旭龙水电站枢纽布置设计研究

孔凡辉 黄红飞 王维浩 熊堃

摘要：为整体提高旭龙水电站主体工程的安全可靠性与经济环保性，通过对大坝、泄洪消能、地下厂房等建筑物布置的深入研究与方案比选，使枢纽主要建筑物避开不良地质构造范围，并利用优良的河床坝基与右岸地下电站围岩条件，确定了河床布置混凝土双曲拱坝、采用全坝身泄洪3表孔加4中孔，右岸布置地下厂房，左岸布置导流洞的紧凑枢纽布置格局。该方案降低了边坡开挖高度，减小对工程区环境影响，优化减少工程占地面积与开挖等土建工程量，显著节省了工程投资，充分体现了环保设计理念，可为《长江保护法》实施后的水电站枢纽布置设计提供参考。

关键词：枢纽布置； 拱坝； 长江保护法； 旭龙水电站

中图法分类号：TV73

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.002

文章编号：1006-0081（2024）05-0008-06

0 引言

旭龙水电站是金沙江上游河段“一库十三级”梯级开发方案中的第12级，是“十四五”期间开工建设装机规模最大的水电站，也是《长江保护法》实施以来第一个核准的大型水电站项目，工程建设需要妥善解决坝区地质条件复杂、生态环境保护要求高等难题［1-3］。

枢纽布置作为工程勘察设计研究中重大关键技术问题之一，相较于以往水电站技术论证方式［4-6］，旭龙水电站更加注重贯彻生态优先、绿色发展理念。本文结合坝区水文气象特征、地形地质等条件，开展了坝型坝线、泄洪消能、引水发电系统、导流方案等枢纽建筑布置方案综合比选，确定了建设条件便利、工程经济性最优、生态环境有充分保障的枢纽布置方案。

1 工程概况

旭龙水电站工程位于云南省德钦县与四川省得荣县交界的金沙江干流上游河段。工程开发任务以发电为主，并促进地区经济社会发展。水库总库容8.47亿m3，电站总装机容量2 400 MW，为Ⅰ等大（1）型工程。枢纽工程由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物、地下引水发电系统及过鱼设施等组成。拱坝最大坝高213 m，泄水建筑物全坝身布置，由3个泄洪表孔、4个泄洪中孔和1个生态放水孔组成，坝下设水垫塘消能，右岸布置引水发电系统与过鱼设施，左岸布置导流洞。枢纽布置如图1所示。

2 枢纽布置条件

旭龙水电站所在金沙江干流上游河段，属于典型干热河谷气候，坝址处于高地震烈度区，河流总体顺直，河谷狭窄，岸坡高陡。

2.1 水文气象

金沙江上游流域属高原气候区，气候特征具有明显的地区、时间差别。工程区多年平均气温14.8 ℃，多年平均降水量336.2 mm，多年平均水面蒸发量为1 530.5 mm。

旭龙水电站坝址处径流年际变化较大，多年平均流量990 m3/s，径流量313亿m3。径流年内分配不均，主要集中在汛期（6～10月），约占全年的76.5%。坝址洪水主要来源于降水和融雪，1 000 a一遇洪峰流量为9 970 m3/s，相对其他高坝大库水电站工程，洪峰流量较小。

2.2 地形地质

旭龙水电站地处青藏高原强烈隆起区，区域构造复杂，断裂发育、规模大、活动性较强［7］。工程区基本烈度为Ⅷ度，大坝校核地震峰值加速度达0.497g，为同期在建水电站最高。

旭龙坝址为典型的“V”形谷，坝顶高程2 308 m，河谷宽度约350 m。大坝所在河段总体顺直，两岸边坡呈多级山脊态势且走向与金沙江流向基本一致。坝基岩体以印支期花岗岩为主，左岸下游侧为斜长角闪片岩，右岸上游侧为混合岩。河床分布一定厚度覆盖层，主要为碎块石或漂卵石夹砾砂，下伏基岩为花岗岩及少量混合岩条带，岩石坚硬、弱风化至微新状。

孔凡辉 等旭龙水电站枢纽布置设计研究

坝址处两岸岸坡岩体普遍存在往临空方向卸荷特点，存在多处强卸荷松弛区，分布高程较高。两岸各级岸坡处还分布有堆积体，其中以位于二级岸坡处的堆积体规模最大，影响下部大坝及水垫塘等工程安全。

规模较大的区域性断裂主要分布于坝址河段以外，选坝河段地质平面示意见图2。建坝河段上、下游横江发育规模较大的F2、F1断层，两断层相距约850 m。该范围作为推荐坝址区，在两岸主要分布有断层、裂隙、缓倾角结构面等。

