秘鲁圣玛利亚水电站枢纽布置设计

李道元

（上海勘测设计研究院，上海 200434）

1 工程概况

秘鲁圣玛利亚（Santamaria）水电站位于秘鲁中部，距首都利马约 650km，坝址位于阿亚库乔（Ayacucho）地区潘巴斯（Pampas）河上，电站厂房位于库斯科（Cusco）地区阿普里马克（Apurimac）河左岸Lechemayo 村附近。工程区属安地斯山脉中高山区，交通条件较差，与工程区最近的城市为阿亚库乔市，阿亚库乔至工程区的道路多为山区泥结石路面，其中厂址区有公路通过，库坝区则无交通道路。

潘巴斯河为阿普里马克河的一级支流，由西北流向东南，于帕凯帕塔注入阿普里马克河，阿普里马克河由南向北流，汇入亚马孙河后流入大西洋。因此，该两条河在此处形成了一个大拐弯，集中了约800m的天然落差。

电站采用混合式开发，最大坝高137m，引水线路全长30km，由28km长的隧洞和2km长的压力钢管组成。整个工程由首部枢纽、引水系统和地面厂房等三大部分组成。大坝建成后，电站正常蓄水位1675m，相应水库总库容为 5.15亿m3，有效库容为4.0亿m3，为季调节水库。电站总装机容量750MW，安装4台单机容量为187.5mW的冲击式水轮发电机组，年发电量48.16亿kW·h，年利用小时数6420h。

首部枢纽由沥青混凝土心墙堆石坝、左岸溢洪道、泄水底孔（兼导流洞）组成；引水系统由左岸进水口、引水隧洞、调压室、阀门室和压力管道组成；厂区枢纽由地面厂房和地面开关站等建筑物组成。输电线路电压等级为 500kV，从升压站接至新建的Mantaro－Caraveli－Montalvo输电线路，总长约120km，最后送至秘鲁国家电网。

2 工程建设条件

2.1 水文、泥沙

圣玛利亚水电站位于安第斯山脉的东部，秘鲁的中心。水库流域由 Torobamba河流域和潘帕斯河流域两条河流组成，河源和坝区均属高山峡谷地形，植被较差，为干旱少雨地区，河床自然坡降约7‰，坝址以上集水面积25000km2，径流主要来源于降雨，坝址多年平均流量为120m3/s。

分别对水电站（阿普里马克河）和水库（潘帕斯河）两个位置的洪水进行调查，计算最大可能洪水（MPF）流量为5000m3/s。

水库坝址附近没有泥沙长期监测资料，据2008年4月实测潘帕斯河在雨季的含沙量为0.21kg/m3。

2.2 地形地质条件

工程区位于秘鲁中部的安地斯山脉，东部为亚马逊平原，西部为太平洋。安地斯山脉呈NW-SE向展布，山脊高程 3000～4500m，沟谷高程 700～1600m，属中高山区地貌。工程区西部干旱少雨，植被稀疏，河流侵蚀作用强烈，山地风化剥蚀、水土流失严重，为典型的侵蚀、剥蚀山地。东部则气候相对温湿，降雨量大，植被茂密，为侵蚀、堆积地貌。

秘鲁位于环太平洋地震带，南美洲主要的构造格架为安地斯山脉和秘鲁－智利海沟，为全球强震区之一，也是地球上高频率地震发生区。南美洲板块运动向太平洋逆冲形成了安地斯山脉，板块从大西洋东北部以每年 2～3cm的速度向太平洋发展，并沿着南美洲海岸与纳斯卡板块相撞，纳斯卡板块在南美洲板块推动下以每年5～10cm的速度向西发展。工程区外围地震烈度一般在Ⅵ度，接近工程区一带达到Ⅶ度，地震加速度为0.15g～0.25g，相应的地震基本烈度为Ⅶ～Ⅷ。工程区板块活动强烈，区域构造稳定性较差。

