黄河龙口水利枢纽总体布置设计

余伦创 迟守旭 苗 青

龙口水利枢纽工程位于黄河北干流托克托—龙口段尾部、山西省和内蒙古自治区的交界地带。作为新中国成立后历次黄河流域规划中梯级开发的建设项目,龙口工程自前期规划开始,尤其是自20世纪80年代以来,设计人员开展了时间跨度长、研究范围广的大量研究工作,通过多方案比选,合理确定了枢纽总体布置设计,为工程顺利建设实施提供了有力的技术支撑和保证。

1 自然条件

1.1 地形地质条件

龙口水利枢纽位于黄河北干流托克托—龙口峡谷段的出口处,黄河由东向西流经坝区,河谷呈U形,河床宽360～400m。河床大部分岩石裸露,地形平坦,河底高程858～861m。两岸为岩石裸露的陡壁,岸坡在85°以上,高50～70m,两岸岸边高程在920～960m之间。自坝下游500m处河谷渐渐开阔,总宽达千米以上。

工程区处于大地构造相对稳定地块,地震基本烈度6度。地层分布稳定,附近无较大断层及新构造断裂。

坝址区地层主要由奥陶系中统马家沟组(O2m)、石炭系本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)和第四系(Q3+Q4)地层构成,构造变动微弱。地层总体呈平缓的单斜,总体走向NW315°～350°,倾向SW,倾角2°～6°。底层马家沟组有少量小规模褶皱和断裂,对工程影响不大。

坝基持力层O2m岩层致密坚硬,试验湿抗压强度在100MPa以上,层内存在6条泥化夹层及钙质充填夹层,对坝基抗滑稳定起控制作用。两坝肩岩层自下部O2m向上至坝顶依次为O2mO2m、O2m和O2m,其中O2m、O2m为薄层灰岩、白云岩。各层中均发育有几条泥化夹层。

1.2 主要工程地质问题

1.2.1 深层抗滑稳定问题

坝基持力层O2m至坝顶以上各岩层内软弱夹层发育,这些夹层连续性好,其中泥质类泥化夹层的抗剪强度低,对坝基的深层抗滑稳定影响大。

1.2.2 承压水问题

坝基内存在O2m层岩溶裂隙承压水和O2m层岩溶承压水两个含水层。水库蓄水后O2m层承压水水位将达到或接近库水位,在坝基面上将形成较大的扬压力,对大坝稳定会带来不利影响,O2m层岩溶承压水层埋藏较深,其承压水头不会直接作用于坝基。

2 枢纽总体布置方案选择

龙口水库作为万家寨水库的反调节水库,工程主要任务为发电,并且对万家寨水电站发电流量进行反调节,确保黄河龙口—天桥区间不断流,兼有滞洪削峰等综合作用。其枢纽布置既要满足功能和安全要求,又要力求方便施工、加快进度,尽早发挥效益。按照经上级主管部门审定和批复的重力坝型,根据枢纽功能要求及水库 “蓄清排浑”运用特点,结合自然条件,设计过程中对枢纽布置进行了多次优化。可研阶段枢纽大坝由21个坝段组成,坝顶总长度420m,初步设计阶段本着满足各建筑物功能要求的同时,力求合理、紧凑的原则,根据两岸岩石风化程度对枢纽进行了优化,坝段数调整为19个,坝顶总长度由420m减少到408m。按电站厂房、底孔、表孔坝段的不同位置比较了下列三方案。

方案1:左岸布置电站厂房,右岸布置泄洪建筑物,表孔位于河床中部,底孔位于右岸岸边。

方案2:左岸布置电站厂房,右岸布置泄洪建筑物,底孔位于河床中部,表孔位于右岸岸边。

方案3:右岸布置电站厂房,左岸布置泄洪建筑物,表孔位于河床中部,底孔位于左岸岸边。

枢纽布置各方案比较如表1所示。

表1 枢纽布置各方案比较表

由表可见,方案2与方案3相比较,地形条件基本相当,泄流条件相似;方案2的电站建筑物及开关站靠近左岸边,交通便利,出线方便。由于坝基岩层倾向左岸及下游。方案2的另一个明显优点是坝基(包括电站厂房基础)开挖深度和坝基软弱夹层埋藏深度相适应,减少为挖除软弱夹层额外增加工程量,经计算,方案2与方案3相比可减少岩石开挖量6.1万m3,节省混凝土浇筑量5.3万m3,节约投资1930万元。综合比较,方案2优于方案3。

