引汉济渭工程三河口水利枢纽坝型选择研究

赵 玮

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 工程概况

引汉济渭工程是陕西省内最大的跨流域调水工程，为Ⅰ等大（1）型工程，三河口水利枢纽为其两个水源工程之一，是整个引汉济渭工程的调蓄中枢。枢纽地处汉中市佛坪县与安康市宁陕县交界的秦岭山脉中部子午河中游峡谷段，在椒溪河、蒲河、汶水河交汇口下游2km处。水库总库容7.1亿m3，调节库容6.62亿m3，正常蓄水位643m，汛限水位642m，正常运行死水位558m，特枯水年运行死水位544m。其主要任务是调蓄子午河来水与汉江干流不能直供受水区的水量，结合发电。

2 坝址条件

2.1 地形、地质条件

三河口水利枢纽坝址处河床高程525m，河谷呈“V”型发育，河谷宽度50m～100m之间，河谷狭窄，两岸坡度35°～55°，大部分基岩裸露，地形基本对称，地层主要为变质砂岩夹薄层结晶灰。

左岸岩石强风化厚度5m～14m，弱风化厚度12m～29m，左岸发育有3条断层，与坝轴线近正交，影响带宽度3m～6m，河床覆盖层厚6.5m～7.2m，下伏基岩无大的深槽分布，强风化厚度1.5m～2.5m，弱风化厚度6m～14.4m。坝基分布有1条断层，与坝轴线斜交，影响带宽度1m～3m，右岸岩石强风化厚度6m～14.5m，弱风化厚度19m～35m，右岸发育有2条断层，与坝轴线斜交，影响带宽度1m～5m。弱风化、微风化岩块饱和抗压强度大于60MPa，弱风化及以下坝基以弱透水为主，坝址地质条件较好。

2.2 气象、水文条件

子午河流域属北亚热带湿润、半湿润气候区。坝址多年平均气温12.3℃，极端最高气温37.4℃，最低气温-16.4℃。多年平均降水量903mm，降水主要集中在汛期，5月～10月降水量占全年降水量的84.5%。多年平均蒸发量1214mm，多年平均日照时数1603h，多年平均相对湿度78%，多年平均最大风速9.1m/s，土层冻结期为11月到次年3月，最大冻土深度13cm。

子午河属山溪性河流，主要流经秦岭深山区，流域内植被良好，林木茂密，森林覆盖率达70%，水土流失轻微。流域的径流主要是由降雨形成，其水情随降雨的变化而变化，洪水由暴雨形成，洪水最早出现在4月，最迟出现在11月，年最大洪水较多出现在7月～9月，洪峰流量大。坝址10年一遇洪峰流量2550 m3/s，500年一遇洪峰流量 7180 m3/s，2000年一遇洪峰流量8870m3/s。

3 工程任务和枢纽布置要求

引汉济渭工程在汉江干流黄金峡和支流子午河分别修建水源工程黄金峡水利枢纽和三河口水利枢纽蓄水，在黄金峡水利枢纽库区左岸修建黄金峡泵站，抽干流水通过秦岭输水隧洞（黄三段）输水至三河口水利枢纽坝后右岸汇流池，所抽水的大部分通过汇流池直接进入秦岭输水隧洞（越岭段）送至关中地区，少量水（黄金峡泵站抽水流量大于关中用水流量部分）经汇流池由三河口水利枢纽泵站抽水入三河口水利枢纽水库存蓄，当黄金峡泵站抽水流量较小，不满足关中地区用水需要时，由三河口水利枢纽放水补充，所放水经汇流池进入秦岭输水隧洞（越岭段）送至关中地区。

