西藏扎拉水电站枢纽布置与设计研究

胡中平 黄红飞 肖浩波

收稿日期：2023-09-29

作者简介：

胡中平，男，正高级工程师，主要从事水利水电工程设计与管理工作。E-mail：huzhongping@cjwsiy.com.cn

引用格式：

胡中平，黄红飞，肖浩波.

西藏扎拉水电站枢纽布置与设计研究

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：49-53.

摘要：

扎拉水电站水头高，泥沙问题突出，工程区地质条件复杂，存在活动断裂带、倾倒变形岩体发育。为减轻泥沙对水轮机机组的磨蚀，缩短引水线路穿越活动断裂带宽度，避开倾倒变形岩体的不利影响。通过多方案比选，确定了“下坝址以库代池，拦蓄泥沙；南线引水隧洞，避开闹中断裂影响带；上厂址地面厂房，利用河岸阶地的枢纽布置方案”。该方案最大限度减少了泥沙对机组的影响，避开了不利地质条件，节省了工程投资，同时充分利用了河段水头，发挥了工程最大效益，研究成果可为类似水电站枢纽布置设计提供参考。

关键词：

枢纽布置； 引水隧洞； 活动断裂带； 倾倒变形岩体； 扎拉水电站

中图法分类号：TV61

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.009

文章编号：1006-0081（2024）06-0049-05

0  引  言

扎拉水电站坝址位于西藏昌都市左贡县碧土乡，厂址位于林芝市察隅县察瓦龙乡。水库正常蓄水位2 815 m，总库容914万m3，总装机容量1 015 MW（含生态电站15 MW），冲击式水轮机组单机容量500 MW，为世界首台套，额定水头671 m。扎拉水电站采用混合式开发［1］，主要建筑物包括首部挡泄水建筑物、引水隧洞和发电厂房。扎拉水电站具有河道泥沙含量大、单机容量大、引水隧洞穿越活动断裂、倾倒变形岩体发育等特点。目前，解决过机泥沙含量高的思路主要有常规布置沉沙池、以库代池和大修更换转轮。赵玮［2］对烟岗水电站以库代池方案进行了初步研究，通过对以库代池方案和沉沙池方案技术经济进行比较，认为以库代池更具经济性；白俊岭等［3］研究了多泥沙河流水轮机增加抗磨措施和停机大修更换转轮方案，提出布置沉沙池解决过机泥沙更可靠。针对引水隧洞穿越活动断裂破坏机理和抗错断措施，部分国内学者进行了相关研究，翁文林等［4］结合滇中引水工程沿线大断裂，通过三维有限元模型计算，研究了跨活断层隧洞破坏机理，分析了断层错动量、宽度、围岩强度和断层倾角等对衬砌的影响程度；崔臻等［5］对滇中引水工程香炉山输水隧洞进行数值计算分析，提出了分节设置铰接缝的抗错断措施。随着水电工程的逐步开发，在澜沧江小湾、云南苗伟水电工程中发现大量倾倒变形现象，引起了国内学者的关注。赵小平等［6］对31个倾倒变形体发育特征进行了统计分析，得出了反向坡和顺向坡的发育特征及分布规律；骆波等［7］通过建立地质模型，运用极限平衡法和离散元法对云南苗伟水电站倾倒变形体边坡稳定进行了对比分析。本文结合过机泥沙、活动断裂和倾倒变形岩体等相关研究成果，对扎拉水电站坝址、厂址及引水隧洞线路进行了研究，提出了以库代池沉沙、引水隧洞避开闹中断裂影响带、地面厂房利用河岸阶地的枢纽布置方案，可供类似混合式开发水电站枢纽布置参考。

1  工程条件

1.1  水文泥沙

扎拉水电站位于西藏自治区，径流主要来自降水，该流域气候干冷，降水量小，降雨一般集中在5～10月。根据水文统计资料，扎拉坝址多年平均流量为110 m3/s，多年平均径流量为34.8亿m3，径流年内分配不均，汛期5～10月径流量约占全年的76.5%左右。已有实测资料表明，悬移质泥沙几乎全部集中在汛期，坝址多年平均悬移质年输沙量91.9万t，平均含沙量0.266 kg/m3，多年平均推移质年输沙量13.8万t。通过颗粒级配和矿物成分分析，悬移质中值粒径0.036 mm，主要成分为石英。

