小浪底工程设计创新与实践

林秀山，景来红

（黄河勘测规划设计有限公司，450003，郑州）

黄河小浪底水利枢纽位于黄河干流中游最后一个峡谷出口处，上距三门峡水利枢纽130 km，下距郑州花园口128 km。坝址控制流域面积69.4万km2，占黄河流域总面积的92.3%；控制黄河天然径流量的87%和近100%的输沙量。工程开发任务“以防洪 （包括防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电，蓄清排浑，除害兴利，综合利用”。按照黄河开发治理规划，小浪底水利枢纽与上游龙羊峡、刘家峡、黑山峡和中游碛口、古贤、三门峡构成七大控制性骨干工程，由于小浪底工程处在控制黄河下游水沙的关键部位，因此它在黄河治理开发中具有十分重要的战略地位。

一、小浪底工程的几个关键技术问题

小浪底工程按千年一遇洪水40000 m3/s设计（三门峡水库不控制情况下），按汛期降低水位敞泄排沙要求，在非常死水位220 m时应具有不低于7000 m3/s的泄流能力。2000年水平坝址设计多年平均年径流量277.6亿m3，设计年输沙量13.5亿t，平均含沙量达48.6 kg/m3，汛期 7—9月来沙量占85%。工程泥沙是小浪底工程必须妥善解决的特殊课题，特殊的防洪减淤运用方式对小浪底工程的枢纽布置和建筑物设计提出了很高的要求。

从地质条件看，坝址区出露的地层主要为二叠系上统和三叠系下统的黏土岩和砂岩互层。坝址左岸山体沟道切割，相对比较单薄；沿河谷右岸有不稳定倾倒变形体和规模巨大的滑坡体。河床覆盖层深达70 m以上，两岸岩层中缓倾角泥化夹层发育。在枢纽建筑物区分布有右岸顺河向 F1断层和左岸 F28、F236、F238等大的断裂构造。坝址基本地震烈度为7度，要求按8度设防，并要考虑坝址上游10 km范围内发生6.25级水库触发地震的可能。

小浪底水库是一个不完全年调节水库，要求水库运用方式在保证重点开发目标的前提下，按照“合理拦排，综合利用”的规划思想进行设计，最大限度地发挥多目标综合效益。

1.工程泥沙问题是小浪底工程设计必须妥善解决的特殊课题

黄河是世界上输沙量最大、含沙量最高的河流，治河的关键在于治沙。对小浪底工程而言，工程泥沙问题主要表现在库容的快速淤损，泄水建筑物进口淤堵，高速含沙水流对建筑物流道、闸门门轨、水轮机过流部件的磨蚀，库区及下游河道的冲淤变化等。该问题事关工程成败，极端重要，涉及专业面很广且十分复杂，国内外工程实践经验缺乏。

2.高含沙高速水流问题的处理对枢纽建筑物总体布置和泄洪排沙建筑物设计提出了很高要求

小浪底水库正常蓄水位275 m，最大坝高达154 m，采用土石坝挡水。低水位（220 m）、大泄量（7000 m3/s）的运用要求，形成了泄洪排沙建筑物以隧洞为主的布置特色。9条泄洪洞泄流能力占枢纽总泄流能力的78%，最高运用水头近140 m，高含沙高速水流问题不可避免，对水工建筑物流道结构和材料设计、闸门设计都提出了很高要求，甚至对枢纽建筑物总布置都造成很大影响和困难。

3.大规模密集洞室群围岩稳定问题对工程建设至关重要

小浪底工程采用进口集中、洞线集中、出口消能集中的布置方式，即9条泄洪排沙洞、6条发电引水洞、1条灌溉引水洞和地下厂房洞群系统集中布置在左岸，加上灌浆、排水、交通以及附属洞群，在左岸单薄山体内形成了规模巨大、结构复杂、分布密集的洞室群，地下工程总开挖量达270万m3。其中地下厂房为最大的洞室，开挖跨度达26.2 m，高61.4 m，长251 m，采用喷锚支护柔性结构作为永久支护。导流洞开挖断面达17.2 m，3条导流洞穿过Ⅳ、Ⅴ类围岩的长度超过600 m。大规模密集洞室群的围岩稳定不仅影响到施工期人员、设备安全也是控制截流进度的制约条件。