三河口水利枢纽具有供水调节及发电作用，其调蓄库容占引汉济渭工程总调蓄库容的90.6%，调节其坝址控制的子午河与汉江黄金峡水利枢纽的水量，完成引汉济渭工程1/3左右的调水任务，位于整个调水线路上的中间位置，自流供水，具有“承上启下”作用，不仅为引汉济渭工程提供必要的水源补充，而且是调水工程中主要调蓄功能的枢纽，在引汉济渭调水工程中起着关键性的作用。在满足调蓄和供水任务的前提下，三河口水利枢纽“以水定电”，利用水库供水、河道生态水量、水库下泄水量进行发电，增加工程效益，每年发电1.15亿kW·h。

为实现三河口水利枢纽的任务，枢纽布置要考虑挡水、泄洪、供水、抽水和发电及生态用水等要求。经过综合研究，枢纽布置应包括拦河大坝、泄洪系统、引水发电系统、坝抽水泵站、连接洞（连接三河口水利枢纽与秦岭水隧洞）及生态放水建筑物。

4 坝址适宜坝型分析

坝型选择是水利枢纽工程设计的重大技术问题，设计采用的坝型是否恰当，对工程任务的实现，对工程安全、环境、经济、施工、运行等均有很大的影响。合理的坝型可以便于施工布置和节省工期，可以使挡水、泄洪、供水、发电、生态放水等建筑物布置各得其所，在很好地满足各建筑物发挥其功能性要求的同时，使工程建筑物部分的投资最小。在每种比选坝型均可以满足工程安全的前提下，坝型最终的选定反映了建筑物布置与地形地质、环境等条件的和谐及工程的经济性。

坝址处洪峰流量大，地形地质条件较好，工程区天然建筑材料较为丰富，砂石料分布多，质量满足要求，土料分布零散且粘粒含量偏高，天然密度偏大，易结块。根据坝址客观条件，浆砌石坝施工缓慢，不宜建高坝，土坝由于土料分散、质量不好，且开采对当地自然环境影响大，不宜采用。客观分析，混凝土拱坝、重力坝和面板堆石坝在此坝址均可以适用。

5 坝型选择

5.1 混凝土拱坝方案

混凝土拱坝方案的主要建筑物由混凝土拱坝、坝身泄洪系统、坝后引水系统、泵站、电站和连接洞等六部分组成。

混凝土双曲拱坝，坝顶高程646.0m，最大坝高145m，坝顶宽10m，坝顶弧长476.272m。坝身布置3个泄洪表孔和2个泄洪放空底孔，表孔孔口尺寸15m×15m，底孔布置在550m高程，分设在表孔两侧，孔口尺寸4m×5m（宽×高）。坝下游消力塘长200m，宽 60m。

引水系统进水口布置于坝身右岸侧坝体中，设计引水流量72.71m3/s。进水口下游侧接压力主管道，主管道“卜”型分岔，分别接电站机组和减压阀。电站厂房垂直于河道布置，与减压调流阀共用一个进水口和主管。主厂房内安装3台混流式发电机组。尾水池布置于尾水平台下游侧，尾水池也是下游侧泵站的前池。泵站紧挨电站厂房下游布置，泵站设计抽水流量为18m3/s，设计扬程97.7m。泵站共安装3台卧式双吸离心水泵电动机组。连接洞一端与秦岭输水隧洞控制闸相接，另一端与泵站前池（电站尾水池）相连，总长度293.34m，平底、无压洞设计。

5.2 混凝土重力坝方案

混凝土重力坝方案主要建筑物由混凝土重力坝、坝身泄洪系统、坝后引水系统、泵站、电站和连接洞等六部分组成。

重力坝坝顶高程同拱坝方案，均为646.0m，最大坝高为145m，坝顶宽10m，坝顶长度369.5m，其中非泄洪坝段长度为290.5m（左岸 140m，右岸 150.5m），泄洪坝段长度为79m。泄洪建筑物为坝顶中部的开敞式3个泄洪表孔和底部的2个泄洪放空底孔，坝下游设消力塘，孔口尺寸与拱坝方案相同。