方案2和方案1的区别在于底孔和表孔的相对位置不同,方案1将底孔布置于右岸,表孔位于电站和底孔之间。经水工模型试验证实:方案1将会在底孔和电站进水口之间形成宽约60m的淤积带,对电站运行产生不利影响。方案2更有利于电站进水口 “门前清”及水库排沙,且底孔泄洪主流略偏向河床中部,对右岸防冲有利。两方案排凌、排污效果相同,土建工程量也基本相同,投资相同。

设计最终选定枢纽布置方案2:左岸布置电站厂房,右岸布置泄洪建筑物,其中底孔位于河床中部,表孔位于右岸岸边。

3 枢纽总体布置设计

枢纽坝轴线方位为NW5.4484°,基本为南北向。枢纽坝顶高程900m,坝顶全长408m,最大坝高51m。大坝共19个坝段,从左到右依次为非溢流坝段、主安装间坝段、电站坝段、小机组坝段、副安装间坝段、隔墩坝段、底孔坝段、表孔坝段、非溢流坝段,具体布置见图1。

图1 龙口水利枢纽平面布置图(单位:m)

3.1 挡水建筑物布置设计

枢纽大坝坝型为混凝土实体重力坝,按单个坝段验算坝体稳定和应力。设计拟定的基本三角形断面为:顶点高程900.0m,下游坝坡1∶0.7,上游面高程880.0m以上为铅直面,高程860.0～880.0m为1∶0.15斜坡,坝顶宽18.5m,向上、下游分别挑出悬臂宽2.5m和1.0m。底孔坝段因设置弧形闸门和启闭机室,坝体消弱较多,其基本三角形断面顶点高程改为909.00m,下游坝坡改为1∶0.75,折坡点高程改为889.0m。左右岸岸坡坝段及隔墩坝段因稳定要求,下游坝坡亦为1∶0.75。电站坝段及安装间坝段为典型河床式电站布置,厂房与上游挡水坝连成一体。

由于枢纽坝基奥陶系马家沟组(O2m)地层中发育多条泥化夹层,连续性好,抗剪强度低,坝基深层抗滑稳定成为事关本工程安危的重大技术问题。设计对此采取了如下工程措施:(1)对浅层夹层予以挖除;(2)坝踵处深挖齿槽切断夹层;(3)泄洪消能方式采用二级尾坎式底流消力池、以较长底板和尾坎深槽确保抗力体整体作用;(4)对坝段间横缝下部一定高程范围实施接缝灌浆、使各坝段联合受力;(5)坝基下设防渗帷幕和排水幕消减扬压力;(6)对坝基和尾岩全面进行固结灌浆;(7)对底孔和表孔坝段坝趾部位(一级消力池首部)设置预应力锚索等。通过上述综合工程措施,各挡水建筑物坝体应力及坝基深层抗滑稳定均满足规范要求,保证了工程安全。

3.2 泄洪建筑物布置设计

3.2.1 运用要求

龙口水利枢纽洪水标准为100年一遇设计,1000年一遇校核。入库洪水由万家寨—龙口区间同频率洪水叠加万家寨水利枢纽相应洪水的下泄流量组成。水库运用方式是蓄清排浑、汛期排沙。泄水建筑物除应满足泄洪要求外,还应满足冲沙、排污等要求。

规划对泄水建筑物泄流能力的要求是:(1)校核洪水位时,下泄流量大于8276m3/s;(2)设计洪水位时,下泄流量大于7561m3/s;(3)汛期排沙水位888.00m时,下泄流量大于5000m3/s。

龙口坝址距万家寨水利枢纽仅25.6km,黄河上游来冰被万家寨水库拦蓄,龙口水库少量冰凌必要时由表孔排出。

3.2.2 泄洪建筑物布置

龙口坝址河床相对较宽,具备布置坝体泄洪的条件。由于龙口工程冲沙流量大,汛期要求泄洪兼排沙,故泄水建筑物以底孔为主。考虑汛期泄洪有排污要求,故设2个表孔。经反复比较后选用的布置方案为:泄水建筑物布置在河床的右半部,表孔紧靠右岸边坡坝段,底孔布置接近河床中部。

底孔是主要的泄洪、排沙建筑物,布置在河床中部偏右岸的12#～16#坝段,每个坝段宽20.0m,布置2个底孔,5个坝段共布置10个底孔。考虑底孔的功能除泄洪外,还承担水库的主要排沙任务,要求底孔进口底高程尽量放低些,同时还要满足与消力池底板的连接要求。由于电站引水流道底高程为866.00m,故底孔进口底高程定为863.00m。根据枢纽排沙要求,水库水位888.00m时下泄流量应大于5000m3/s。

通过综合比选,确定底孔控制断面孔口尺寸4.5m×6.5m(宽×高),最低冲沙水位885.00m时泄流能力为4673 m3/s,排沙水位888.00m时泄流能力为5091m3/s,满足冲、排沙规模和运用要求。