另外，泄洪建筑物进口110 m高边坡和出口60 m顺向边坡地质条件复杂，其施工期稳定问题也是工程进度的制约因素。

4.坝基深厚覆盖层防渗处理是大坝设计的一大难点

小浪底大坝坐落在深度超过70 m的砂砾石覆盖层上，由于大坝高度大、覆盖层结构复杂，底部基岩面起伏变化大，覆盖层的防渗处理成为大坝防渗系统设计的关键，防渗墙与大坝防渗体的可靠衔接也是设计考虑的重点。地震引起的坝基砂砾石层的液化及坝体附加孔隙水压力等都需要采取相应的工程措施妥善解决。

5.20万移民的生产性安置极具挑战性

小浪底水库的兴建涉及河南、山西两省8县（市）近20万人的迁移安置。开发性移民安置政策性强，涉及面广，难度很大，当时又无现成的经验可供借鉴，成为小浪底工程建设的一大挑战性课题。

二、小浪底工程的设计创新与实践

面对上述大量难题的挑战，工程设计者迎难而上，针对关键问题开展了400余项科学试验研究，大胆创新，经大量方案比较优选提出了技术可行、安全可靠、经济合理的枢纽布置和建筑物设计方案。国内外许多知名高校和科研单位积极参与了小浪底重大技术问题的研究。工程设计广泛汲取了国内外先进的技术、经验和最新成果，国内外多家知名咨询公司参与了工程咨询研究，并采取专题论证会、研讨会等各种方式听取国内有关方面专家的意见，水利部还专门组建了由国内最有经验的专家组成的小浪底工程咨询专家组参与工程重大技术问题的研究与决策。可以说，小浪底工程的设计凝聚了国内外许多一流专家的智慧和心血，是国内水利水电工程设计、科研全方位协同攻关并取得辉煌成就的一个范例。

1.工程设计充分体现了“合理拦排、综合兴利”的规划思想

深入研究、认真汲取三门峡水库规划设计的经验教训，充分借鉴了三门峡水库蓄清排浑运用的成功经验。为使小浪底水库126.5亿m3总库容充分发挥巨大作用和效益，通过在死水位220 m设置7000 m3/s的泄流能力，汛期降低水位运用，保证一般洪水能够敞泄出库，汛期运用水位从205 m逐年抬高，可最终在库内形成高滩深槽形态。滩面高程254 m以上40.5亿m3的库容可发挥巨大的防洪作用，深槽内10.5亿m3库容可用来调水调沙，工程设计充分体现了“合理拦排、综合兴利”的规划思想。按此规划运用，可使黄河下游20年不淤积抬升，又可保持约51亿m3的长期有效库容，非汛期蓄水兴利，汛期防洪，调水调沙，为黄河的长治久安长期发挥其巨大作用。

2.集中流道，互相保护，保持进口冲刷漏斗，成功解决引水泄水建筑物进口的防泥沙淤堵问题

防止泥沙淤堵建筑物进口的问题事关工程安全，涉及工程泥沙、建筑物总布置等重大问题的研究。通过深入研究黄河水沙特性和坝址区地形地质条件，并开展大量的试验，形成了具有鲜明特色的小浪底水库泄洪排沙建筑物布置方案。所有泄洪排沙发电引水建筑物均集中布置在左岸一字排开的10座进水塔内，形成低位排沙、中部引水、高位排污溢洪的布置格局。在平面上，排沙、泄洪进口的布置力求在270 m的进水前缘能相互保护，泄流量分配力求合理搭配，以适应不同的泄流运用要求。充分利用地形条件，进口流道布置为侧向入流，并设置必要的导水墙，使水流在进水塔前形成一个反时针回流，保证不同量级的洪水在进水塔前形成且维持一个以排沙洞和孔板洞进口为底、规模较大的冲刷漏斗，在适宜的水沙条件下进行异重流排沙。

为确保进口安全，还采取了在闸门前设置高压水枪、加强进水塔前水下地形观测等辅助措施，一旦发生由于地震、水位骤降等不利工况引起泥沙淤堵，可在高压水枪的帮助下保证闸门自上而下全部安全提起。