坝后引水系统进水口布置于坝身右岸侧坝体中，进水口下游侧接压力主管道，主管道“卜”型分岔，分别接电站机组和减压阀。电站布置于坝后右岸，与减压调流阀共用一个进水口和主管。厂房装机3台混流式水轮发电机组。泵站采用坝内布置方案，厂房布置于大坝挑流鼻坎下混凝土坝体内，主厂房中心线距坝轴线110m。泵站采用侧向母管进水，侧向母管出水。泵站进水池（与坝后电站尾水池共用）布置于右坝段坝后，由连接控制闸的连接洞引水。连接洞长度313m，连接洞布置型式及断面尺寸与混凝土拱坝方案基本相同，此处不再赘述。

5.3 混凝土面板堆石坝方案

混凝土面板堆石坝方案的主要建筑物由混凝土面板堆石坝、左岸开敞式溢洪道、左岸泄洪放空洞、右岸引水发电系统、坝后右岸泵站和连接洞等六部分组成。

面板堆石坝坝顶高程确定为648.0m，坝顶长325m，坝顶宽10m，最大坝高136m。上、下游坝坡均为1∶1.4。坝体从上游向下游依次分有：砾石盖重区、壤土铺盖区、防渗面板、垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区以及干砌石护坡和下游堆石棱体。大坝主要采用爆破堆石料填筑，同时由于本方案的石料开挖量较大，次堆石区采用建筑物开挖石料填筑，垫层区和过渡区水平宽度为4m，等厚布置，下游干砌石护坡厚度为0.6m，下游堆石棱体顶高程540.5m，顶宽10m，上下游坡比均为1∶1.4。

溢洪道布置在左岸坝端，控制段总宽50m，进口溢流堰净宽3m×12m，溢洪道总长525m，设计洪水位下泄流量4036m3/s，校核洪水位下泄流量5260m3/s，最大单宽流量150.3m3/s，溢洪道出口挑流消能。

泄洪放空洞位于大坝左岸，长704.24m，进水口高程550m，孔口尺寸为8m×9m（宽×高），设计洪水位下泄流量2525m3/s，校核洪水位下泄流量2570m3/s。出口采用挑流消能。

引水隧洞布置在大坝右岸山体内，采用塔式进水口，放水塔后接压力洞，洞段总长360m，内径4.5m，隧洞段末接长30m压力钢管段，在压力管道上分别设电站和减压调流阀岔管。电站厂房布置于大坝下游右岸边坡上，厂房轴线垂直河道布置，与泵站厂房成“丁”字型。泵站厂房垂直河道布置在坝后消力池右岸电站下游侧，泵站主厂房中心线距混凝土面板坝坝轴线305.26m。泵站由控制闸经长242.50m的连接洞引水侧向接入泵站进水池。根据泵站与秦岭隧洞相对位置，该方案三河口控制闸位置与拱坝方案控制闸位置相比需沿秦岭隧洞黄三段洞线向上游侧移动约110m。该方案连接洞长度242.50m，布置形式及尺寸与混凝土拱坝方案基本一致，此处不再赘述。

5.4 坝型选择

对三种不同坝型的选择，需根据坝址处的地形地质、枢纽布置、施工、建筑材料、环境影响和工程投资等，进行综合比较分析，以选出相对较优的坝型。

5.4.1 地形地质

坝址河谷呈“V”型发育，河床漫滩宽79m～87m。两岸基本对称，山体雄厚，基岩裸露。左岸自然坡角35°～55°，右岸自然坡角45°～50°，设计坝顶高程河谷宽325m。从地形条件上看，最适合修建拱坝，其次是重力坝和面板堆石坝。从工程布置上看，由于拱坝和重力坝均采用相同的坝身泄洪的布置型式，结构相对紧凑，布置简单，而面板堆石坝方案由于建筑物较多，也无有利的地形条件，布置相对困难，对施工及今后的管理运行均带来一定的不便。

坝址具备兴建拱坝、混凝土重力坝、面板堆石坝的基本地质条件。但又由于各种坝型本身的特点，地质条件对其影响也不相同。其中面板堆石坝对地质的要求最低，其次是重力坝，而拱坝对地质的要求最高，受坝址处断层、不利结构面的影响也最大，相应的处理工程量也是最大的。