大坝左岸裂隙相对发育，沿断层分布有一条裂隙密集带，山体内部花岗岩与片岩接触部位一定宽度内，片岩产生了滑动，形成片岩与花岗岩接触带。大坝右岸断层、裂隙分布无明显分区性，以横河向断层为主，中、缓角断层相对发育较少，坝肩附近沿断层发育有云母富集带。坝址区主要岩体物理力学指标见表1。

3 坝型坝线比选

3.1 坝型选择

旭龙水电站坝址区两岸岩体强度高，具有一定的整体性，河床覆盖层不深，可修建200 m以上高坝。

坝址区河谷狭窄，两岸地形具备较好对称性，边坡整体稳定，未卸荷岩体完整坚硬，但局部存在云母富集带、裂隙密集带以及断层、裂隙等地质缺陷。坝基主要坐落在花岗岩上，具备修建高拱坝的条件，部分断层等结构面经常规处理后满足大坝及拱座稳定要求。

同时，坝基部位长大缓倾角裂隙不发育，也具备修建200 m以上高混凝土重力坝的条件，考虑到碾压混凝土重力坝较常态混凝土重力坝工期短、投资省、温控难度低、坝体横向分缝更适应高陡岸坡地形条件，采用碾压混凝土重力坝［8］作为比选坝型。

对于面板堆石坝而言，河床覆盖层厚约30 m，趾板可落于基岩上，具备建坝条件。需设岸边开敞式溢洪道，坝址河道顺直，两岸无垭口，坝顶高程附近亦无宽缓台地，溢洪道只能贴岸坡开挖形成。因洪水泄量相对不大，开挖规模较小且与坝体填筑量基本平衡，面板堆石壩［9］也是可行的比选坝型。

对混凝土拱坝、碾压混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝等3种坝型方案进行比较：面板堆石坝在溢洪道开挖及泄洪消能方面对坝址区周边地质环境适应性较差且枢纽布置受限，混凝土拱坝及重力坝在布置挡、泄水建筑物方面具有布局紧凑的优势，各坝型对应的引水发电建筑物布置条件相同。工程位于高地震区，拱坝的抗震性能与超载能力强于其他两种坝型。

从施工角度而言，重力坝混凝土浇筑强度最高，石料场开采量较大。从总体来看，拱坝方案的枢纽建筑布局及边坡开挖范围最小，所需料场等施工场地及建材较少，对施工区及工程区周边环境影响最低。各方案对比见表2，其中拱坝方案总投资最低，重力坝方案最高。

经过综合分析，拱坝方案具有枢纽布置条件优良、工程占地面积相对较小、大坝抗震性能好、所需建材较少、混凝土浇筑强度不大、施工布置条件较优、对环境影响小、对水土保持有利等显著优点，因此选择拱坝作为旭龙水电站推荐坝型。

3.2 坝线比选

通过分析旭龙水电站坝址区拱坝布置条件，考虑将大坝和主厂房洞室尽量布置于花岗岩范围内，并尽量远离左岸片岩与花岗岩接触带以及右岸云母富集带，减小其对坝肩变形及抗滑稳定的影响，在F1和F2两条断层之间、花岗岩出露范围内拟定分别相距100 m的上、中、下3条坝线。

3条坝线枢纽布置格局基本一致，从下游向上游，河谷逐渐变宽，枢纽建筑工程量相应增加。以上坝线拱坝工程量最大，右岸坝肩还存在云母富集带，处理难度较大。下坝线工程量较中坝线略小，但左岸大坝拱端距片岩与花岗岩接触带及附近断层较近，拱座稳定问题相对突出。上、中、下3条坝线方案比选示意见图3。

中、下坝线地下厂房洞室围岩主要为花岗岩，洞室稳定性高，主厂房轴线方向与最大水平主应力交角小，布置条件优于上坝线。施工条件方面，上坝线导流洞进口布置受F2断层影响，难度较大。在料源规划、施工强度、施工场地、对外交通及运输等其他方面，3条坝线方案基本相同。

中坝线在大坝开挖、坝基岩体、混凝土拱坝方量及拱座稳定等方面较优。下坝线左岸坝肩分布裂隙密集带及接触带等地质缺陷，导致左岸拱座及边坡稳定性较差。上坝线右岸上游侧分布的云母富集带进入大坝拱座范围，不利于建基面的稳定安全，同时还影响进水塔口边坡及输水隧洞围岩稳定。经过综合比选分析，选择中坝线作为推荐坝线。

4 全坝身泄洪

旭龙水电站大坝为混凝土双曲拱坝，坝址区河谷狭窄、两侧岸坡陡峻，不适宜布置岸边溢洪道，适合布置坝身孔口和岸边泄洪洞泄洪。大坝1 000 a一遇设计洪水对应洪峰流量9 970 m3/s，5 000 a一遇校核洪水对应洪峰流量为11 300 m3/s，洪峰流量相对不大，远小于溪洛渡［10］、小湾［11］、构皮滩［12］等同类工程坝身的泄量。表3中统计了国内部分高拱坝泄洪孔口尺寸。