1.2  地形地貌

枢纽区位于碧土至珠拉村河段“几”字形回头河湾段，河湾地块山体横向宽4.7～9.5 km，分水岭山脊靠近东侧，脊线总体呈近南北展布，脊顶高程3 218～4 917 m，南北两端高、中间相对较低。山脊东侧斜坡高458～980 m，地形坡度一般为30°～50°。西侧脊顶与河床高差为1 118～1 690 m，发育有扎史同沟和闹中沟，两沟之间为走向南西的山脊，脊顶高程为2 335～3 790 m。河湾地块河道纵向长60 km左右，平均比降11.8‰，两岸断续发育阶地。

1.3  工程地质

上坝址左岸地形坡度为60°～80°，基岩裸露，局部分布阶地Qalp卵漂石；河床覆盖层厚2.1～14.0 m，为Qal4漂（块）石；右岸呈坡角大于70°陡崖与河床相接，临河岸坡基岩裸露。坝基基岩为γδ15花岗闪长岩，河床及两岸临河岸坡无强风化带，右岸顺河向存在古河道深槽。

下坝址左岸地形坡度一般为50°～70°，下部基岩裸露，高程2 806 m以上Ⅲ级阶地为卵漂石；河床覆盖层厚度2～4 m，同上坝址一样为漂（块）石；右岸高程2 779～2 791 m之间为Ⅰ级阶地，高程2 798 m以上为Ⅱ级阶地，两级阶地之间及Ⅰ级阶地以下为岩质边坡，覆盖层厚度为10.6～29.2 m；坝基基岩主要为P1nc1砂质板岩，左岸为顺向坡，右岸为逆向坡，坝基存在缓倾角裂隙，右岸倾倒变形岩体发育。

引水线路区岩性主要为砂质板岩、钙质板岩、变质砂岩、大理岩、结晶灰岩等，引水线路穿过闹中活动断裂（F1-6）和坡郎断裂（F1-2）等区域性断裂，断裂带岩体软弱破碎，围岩稳定和涌水问题突出。引水线路南线和北线方案的主要差异在于穿越闹中活动断裂的部位不同。

上厂址Ⅱ级阶地发育，下伏基岩为钙质板岩，局部夹中厚层状结晶灰岩。阶地后缘边坡高达950 m，边坡地形呈上、下较陡中部较缓状态。平洞揭示，边坡岩体普遍发生倾倒变形，总体呈斜-逆向坡。

下厂址岸边地形较狭小，后边坡较高，引水线路要穿越活动断裂，只能修建地下厂房，围岩为C22大理岩，属坚硬岩，主要为Ⅲ类，局部存在涌水、突泥和围岩坍塌等问题。

2  枢纽布置研究

2.1  枢纽布置原则

扎拉水电站采用混合式开发，主要建筑物由首部枢纽、引水隧洞及电站厂房三大部分组成，依据工程条件，枢纽布置应遵循以下4个原则。

（1） 相同正常蓄水位下坝址尽量往下游选择，增大水库库容，提高水库沉沙效果。

（2） 引水隧洞在无法避开闹中活动断裂的情况下，应尽量缩短穿越活动断裂的长度，避开其影响带范围。

（3） 电站厂房应充分利用河滩阶地，避开活动断裂和厂房后边坡倾倒变形岩体的影响。

（4） 引水隧洞采取裁弯取直方式布置，在充分利用河段水头的情况下，应尽量缩短引水线路长度，减少工程投资。

2.2  坝址选择

扎拉水电站具有水头高、库容沙量比小的特点，如何延缓水库淤积、有效降低过机泥沙对700 m级水头冲击式水轮机组磨损是工程的主要技术问题之一。坝址位置同水库库容、发电水头密切相关，越往下游水库库容越大，水库沉沙效果越好。但是，坝址太靠近下游河段，引水线路须折回上游，导致线路加长，且坝址越靠近下游河段，大坝高度逐渐增加，工程量也会逐渐增大，因此坝址不能太靠近下游河段。在卡树村与珠拉村之间相距2.35 km拟定上、下两个坝址，采用相同正常蓄水位2 815 m进行比选，坝址位置见图1。