坝址区基岩为二叠系晚期安山岩及斑岩，岩质中硬，强风化厚度一般 3～5m，下部弱～微风化岩体属弱～微透水性。河床覆盖层由卵砾石组成，最大厚度111m，在覆盖层中上部约40m深度发育一层软粘土层，厚度3～15m，覆盖层下部含承压水，说明两岸地下水位高于河水位，粘土层具有一定的封闭性。

引水隧洞沿线穿越的地层岩性有：古生代晚期的火山岩、沉积岩、深成侵入的花岗岩及早古生代的板岩。

厂址区位于阿普里马克河的左岸岸边，地面高程720～740m，覆盖层厚度10～27m，由粉质壤土、砂卵砾石层组成，下部基岩为板岩。

近坝料源初查储量基本满足要求，砂卵砾石储量约950万m3，防渗土料较为匮乏，混凝土骨料可于坝址附近河谷开采，可满足工程需要。

3 枢纽布置

圣玛利亚水电站工程由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽等三大部分组成。根据枢纽工程场址的地形、地质、工程布置、工程量、施工布置、工期、投资和运行等条件，初拟坝址、厂址和引水系统线路，初拟坝型、引水发电、泄洪消能等主要建筑物型式，经技术、经济比较，确定工程总布置方案。

根据工程区域地质构造及地形地质条件，引水系统和厂区枢纽布置相对比较简单，较容易从工程安全和技术经济上确定方案。工程布置的关键问题是如何在复杂的地质条件下，合理有效地进行首部枢纽布置，如何解决好深厚覆盖层地基上修筑高坝的防渗和基础处理等问题。

3.1 首部枢纽布置

首部枢纽由沥青混凝土心墙堆石坝、左岸溢洪道、泄水底孔（兼导流洞）组成。

3.1.1 坝址选择

坝址区河流流向为SE向，河谷宽度150～260m，基岩为安山岩及安山质凝灰岩，岩质中硬，无大的断层通过，两岸岸坡基岩裸露，坡度45°～70°，自然岸坡基本稳定。

预可研设计阶段初选了上坝址和下坝址2个坝址进行比较，上、下坝址相距840m，从地形地质条件，坝址及其影响区固体径流条件，枢纽布置条件及工程量，施工条件等分析，确定采用上坝址。

3.1.2 坝型选择

根据圣玛利亚水电站地处地震烈度高、河床覆盖层深厚、坝址区天然建材丰富等地形地质条件，宜修建当地材料坝，较适宜的坝型有混凝土面板堆石坝、碎石土心墙堆石坝和沥青心墙堆石坝。

混凝土面板堆石坝由于基础、堆石体的变形较大，且覆盖层中上部的软粘土层厚度较薄，很难保证坝体防渗结构（防渗墙、趾板和面板）有好的变形适应性，作为建在覆盖层地基上混凝土面板堆石坝，该工程最大坝高137m，坝基混凝土防渗墙最大高度 40m，为世界领先水平，由于面板堆石坝的面板对沉陷变形较为敏感，不均匀沉降易造成面板开裂。

沥青混凝土心墙堆石坝和碎石土心墙堆石坝相比，在坝体及基础应力变形条件、防渗体联结可靠性、防震性能等方面基本相同，差异较大之处在于坝体防渗体不同，一为沥青混凝土心墙，一为碎石土心墙。

碎石土心墙堆石坝对防渗土料的粘粒含量和含水量要求较高，且坝坡较缓，工程量较大。沥青混凝土用于水电工程防渗，由于其受料源的限制、受冬季和雨季施工的制约相对较小，同时还具有工程量相对节省等特点，因此采用沥青混凝土心墙堆石坝方案。

3.1.3 大坝及基础防渗设计

拦河大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程1677m，最大坝高137m，坝顶宽度12m，坝顶长度305m。坝体结构划分为沥青混凝土防渗心墙、上下游过渡层、坝壳堆石料等，上游坝坡 1:2.0，下游坝坡1:1.8。心墙为梯形结构，顶宽0.6m，向下逐渐加厚，最大底部厚度为1.4m。心墙底部为钢筋混凝土垫座，垫座下为混凝土防渗墙，防渗墙厚度0.8m，最大深度为 40m，伸入粘土层 1.5m，沥青混凝土心墙与钢筋混凝土垫座之间、钢筋混凝土垫座与混凝土防渗墙之间均为刚性连接。

