黄金峡水利枢纽技术特点及关键技术问题

胡中平

（水利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，430010，武汉）

黄金峡水利枢纽为引汉济渭工程主要水源之一，也是汉江上游干流河段规划中的第一个开发梯级，位于汉江干流上游峡谷段，地处陕西南部汉中盆地以东的洋县境内，坝址下游55 km处为石泉水电站。工程的建设任务为：以供水为主，兼顾发电，改善水运条件。

黄金峡水利枢纽由拦河坝、泄水建筑物、泵站、电站、通航建筑物和过鱼建筑物等组成。拦河坝为混凝土重力坝，最大坝高63 m；水库正常蓄水位450 m，死水位440 m，总库容2.21亿m3，调节库容0.98亿m3。河床式泵站安装7台水泵机组，总装机功率12.6万kW；泵站设计流量70 m3/s，多年平均抽水量9.69亿m3，设计扬程106.45 m。坝后式电站安装3台水轮发电机组，总装机容量13.5万kW，多年平均发电量3.51亿kWh。通航建筑物为300 t级垂直升船机，过鱼建筑物为竖缝式鱼道。工程总工期52个月，总投资约51亿元。

一、工程主要技术特点

1.枢纽洪水规模较大

汉江是长江中游的重要支流，发源于秦岭南麓，经汉中盆地与褒河汇合后始称汉江，干流流经陕西、湖北两省，于武汉市入汇长江。干流全长1 577 km，流域集水面积约15.9万km2。黄金峡坝址位于汉江干流上游，下距石泉水文站约52 km，坝址控制流域面积17 070 km2。汉江上游流域地处大巴山以北、秦岭以南，该流域山高坡陡，岩层的透水性较小，使得洪水具有汇流速度快、陡涨陡落的特点。坝址处洪水规模较大，1 000年一遇校核洪峰流量 26 400 m3/s，100年一遇设计洪峰流量18 800 m3/s，10年一遇施工导流洪峰流量10 800 m3/s。坝址处河谷相对狭窄（坝顶高程处河谷宽约250 m），坝址洪水规模大，对枢纽总体布置、施工导流方式和泄洪消能影响较大。

2.坝址地质条件好，地形条件独特

坝址呈深切宽阔的圆底不对称“Ⅴ”字形，地形较完整，构造简单，左岸分布一定宽度的河滩地形。坝基岩体为闪长岩，可利用岩体主要为弱风化、微风化岩体，属坚硬岩，岩体基本质量分别为Ⅲ、Ⅱ类。坝址区地质构造简单，断层一般规模较小，岩体较完整，缓倾角裂隙不发育，坝基抗滑稳定条件好，两岸坝肩边坡整体稳定。黄金峡坝址地质条件适合修建混凝土坝，独特的地形条件（河谷宽高比约1∶4，左岸分布河滩地）使得工程施工导流方式具有多种选择，具备采用分期导流和隧洞导流方式的基本条件。

3.建筑物种类多，构成复杂

为满足枢纽工程开发和环保要求，枢纽主要建筑物包括拦河坝、泄洪消能建筑物、泵站、电站、通航建筑物、过鱼建筑物、排沙建筑物、生态放水孔及导流建筑物等，建筑物种类多，构成复杂，存在相互干扰和制约，枢纽布置难度大。

二、工程关键技术问题

1.施工导流与枢纽总体布置

黄金峡水利枢纽由拦河坝、泄水建筑物、泵站、电站、通航建筑物、过鱼建筑物和导流建筑物等组成，建筑物种类多，构成复杂，枢纽总体布置方案具有多样性特点。独特的地形条件使得施工导流方式亦具备多种选择，且导流方案选择与枢纽总体布置相互关联、相互制约，因此，施工导流与枢纽总体布置是黄金峡水利枢纽面临的首要关键技术问题之一。根据引汉济渭工程总体布局，黄金峡水利枢纽泵站抽库水入秦岭输水隧洞，由于秦岭输水隧洞位于汉江左岸，为便于泵站出水系统布置，泵站建筑物宜布置在左岸。坝址现有通往大河坝乡的新修进场公路位于左岸，为方便电站大件运输，并考虑与泵站配电设备集中设置，提高电站、泵站运行管理便捷性，电站建筑物宜与泵站建筑物布置在河床同一侧，即电站建筑物也布置在左岸。通航建筑物宜临岸布置，所以布置在右岸。过鱼建筑物采用鱼道，为保证鱼道下游进水口具备常流水条件，一般考虑将鱼道进水口布置在电站尾水处，鱼道宜布置在左岸。因此，黄金峡水利枢纽的枢纽布置格局为：主河槽布置泄水建筑物，左岸布置泵站、电站，右岸布置通航建筑物，左岸边坡布置过鱼建筑物。

汉江洪水具有陡涨陡落的特征，汛期10年一遇洪水达10 800 m3/s，导流建筑物的规模较大。泵站和电站结构复杂，施工时间长，根据总进度要求，施工导流方案应保证泵站和电站具备全年施工条件。