表孔担负泄洪、排污任务,必要时也可排冰,2个表孔布置在右岸17#、18#坝段。每个坝段宽17.0m,表孔孔口净宽12.0m,最大单宽泄量为76.7 m3/(s◦m)。表孔堰顶高程为888.00m,能够满足泄洪、排污要求。

为保持电站坝段 “门前清”,减少过机泥沙,防止电站进水口在发电机组停机和检修期被泥沙淤堵,在5#～8#电站坝段每个坝段各设2个排沙洞,4个电站坝段共设8个排沙洞,在10#副安装间坝段坝体内设1个排沙洞。

3.2.3 消能工布置

由于大坝下游尾水位低,水位变幅相对较大,不宜采用面流消能。又因龙口坝基存在多泥化软弱夹层,必须依靠坝趾下游尾岩支撑才能维持大坝的稳定,亦不适宜采用挑流消能。根据下游消能要求,结合枢纽工程总布置,底孔和表孔均选用底流方式消能,设两级消力池。消能建筑物主要由一级消力池及尾坎、二级消力池、差动尾坎、海漫、消力池左、右边墙及消力池中隔墙等组成。底孔及表孔的一级消力池池底高程均为858.0m,坎顶高程为865.0m;池长分别为75m和80.33 m,顺水流方向中间设有中隔墙。底孔及表孔的二级消力池共用,池底高程为857.0m,池长64m,二级池出池宽度为150.0m,池末段设有差动式尾坎,后接钢筋混凝土海漫。

水力计算及水工模型试验验证,在校核洪水、设计洪水和汛期排沙工况下,底孔、表孔和排沙洞的总泄洪能力均能满足枢纽工程泄洪运用要求。当表孔、底孔联合运行或表孔关闭、底孔及排沙洞运行时,水流平顺,未出现不良流态;各典型断面流速分布均匀。在消能设计洪水(P=2%)和消能校核洪水(P=1%)工况下,表、底孔,一、二级消力池内均为完整水跃,效能率达到60%以上,出池水流流速分布均匀,各项水力要素无异常。

3.3 发电建筑物布置

本工程大坝为混凝土重力坝,且不甚高,利用河床较宽的地形条件,采用河床式电站当是首选方案。发电厂房建筑物布置于左岸3#～10#坝段范围内,垂直水流方向长193.00m。为满足对万家寨水电站反调节运行和下泄环境用水流量的要求,电站厂房安装有4台单机容量为100mW和1台单机容量为20mW的水轮发电机组,总装机容量420mW,年平均发电量13.02亿kW◦h。

厂房的外形轮廓尺寸为187.00m×81.10m×67.50m(长×宽×高),考虑到有大小两种机型需要安装与检修的情况以及有利于机电设备进厂卸车存放等条件,本电站的安装场分设于主厂房左、右两侧,主、副安装场的地面高程均与发电机层同高。自左至右依次为长40m的主安装间坝段、长120m的大机组坝段、长15m的小机组坝段以及长18.00m的副安装间坝段。发电机层地面高程872.90m,其下依次为电缆层、水轮机层、蜗壳层以及尾水管层。为减轻厂房屋顶荷载并有利于加快施工进度,主厂房屋顶结构采用轻型网架结构。

3.4 其他建筑物布置

电站输出电压为220kV,5台主变压器布置在尾水平台上,一机一变。GIS开关站室布置在河床左岸1#、2#坝段下游侧厂前区。开关站长度50.5m,宽度为13 m,建筑高度11.50m,总建筑面积1377.35m2。

副厂房紧靠于主厂房左侧布置,坐落于1#、2#坝段下游侧坝体上,地面以上为4层框架,长度23.00m,宽度为29.00m,建筑高度18.90m,建筑面积2513 m2。

枢纽左岸下游进厂公路与河偏公路相连;左岸上坝公路由下游侧进厂公路引入;右岸上坝公路与薛榆公路相接。

4 结 语

龙口水利枢纽总体布置经详细方案论证、并经水工模型试验验证,枢纽布置方案合理,泄洪建筑物的泄流能力满足设计要求,排沙效果良好,下泄水流经两级消力池消能后水流平稳,无严重的回流和冲刷现象。作为万家寨水电站的反调节水库,为使上下两个水电站都能灵活运用,电站装机采用四大一小的单机容量搭配较为合适。结合坝址条件,河床式电站厂房系统布置于主河床的左岸,建筑物布置紧凑、合理。

自龙口水库建成蓄水运行至今,枢纽各建筑物已经历了近3年 “蓄清排浑”调度运用和发电运行,通过对枢纽安全监测数据整编分析,工程运行正常安全。工程运用管理方便。