3.1.4 溢洪道及泄水底孔设计

溢洪道位于大坝左岸，由进水渠、控制段、泄槽和消力池组成。10000年一遇洪峰流量为3500m3/s，最大可能洪水（MPF）流量5000m3/s。

控制段共设4孔，单孔净宽11.3m，堰顶高程1662m，设弧形钢闸门控制。泄槽段总长 429m，净宽由54.2m渐变为30m，自溢流堰末端至消力池首端共分6级，陡坡变坡处共5处，为防止发生空蚀，均设置了防空蚀措施。下游采用底流消能，消力池长72m，池深20m，净宽35.3～50m。

泄水底孔的功能是从水库引用固定流量为 7.0m3/s的生态用水，同时在水位低于溢洪道溢流堰顶时预降库水位。泄水底孔由导流隧洞改建而成，在大坝坝肩防渗帷幕线下游的导流洞段设置闸门井，其后布置一条直径为2.6m的钢管，长约530m，出口端设置调节闸阀以及消力池。

3.2 引水系统布置

引水系统由左岸进水口、引水隧洞、调压室、阀门室和压力管道等组成。自坝址至电站厂房间的大拐弯河段长约120 km，河床自然坡降约7‰，左岸为凸岸，无交通道路通过，采用左岸引水方案，通过裁弯取直获得 858m水头。引水线路从进水口至厂房全长约30km，由28km长的隧洞和2km长的压力钢管组成。

隧洞洞径为6.4m，设计引用流量100m3/s，采用TBM法施工。调压井位于隧洞出口上游415m处，为双室结构，由直径11.3m竖井相连，上室为地面钢筋混凝土结构，B×H=11.3m×10m，左右对称各43m，布置交通道对外联系，下室为城门洞型地下廊道，左右对称各90m。隧洞出口18m处布置阀门室，设2座直径3.2m的事故检修蝶阀。阀门室后设有两根压力钢管，每根钢管直径3.2m，每根钢管分为两岔进入电站厂房。压力管道为明管，钢管内压巨大，上半段采用普通 16MnR，下半段采用进口800MPa级进口钢材，壁厚22～50mm，在10个转角处共设10个镇墩。

3.3 厂区枢纽布置

厂区枢纽由地面厂房和开关站等建筑物组成。地面式厂房布置在阿普里马克河的左岸岸边，装有4台冲击式水轮机发电机组以及其他机电设备，电站装机容量750MW。

水电站厂房地面高程724.5m，水轮机安装高程713m，厂房底板高程705.3m。厂房长105m，宽22m。

开关站布置在厂房右侧的台地上，紧邻主厂房，长200m，宽100m，场内地坪高程724.5m。

4 工程特点和难点

圣玛利亚水电站工程规模较大，为秘鲁最大的水电工程，电站采用混合式开发，利用天然地形条件裁弯取直，集中水头引水发电，工程布置合理。但由于工程区较为复杂的地质条件和较大的开发难度，带来了许多技术难题。

（1）大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，最大填筑高度137m。在当地材料坝中，无论采用何种坝型，均为国内外同类型的最大坝高。

（2）河床覆盖层深厚，最大厚度达 111m，基础变形控制和防渗处理难度大，如何利用覆盖层中上部厚度为 3～15m的软粘土层，成为选择坝型及防渗方案的关键。

（3）引水隧洞具有埋深大（2500m）、洞线长（28km）的特点，超长引水隧洞的设计和施工难度较大，需要妥善处理高地应力和岩爆、突涌水、有害气体、围岩稳定以及隧洞所穿越的断层破碎带等问题。

（4）电站采用大容量冲击式水轮发电机组，单机容量为187.5mW，其设计研发和施工技术控制难度均居国内同类工程之先。

（5）坝址区无对外交通道路、无施工电源。工程区地形陡峭、冲沟发育，施工布置条件差，施工难度较大。