5.4.2 枢纽布置

混凝土拱坝和重力坝方案枢纽建筑物由大坝、坝身泄洪系统、电泵站等组成，坝体本身布置简洁、紧凑。重力坝方案电站布于坝后、泵站布于挑流鼻坎下，总体布置相对最为简洁、紧凑。混凝土面板堆石坝方案枢纽建筑物由大坝、溢洪道、泄洪洞、电泵站等组成，独立建筑物相对较多，整体结构最为复杂，相对其他坝型最难布置。

5.4.3 施工

本工程枢纽布置相对集中，坝区无集中布置临时施工场地的位置，但相对来说，由于面板堆石坝方案的建筑物较多，且坝体施工要求施工场地面积较大，因此施工布置安排最为不利。另外，几种坝型的施工导流方案均为隧洞导流全年围堰，但面板堆石坝方案的导流洞最长。根据施工进度安排，混凝土拱坝方案施工总工期需58个月，混凝土重力坝方案施工总工期需60个月，混凝土面板堆石坝方案施工总工期需55个月。混凝土拱坝施工工期较混凝土面板堆石坝方案长，较混凝土拱坝方案短。

由于拱坝和重力坝方案主要用料为水泥、粉煤灰等，需外运采购，但坝址区交通运输可以得到保证，相对重力坝对外依赖最大。三种坝型的施工技术均成熟，无技术难点。

5.4.4 建筑材料

本工程天然砂石料可以满足混凝土坝对天然建材的需求，料场均有简易公路相通，运输条件较好。石料满足设计用料要求，且位于简易公路边，运输条件良好，开采场地较为开阔，同时混凝土面板坝方案建筑物的开挖弃料相对丰富，可直接作为坝体填筑料源。从建筑材料来看，对天然料需求量最大的是面板坝，其次是重力坝，拱坝最小。

5.4.5 环境影响

面板堆石坝方案工程量及建筑物开挖量最大，虽能利用部分开挖石料，但弃料仍较大，对工程当地植被破坏和环境影响也较大。

5.4.6 工程投资

根据投资估算，三种坝型的建筑工程投资费分别为：拱坝方案124324.25万元，重力坝方案137684.38万元，混凝土面板堆石坝方案131771.64万元。混凝土拱坝方案投资节省。

5.4.7 比选结论

坝址地形地质条件对各坝型无明显制约，在枢纽布置上拱坝和重力坝的结构均相对紧凑，施工上各有优缺点，但由于拱坝的工程量最小，所以在施工干扰、环境影响、节能方面占有优势，特别是拱坝的工程部分投资相对重力坝方案和面板堆石坝方案少20754.50万元、17370.87万元，具有明显优势。因此，将混凝土拱坝做为三河口水利枢纽推荐坝型。

6 结语

在实际工程中，没有选择修建哪种坝型，必须从地形地质条件、筑坝材料、工程布置、施工条件、环境影响和工程投资等方面进行全面分析比较。利用土石材料筑坝，可以节省水泥，减少外来物资的运输量，对坝址地质条件要求较低。重力坝对地质的要求较拱坝低而较土石坝高。除挡水外，重力坝坝体还可用来布置泄洪、引水建筑物，有时还可在坝体内设置厂房，因而可充分利用河床布置枢纽建筑物，抗超标准洪水的能力强，有较高的安全性。但混凝土重力坝坝体混凝土量大，耗用水泥较多，为保证质量，浇筑时需采取一定的温控措施。拱坝坝体剖面小，水泥用量少，抗震性能好，超载能力强，但地基变形、温度变化及混凝土收缩对坝体应力的影响较大。

随着我国坝工技术的发展，对于三河口水利枢纽来说，无论选择哪种坝型，都不存在难以解决的设计和施工技术问题。在现有的地形地质条件下，影响坝型选择的主要是环境影响和投资因素。陕西水利

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