考虑到旭龙水电站不承担防洪任务，以及其洪峰流量、入库泥沙量等相对较小的便利条件，明确泄水建筑物主要起宣泄洪水、控制水位、保证大坝安全并兼顾后期导流的利用原则，比选了坝身孔口泄洪、坝身孔口与岸边泄洪洞联合泄洪两种方案。

坝址两岸均具备布置泄洪洞［13］的地质条件，且可以和导流洞结合，但为处理进、出口边坡或洞身段均存在的地质缺陷问题，以及保证出口消能防冲效果，需要额外增加工程投资约3.5亿元，坝身孔口与岸边泄洪洞联合泄洪方案的经济性较差。若考虑与引水发电系统共同布置在地质条件相对较好的一侧，则相互间存在干扰，工程完建后可能影响电站的稳定安全运行。

结合旭龙水电站洪水泄量相对不大且下游河床地质条件良好的特点，最终选择全坝身泄洪加下游水垫塘消能的方案。泄洪孔口布置于坝身会削弱拱坝总体刚度，综合拱坝体形、泄洪结构及大坝防震抗震设计等方面研究工作，对孔口结构对坝体影响、震后孔口及周边变形等技术问题进行了系统研究。通过对旭龙拱坝坝体及孔口局部的应力、变形与坝体损伤等方面进行静、动力分析，结果表明坝身孔口仅对大坝力学性能有局部影响，通过采取适当抗震措施，可以满足坝身抗震安全要求，进而保证泄洪孔口结构的安全运行。

旭龙水电站拱坝泄水建筑物全部布置在坝身。坝身还设有1个生态放水孔，布置于右岸泄洪表孔右侧，采用上挑型有压管型式，进口底板高程2 278 m，孔口出口尺寸4.5 m×6.0 m。通过研究泄洪孔口流量分配，提出表、中孔泄量基本相当的配置方案，确保下泄水温不宜过低，降低过饱和气体及泄洪雾化对下游的不利影响［14］，提高调度灵活性，为保护周边环境及工程运行提供了基础条件。

5 引水发电系统布置

5.1 厂房型式

旭龙水电站共安装4台混流式水轮发电机组，单机引用流量、机组尺寸、厂房规模均较大，电站厂房可布置地面厂房或地下厂房。

坝址处及下游附近河段河谷狭窄、两岸地势陡峻，若临近大坝布置地面厂房，坝后式或引水式厂房都会导致厂房区开挖形成超高边坡的问题，加固岸坡及防护上部危岩体、堆积体的工程措施费用高，且均处在泄洪雾化影响范围内，对电站发电运行存在不利影响。右岸沿河道向下游处，局部存在缓坡地形且基岩出露，可以布置引水式地面厂房，但均距离大坝2 km以上，导致引水线路较长、隧洞地质条件复杂。

坝区两岸均分布有花岗岩、混合岩及斜长角闪片岩等坚硬岩石，山体雄厚，地应力属中低等，无重大地质制约因素，是布置大型地下洞室群的良好场所［15］。地下洞室规模相对地面厂房较小，局部地质缺陷易于处理，能满足基础承载力，基础长期稳定性及抗震性有保证。地下厂房更加适合坝址处地形地质条件，为典型顺直河段绕坝布置，可控制引水隧洞长度，完全避免高陡地形形成的厂房高边坡和高地震影响，安全性高，工程量小，对工区环境影响小，与大坝施工互不干扰，因此选择采用地下厂房的型式，并对引水发电系统布置作进一步比选。

5.2 引水发电系统布置

坝址区两岸山体内部岩体为硬质岩，均具备布置地下厂房的条件，右岸地下洞室围岩质量整体高于左岸。右岸花岗岩中构造不发育，地下洞室群以Ⅱ类围岩为主，条件较优，进出水口边坡整体稳定，引水线路相对较短。

左岸斜长角闪片岩中片理较发育，地下洞室群以Ⅲ类围岩为主，主厂房位置受片岩接触带、断层及岩层走向影响大，流道平均长度相对较长，平均水头损失较大，引水隧洞沿線围岩条件明显差于右岸，衬砌及支护工程量大。下游岸坡分布有危岩体、崩坡积体及强卸荷岩体，为确保尾水出口边坡安全，需避让至相对下游侧，导致左岸引水线路总体增长约400 m，枢纽占地范围增大约2.1万m2。工程静态总投资方面，右岸厂房方案为227.95亿元，左岸厂房方案为233.29亿元。旭龙水电站地下厂房布置比选方案如图4所示。经过技术经济比较，将引水发电系统布置在右岸具有显著优势。