上坝址库容较小，为满足水库日调节要求和解决粗沙过机问题，需要在右岸阶地开挖沉沙池。混凝土重力坝最大坝高42 m，溢流坝段布置1个表孔和1个底孔，表孔堰顶高程为2 802 m，孔口尺寸为9.5 m×13.0 m（宽×高），底孔进口高程2 785 m，孔口尺寸6.5 m×5.0 m（宽×高），采用底流消能；沉沙池工作段池长2 70 m，宽110 m，分两厢，底板坡度1∶100。上坝址首部枢纽布置见图2。

下坝址采用以库代池的布置方案，混凝土重力坝最大坝高70 m，溢流坝段布置1个表孔和2个底孔，表孔堰顶高程2 805 m，孔口尺寸7 m×10 m（宽×高），底孔采用有压短管型式，进口底高程2 770 m，孔口尺寸4.5 m×6.0 m（宽×高），下游采用底流消能。生态电站布置在右非坝段，采用单管三机供水方式。下坝址首部枢纽布置见图3。

从工程地质上看，下坝址坝基存在缓倾角裂隙，右岸坝肩分布强倾倒变形岩体，上坝址地质条件优于下坝址；但是上坝址需要开挖较大规模的库内沉沙池，下坝址采用以库代池的布置方案，从水库沉沙效果和泥沙淤积情况看，下坝址明显好于上坝址；下坝址工程投资比上坝址少1.71亿元。经综合比较，选定下坝址。

2.3  厂址选择

为充分利用河段水头，同时考虑与下游梯级的衔接，电站厂址区选取河道右岸闹中沟和扎史同沟之间地段。该地段属于高山峡谷地形，后边坡倾倒变形岩体发育，两沟之间河岸阶地发育，阶面宽 70～170 m。从地形地质条件来看，珠拉村下游阶地平缓，适合布置地面厂房；再往下游地形陡峻，坡脚场地狭窄，具备修建地下厂房的条件。在厂址选择时，对相距约1 km的上、下两个厂址进行比选，上厂址为地面厂房方案，下厂址为地下厂房方案，厂址位置见图4。

上厂址地质条件简单，后边坡虽存在倾倒变形岩体，但整体较稳定；下厂址断层发育，围岩稳定性差，地下厂房施工风险较大，上厂址地质条件优于下厂址。上厂址地面厂房和下厂址地下厂房尺寸均不大，施工技术成熟，施工难度均不大；上厂址地面厂房方案投资少2.19亿元。综合考虑，选定上厂址。

2.4  引水隧洞线路选择

对于混合式开发的扎拉水电站，坝址、厂址确定后，引水隧洞总体走向基本明确。由于引水线路横穿碧土至珠拉村河段河湾地块，因此不可避免要穿越闹中断裂带。闹中断裂属第四纪晚更新世活动断裂，断裂带宽度大，岩体软弱破碎，围岩稳定和涌水问题突出。因此，引水隧洞应尽量缩短穿越闹中活动断裂的长度，避开其影响带。根据闹中活动断裂的走向和影响带的分布，在引水隧洞线路选择时，对南线和北线两个方案进行比选，引水隧洞线路布置见图5。南线方案穿越闹中活动断裂带线路长305 m，不经过其影响带；北线方案穿越闹中活动断裂带线路长940 m，其中破碎带宽215 m，影响带宽725 m。综合考虑，南线方案地质条件明显优于北线，施工风险相对较小；引水线路总长度短135 m，工程投资省，选定南线方案。

2.5  选定的枢纽布置

经过坝址、厂址和引水隧洞线路比较，选定了上坝址、上厂址地面厂房和引水线路南线方案。首部枢纽位于左贡县碧土乡扎郎村，厂房位于察隅县珠拉村，引水线路布置在右岸山体内。扎拉水电站枢纽布置见图6。

（1） 挡泄水建筑物。混凝土重力坝坝顶高程2 820 m，最大坝高70 m。溢流坝段布置1个表孔和2个底孔，表孔堰顶高程2 805 m，孔口尺寸7 m×10 m（宽×高），底孔进口底高程2 770 m，孔口尺寸4.5 m×6.0 m（宽×高），下游采用底流消能。溢流坝段左侧布置1孔生态放水孔，孔底高程2 805 m，孔口尺寸2.0 m×2.5 m（宽×高）。