根据坝址河谷条件满足分期导流和隧洞导流的特点，结合枢纽布置格局，研究比较了两期导流方案、三期导流方案、“过水围堰+隧洞导流”方案和“全年围堰+隧洞导流”方案，考虑到本工程坝址地形地质条件、工程投资、施工工期、施工方案难易程度等因素，选择采用两期导流方案。一期围左岸：首先利用土埂围堰挡水，完成混凝土纵向围堰和一期全年挡水上下游土石围堰的施工；然后在一期全年挡水土石围堰及混凝土纵向围堰的围护下，进行泄洪冲沙底孔坝段、电站泵站施工，施工期间由右侧束窄河道泄流。二期围右岸：二期第一个枯水期利用二期上下游枯水期土石围堰及混凝土纵向围堰的围护，浇筑表孔坝段及右岸挡水坝段；汛期表孔坝段停工，过水度汛；二期第二个枯水期，继续进行表孔坝段混凝土浇筑；二期枯水期泄水建筑物为泄洪冲沙底孔，汛期为泄洪冲沙底孔加表孔坝段缺口。

根据施工导流和枢纽布置格局确定的枢纽布置方案见图1。

2.泄洪消能设计

黄金峡水利枢纽坝址处洪峰流量大，100年一遇设计和 1 000年一遇校核洪水的洪峰流量分别达到18 840 m3/s、26 430 m3/s， 泄洪消能建筑物规模大、水力学设计及运行条件复杂。同时水库调蓄能力小，河床宽度有限，下游水位变幅大，泄洪消能及下游河岸防冲刷问题突出。为尽量减少溢流前缘宽度以及考虑到排沙、施工导流等，泄洪建筑物采用表、底孔结合布置方式，经多方案比较，最终确定泄洪建筑物采用5个泄洪表孔和2个泄洪冲沙底孔。

泄洪冲沙底孔布置在河床中部两个坝段，每个坝段宽16 m，底孔采用有压短管型式，进口底高程406 m，孔口尺寸 8 m×12.5 m（宽×高），两侧边墙厚4 m。底孔有压段出口设弧形工作门，上游设事故检修平板门。由于底孔单宽流量较大，出口高程低，经研究底孔采用底流消能，下游设置140 m长的消力池。

泄洪表孔布置于河床右侧主河槽部位，共分为5个坝段，表孔坝段采用孔中分缝，中墩厚5.5 m，边墩厚5 m，表孔堰顶高程425 m，孔口尺寸为 14 m×25 m（宽×高）。每孔布置1扇弧形工作门，由液压启闭机启闭，弧形工作门前布置1道叠梁检修门槽，叠梁检修门通过坝顶门机操作。由于泄洪表孔下游单宽流量大，表孔堰顶高程（425 m）较低，且下游水位高（校核洪水流量时，下游水位为427.77 m），经多方案分析比较和模型试验研究，表孔采用宽尾墩加戽式消力池消能型式。

3.泵站、电站布置方案选择

黄金峡水利枢纽主要任务为供水，泵站为枢纽最主要建筑物之一，泵站站址选择及泵站型式对工程投资、施工、运行和管理等影响较大，为本工程关键技术问题之一。结合坝址地形地质条件和枢纽总体布置，对黄金峡泵站站址和泵站型式进行了多方案研究，分别比较了瓦滩站址、良心河站址和坝后站址等3个站址以及地下泵站、岸边泵站和坝后泵站等多种泵站型式。瓦滩站址和良心河站址位于黄金峡大坝上游水库内，瓦滩站址采用地下泵站，投资最大，运行管理条件较差；良心河站址采用岸边泵站，对应黄三隧洞较短，但进水条件稍差，工程投资比坝后站址大；坝后站址采用“河床泵站+坝后电站”联合布置或 “河床电站+顺河向岸边泵站”布置。综合比较，坝后站址具有枢纽布置紧凑、工程量少、投资省、施工条件好、运行管理方便等优点，故推荐坝后站址。由于坝址河谷宽度较窄，不具备并行布置河床式泵站和河床式电站的基本条件，结合施工导流和枢纽总体布置，泵站坝后站址方案采用了“河床泵站+坝后电站”布置方式。即泵站采用河床式、电站采用坝后式，均布置于左侧河床，泵站、电站顺流向前后布置，泵站厂房为挡水建筑物，和大坝一线并列布置，电站轴线平行于坝轴线（见图2）。该种方案为特定条件下的独特布置方式，具有布置紧凑，工程量较小，泵站、电站取水条件好，水头损失小，运行管理方便等优点，但同时带来泵站、电站进水口结构复杂，泵站、电站运行可能存在相互影响等不利因素。通过精细布置和优化设计，解决了泵站和电站交错布置带来的结构问题；通过水工模型试验和三维数值模拟分析，对泵站、电站分层布置条件下的进水口水力特性进行了深入研究，并根据研究成果优化调整了泵站、电站进水口布置和体型，解决了这一关键技术问题。