对于右岸地下厂房，采用中部式能较好协调引水、尾水线路布置，并且与库区岸坡、两岸边坡及大坝拱端具有一定距离，有利于厂房及大坝形成整体的防渗体系。中部式地下厂房还具备灵活布置的特点，过流条件较好，能够同时满足主要洞室群远离避让大断层的条件，此外洞室轴线与主地应力方向交角较小，有利于保障地下厂房洞室群稳定性，节省地下洞室开挖及支护措施，减少弃渣量约165万m3，且具备施工、交通、运行管理方便等多项优势条件，故选择右岸中部式地下厂房方案。

6 导流洞布置

坝址河段汛期流量大，河道较窄，两岸山体陡峻；河床覆盖层深厚，具有较强透水性；大坝为混凝土双曲拱坝，施工期坝体不宜过水。推荐采用全年围堰一次性拦断河床、全年围堰挡水、导流隧洞泄流的导流方式。

为提高导流洞运用灵活性［16］，控制隧洞断面规模、降低施工风险，导流洞采用2条“高低、大小洞”布置方案，通过下闸期间高低洞衔接的方式，满足不同标准洪水的过流要求。结合设置生态供水旁通洞，实现向下游供水的环保要求，提高施工过程中蓄水初期生态供水保障［17］。

结合引水发电系统布置比选，同样对导流隧洞布置方案进行比较，包括导流隧洞布置于左岸、布置于右岸和左右各布置一条共3种。将导流洞布置于左岸能够避开右岸引水发电系统，地下洞室及过水隧洞间施工干扰少，各自进、出口边坡的布置相对紧凑，且左岸导流洞出口地形相对较平缓，出口明渠内适宜布置消力池，利于施工期下泄水流消能和下游衔接，因此选择左岸布置导流隧洞方案。

7 推荐枢纽布置方案

经过比选论证，确定旭龙水电站枢纽布置为河床布置拱坝、坝身布置泄洪孔、右岸布置引水发电建筑物、左岸布置导流洞的方案。混凝土双曲拱坝采用抛物线型，坝顶高程2 308 m，最大坝高213 m，坝顶中心线弧长471 m。采用全坝身泄洪，由3个泄洪表孔、4个泄洪中孔和1个生态放水孔组成。坝下游设混凝土水垫塘，末端设混凝土二道坝。右岸中部式地下厂房三大洞室平行布置，主厂房开挖尺寸204.0 m×29.9 m×79.3 m（长×宽×高），机组装机高程2 132 m，输水洞线总长858～1 073 m。左岸导流隧洞分高、低洞布置，高洞上游侧设生态放水旁通洞。

8 结论

在旭龙水电站枢纽布置设计工作中，系统考虑坝线、坝型及对应枢纽布置方案对坝区地形地质条件的适应性，科学统筹挡、泄水建筑物，引水发电系统以及导流等枢纽建筑布局关系，着重论证并解决了大坝抗震、全坝身泄洪、施工期导流及生态供水等关键技术问题。旭龙水电站枢纽布置设计降低了对工区生态环境影响，提高了生态环保效益并兼顾工程经济性，充分响应了《长江保护法》中对生态流量保障、保护生态环境等相关要求。

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编辑：高小雲

Design and research on layout of Xulong Hydropower Station

KONG Fanhui1，2，3，HUANG Hongfei2，3，WANG Weihao2，3，XIONG Kun2，3

（1.CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China；2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；3.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to improve the safety and reliability，as well as economic and environmental protection of main project of Xulong Hydropower Station，after the study and comparison of the layout of buildings such as dams，flood discharge and energy dissipation，and underground power plants，the main buildings of the hub had avoided adverse geological structures.The excellent riverbed dam foundation and surrounding rock conditions of the right bank underground power station were utilized.A compact hydro project layout pattern with concrete double curvature arch dam on the riverbed，with three surface outlets and four middle outlets for flood discharge in the whole dam body，underground powerhouse on the right bank，and diversion tunnel on the left bank was determined.This layout plan can reduce the excavation height of the slope，minimize the environmental impact on the project area，optimize and reduce the construction quantities such as project area and excavation，which significantly saved project investment，and fully embodied the concept of environmental protection design，providing a precedent for the layout design of hydropower stations after the implementation of the Yangtze River Protection Law.

Key words：

layout of hydro project； arch dam； Yangtze River Protection Law； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2024-03-12

作者簡介：孔凡辉，男，正高级工程师，主要从事大型水利水电枢纽规划设计工作。E-mail：kongfanhui@cjwsjy.com.cn