3.多级孔板消能泄洪洞的采用为高速水流消能和导流洞的永久利用开辟了一条崭新途径

由于小浪底水利枢纽采用土石坝挡水，泄水引水建筑物全部布置在左岸相对单薄的山体内且要求低水位大泄量，泄水洞最大运用水头达140 m。低位明流洞方案必须对付45 m/s的高速含沙水流，远远超过现有工程实践，而低位大直径压力洞若用钢板衬砌，洞内流速将受到很大限制，工程投资将大大增加。

经大量科学试验研究论证，小浪底水利枢纽采用了极具特色的孔板消能泄洪方案。3条直径14.5 m的导流洞在完成导流任务后设龙抬头段将进口抬高至175 m，洞身加设3级孔板，孔板后设置弧形控制闸门。高水位运用时3级孔板可消能达50 m水头，经控制闸室后形成明流状态，可控制最大流速不超过34 m/s，一般不超过30 m/s。多级孔板消能技术将大直径低位洞内高含沙水流的流速控制在工程技术允许条件之内，从而成功解决了导流洞重复利用问题，避免了重新开洞带来布置上的极大困难，使得孔板消能泄洪洞、明流泄洪洞、排沙洞组合泄洪方案成为可能，使小浪底工程枢纽布置走出了困境。

多级孔板消能方式的成功采用为大直径水工隧洞的洞内消能、大型水电站导流洞重复利用等闯出了一条新的道路。

4.建造在深厚覆盖层上的带内铺盖的壤土斜心墙堆石坝将堆石坝设计水平推上了一个新台阶

经过多年研究论证，并经现场试验，坝基采用厚1.2 m的混凝土防渗墙，其最大造孔深度81.9 m，防渗墙底嵌入基岩1～2 m，墙顶插入心墙12 m。大坝坝型及防渗设计具有如下特点：①坝基防渗采用以垂直防渗为主、水平防渗为辅的双重防渗体系，提高了大坝防渗的可靠性；②上游堆石坝坝壳体积大大增加，保证了坝体抗滑稳定性和抗震性能；③内铺盖采用上爬式，消除了坝体下部软弱带，提高了上游坝坡稳定性；④主坝混凝土防渗墙移至斜心墙下，与斜墙坝相比，大坝防渗线缩短，帷幕灌浆进尺大大减少；⑤上游围堰采用斜墙与上爬式内铺盖衔接，减小了施工难度，缩短了施工工期。

小浪底大坝的设计充分适应了坝址地质地形特点和建筑材料条件，又反映和利用了黄河多泥沙特点。小浪底大坝的成功建设使我国深厚覆盖层防渗处理技术和堆石坝设计施工水平上了一个大台阶。利用水库淤积体和大坝主防渗体连接作为辅助防渗体系的设计思想，为多泥沙河流上大坝防渗设计提供了一个重要的技术思路。

5.在不良地质条件下成功设计了世界最大跨度的地下厂房

小浪底水电站装设了6台单机容量300 MW的混流式水轮发电机组，设计水头112 m，单机最大过流量300 m3/s。地下厂房建造在T14沉积砂岩中，厂房跨度26.2 m，长 251 m，最大开挖深度61.4 m。设计大量采用国内外先进技术和经验，包括顶拱在内均采用了锚喷柔性支护作为永久支护方案。为处理顶拱围岩连续的泥化夹层，大量采用了大吨位双层保护预应力锚索；岩壁吊车梁设计荷载达1000 t，经过超净载25%和动载10%的试验，工作状态良好。小浪底地下厂房是我国在砂页岩不良地质条件下建造的最大的地下厂房，经过建设期和10年运行期的考验，各项监测指标正常，运行安全可靠。

6.排沙洞采用双圈缠绕无黏接后张预应力混凝土衬砌，填补了该技术在国内的空白，具有广阔的推广前景

小浪底压力式排沙洞设计水头122 m，为了防止高压水渗漏影响左岸单薄山体的稳定，设计对钢板衬砌、复合衬砌等方案进行了大量研究，均因工程造价高、施工复杂、工期长而难以采用。为此专门从国外引进了预应力混凝土衬砌技术，经过大量的试验研究和方案论证，最终确定采用双圈缠绕无黏接混凝土衬砌结构并付诸实施。该衬砌方案较钢板衬砌方案节省投资达 1.5亿元人民币，较有黏接预应力衬砌方案仅材料费就节省约1280万元人民币。