4.高扬程、大功率水泵设计

黄金峡泵站为高扬程（水泵设计扬程 106.45m)、大功率泵站(7×18MW），其泵站装机规模位居国内甚至亚洲前列，具有泵站规模大、装机台数多、不同时段输水流量变化幅度大、水泵年利用小数高的特点。

水泵选型设计依据黄金峡泵站调水流量、枢纽布置、泥沙磨损等特性，充分利用国内外大型泵站的设计经验和水泵制造厂的先进技术，在保证机组安全稳定运行的前提下，合理确定机组参数水平，不仅使水泵的性能先进，符合国内外技术发展水平，还使水泵机组参数之间达到总体的最优匹配。经技术经济比较，黄金峡泵站推荐选用7台 （1台备用）单机容量18 MW、同步转速为375 r/min的立式单级单吸离心泵及配套的电动机组。

通过设置水泵变频调节设施，可确保水泵稳定高效运行，减轻水泵运行发生的振动和空化，提高了供水的灵活性和准确性。由此，黄金峡泵站不仅能满足引汉济渭工程近期年调水10亿m3、泵站抽水流量为52 m3/s、远期年调水15亿m3、泵站抽水流量为70 m3/s的工程调水任务要求，还有效地解决了调水不同时段输水流量变幅大的难题。

黄金峡泵站采用7台水泵共1个扬水管，目前已建同等规模高扬程、单机容量大的泵站中国内没有工程实例，同时泵组并联运行时水泵启动方式复杂，流道中水力干扰大，水头损失加大 （增加了水泵扬程范围），给水泵安全稳定运行带来隐患。通过与多家科研单位联合开展泵站过渡过程计算和水锤防护措施专题研究，提出了安全、合理、经济、可靠的水锤防护措施及泵站水泵的开停机运行程序。

5.高水头鱼道设计

在通常情况下鱼道一般适用于水头低于25 m的枢纽，国内已建鱼道大多布置在低水头闸坝上，提升高度都不大，吉林老龙口水利枢纽最大过鱼水头28m，为国内已建水头最高的鱼道。黄金峡水利枢纽最大过鱼水头45.5m，为目前国内水头第二高的鱼道，其水头指标在世界上也位居前列。

结合黄金峡水利枢纽的特点，在初步设计阶段，分别采用水工整体模型、鱼道池室局部模型和集鱼诱鱼系统物理模型，对枢纽上下游的环境流场、鱼道池室的水力学条件和集鱼渠水力学条件进行了深入研究，基本确定了鱼道总体布置和主要建筑物结构型式。

根据模型试验成果并参考国内外已建工程经验，黄金峡过鱼建筑物布置在左岸边坡上，采用垂直竖缝式鱼道，全长约1 970 m，下游设1个主进口，上游设5个出口，主要建筑物有厂房尾水集鱼系统、鱼道进口、过鱼池、鱼道出口及补水系统等。

为了使进鱼口流速满足诱鱼要求，鱼道主进口和集鱼渠配置补水系统。补水系统设有补水管、检修阀门、工作阀门和补水渠等。补水系统通过补水管从上游补水，由工作阀门的开度控制流量，经补水渠消能进入集鱼渠。

三、结 语

黄金峡水利枢纽具有泄洪规模大，坝址地质条件好，地形条件独特，建筑物种类多、构成复杂等特点，经过可研及初步设计阶段的设计、科研、论证，对枢纽工程的主要技术特点以及关键技术问题做了充分的研究，提出了有效的解决方案，主要结论如下：

①黄金峡坝址河谷条件满足分期导流、隧洞导流两种导流方式，结合枢纽布置格局对分期导流、隧洞导流两大类多个导流方案及相应枢纽布置方案进行了深入研究，推荐采用两期导流方案。

②坝址河谷狭窄，洪水流量大，枢纽泄洪消能建筑物规模大、水力学设计及运行条件复杂，结合枢纽布置要求尽量减少溢流前缘宽度，以及考虑到排沙、施工导流等要求，泄洪建筑物采用窄高型大尺寸表、底孔结合布置方式，在河床中部布置5个泄洪表孔和2个泄洪冲沙底孔，底孔采用底流消能，表孔采用宽尾墩加戽式消力池消能。

③对泵站站址和泵站型式进行了多方案比选，推荐采用“河床泵站+坝后电站”独特创新的布置方式，解决了泵站、电站交错布置带来的结构型式和水流条件复杂等难题。

④黄金峡泵站具有高扬程、大功率、装机规模大等特点，依据黄金峡泵站调水流量、枢纽布置、泥沙磨损等具体特性，充分利用国内外大型泵站的设计经验和水泵制造厂的先进技术，优化泵站布置，优选水泵型式，合理确定机组参数水平，使水泵机组参数之间达到总体最优匹配。

⑤黄金峡水利枢纽最大过鱼水头45.5 m，为目前国内水头第二高的鱼道，根据模型试验成果并参考国内外已建工程经验，基本确定了鱼道总体布置和主要建筑物结构型式。