我院开发的ADSC—CK拱梁分载法计算程序，对推荐的抛物线双曲拱坝进行位移、应力计算，并采用水科院结构所ADASO拱梁分载法静动力分析程序水科院抗震所SD—TAM88拱梁分载法静动力分析程序以及浙江大学ADAO拱梁分载法静动力分析程序进行辅助验证。计算分析表明：在自重荷载作用下，上下游坝面基本处于受压状态，局部产生的拉应力与水沙、温度荷载下的拉应力发生部位不同。水沙荷载作用下的最大主拉应力的出现部位在自重荷载作用下则出现最大主压应力，荷载组合作用下坝体拉应力相互抵消，拱坝体型设计是合理的。(待续)