无黏接预应力衬砌技术的应用满足了各项设计原则，防止了高压水外渗，确保了整个左岸山体、洞群稳定乃至整个枢纽的正常运行，为高含沙、多泥沙河流上类似工程的设计和实施提供了宝贵经验。无黏接结预应力衬砌技术在小浪底泄洪排沙洞中的提出和成功应用皆为国内首创，双圈无黏接预应力衬砌技术则为世界首创，使我国在该领域的技术研究和设计应用水平跻身国际领先行列。

7.采取综合措施成功解决电站的汛期发电问题

小浪底水电站处在黄河最不利的多沙河段，泥沙对引水建筑物进口的淤堵，对流道、闸门门轨和水轮机过流部件的磨蚀等对电站运行十分不利，电站的技术供水、污物处理相对复杂，还有泄洪时泥雾影响等问题。在工程论证期间，不少专家对小浪底电站汛期能否正常发电、能否发挥预期的经济效益心存疑虑。

通过开展大量的科学试验，认真总结黄河上已建电站的经验教训，提出了保障汛期发电的一系列综合措施，主要包括：①按照合理拦排、综合兴利的规划思想，优化运用调度方式，尽量减少过机泥沙；②枢纽布置充分考虑防沙要求，并采取多种技术手段，保证发电引水不受泥沙淤堵；③采取降低安装高程、设置筒形阀等多种技术措施，选用新型低参数抗磨水轮机，采用国际上最先进的水轮机设计、制造技术，对材料和工艺提出严格要求，并设置可互换的备用转轮等；④采取综合措施包括设置专用技术供水水源、设置防淤闸、主变压器布置在地下、开关站的布置避开夏季主导风向等，以保证主要电气设备不受泥雾影响。采取综合措施后可保证一般情况下正常发电，只有在遭遇极端不利的水沙条件下才可能出现极短时间的停机。

三、小浪底水利枢纽的建成运用揭开了黄河治理开发的新篇章

小浪底水利枢纽1999年10月25日水库下闸蓄水以来，已安全度过了10个汛期，截至2009年年底，水库最高运用水位265.69 m，在水位250 m以上运用958天，在水位260 m以上运用192天，均经受了较长时段、较高水位的运行考验，枢纽各主要建筑物运行正常，主设备完好率达到100%，辅助设备完好率达到98%以上，电能质量合格率连续4年达到100%。

小浪底水利枢纽投入运用10年来，对确保下游防洪安全发挥了巨大作用。2002年以来进行了10次调水调沙，使黄河下游主槽行洪排沙能力显著提高，平滩流量从1800 m3/s提高到4000 m3/s，“二级悬河”不断加剧的形势得到遏制并逐步改善，减轻了洪水威胁，对黄河下游滩区群众生产生活、经济社会稳定等方面发挥了巨大的作用。通过科学调度，基本满足了工业及生活用水需求，农业灌溉关键期用水得到保证。确保了黄河不断流，维持了黄河水系的完整，下游水质明显改善，十分有助于河流生态系统功能的维持，并使河口生态系统逐步得到改善。小浪底水电站已成为河南电网不可或缺的拥有巨大发电和调峰能力的骨干电源。小浪底水利枢纽已初步发挥了显著的社会、经济及环境效益，揭开了黄河治理开发的新篇章。

多年的治黄实践表明，水少沙多、水沙关系不协调是黄河难治的根本症结所在。要解决黄河下游防洪减淤问题，必须标本兼治，远近结合，采取“拦、排、放、调、挖”，工程与非工程综合措施，抓紧建设并完善黄河水沙调控体系。希望在不久的将来，随着水沙调控体系中古贤水利枢纽等骨干工程的投入，与小浪底水利枢纽联合调度，调控水沙，小浪底水利枢纽必将发挥出更大的综合效益，为黄河治理和经济社会发展作出更大的贡献。