（2） 引水发电建筑物。进水口采用岸塔式布置，引水线路在立面上采用两级竖井的布置型式，由上平段、调压室段、第一级竖井段、中平段、第二级竖井段、下平段组成。引水隧洞主洞按两机一洞布置，地面厂房由主厂房、副厂房、安装场、尾水平台、尾水渠等组成，副厂房位于主厂房上游侧，安装场位于主厂房右侧，总尺寸118 m×75 m×69.1 m（长×宽×高），机组安装高程2 127.10 m，主厂房内安装两台单机500 MW冲击式机组。

（3） 生态电站。生态电站布置在右岸非溢流坝段坝后，紧靠河床，由坝式进水口、压力钢管背管和坝后式地面厂房组成，采用单管三机供水方式。电站装机3台，采用立式机组，装机容量3×5 MW。

（4） 鱼道。鱼道布置在大坝下游右岸，进口紧邻生态机组厂房尾水口，在进口处转折后，沿地形向下游延伸，并在距坝下约1.25 km处向上游折返，沿地形向上游延伸，在高程为2 807.50 m处穿过大坝。鱼道共设3个出鱼口，全长约2.97 km。

3  结  语

扎拉水电站作为西藏自治区首座装机超百万千瓦并核准开工建设的混合式开发水电站，通过对坝址、厂址及引水隧洞线路进行多方案综合比选，选定的枢纽布置方案最大限度避开了泥沙和不良地质条件影响，节省了工程投资，技术风险可控；同时充分利用了河段水头，发挥了工程最大效益，较好适应了混合式开发水电站的特点，可为类似工程枢纽布置设计提供借鉴和参考。

参考文献：

［1］  吴义航，邓毅国，苏岩，等.天花板水电站枢纽布置研究［J］.水力发电，2011，37（6）：1-3.

［2］  赵玮.烟岗水电站“以库代池”方案初步研究［J］.电网与水力发电进展，2007（6）：68-70.

［3］  白俊岭，丁兆亮.多泥沙河流引水式电站过机泥沙对水轮机磨蚀的影响研究［J］.水科学与工程技术，2020（6）：20-23.

［4］  翁文林，王天强，付兴伟，等.走滑断层作用下跨断层隧洞破坏机理研究［J］.人民长江，2022，53（1）：110-117，125.

［5］  崔臻，张延杰，周光新，等.过活动断裂隧洞抗错断适应性结构响应分析［J］.长江科学院院报，2022，39（12）：90-96.

［6］  赵小平，张世殊，冉从彦，等.水电工程倾倒变形体发育特征及分布规律研究［J］.四川水力发电，2020，39（4）：1-7.

［7］  骆波，湛书行，严克渊，等.云南苗伟水电站倾倒变形体边坡稳定性分析［J］.水利水电快报，2021，42（7）：27-33.

（编辑：李  晗）

Research on design and layout of Xizang Zhala Hydropower Station

HU Zhongping1，HUANG Hongfei2，XIAO Haobo2

（1.CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China；

2. Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Zhala Hydropower Station has high water head and prominent sediment problem，its geological condition is complicated，and the active fault zone and toppling deformation rock mass are developed in the procject area. In order to reduce the abrasion of sediment on the hydraulic generator，shorten the width of the diversion line through the active fault zone，avoid the adverse influence of the toppled deformation rock mass，through the comparison and selection of multiple schemes，the general layout was determined. The gravity dam was arranged in the lower dam site using reservoir instead of sand basin and trapping sediment，while southern diversion tunnel avoided the zone affected by Naozhong active fault，the ground plant was arranged at the lower power station site using the bank terrace. The scheme can reduce the influence of sediment on the unit and avoid the unfavorable geological conditions to the maximum extent，save the project investment，fully use the river head，and exert the maximum benefit of the project. The study results can provide a reference for the design and layout of similar hydropower stations.

Key words：

layout of hydropower station； diversion tunnel； active fault zone； toppling deformation rock mass； Zhala Hydropower Station