积石峡水电站工程枢纽布置设计综述

王康柱，王君利，廖元庆，张曼曼，蔡新合

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065）

1 工程概况

积石峡水电站位于青海省循化县境内积石峡出口处，距循化县城30 km，距省会西宁市206 km，距民和县城100 km。现有临平公路、民临公路二条省级公路邻近坝址，对外交通十分便利。

积石峡水电站是黄河上游龙羊峡-青铜峡河段规划25座水电站的第11座，该工程的主要任务是发电。积石峡水库为日调节水库，正常蓄水位1 856 m，最大坝高103 m，总库容2.94亿m3，最大发电水头73 m，总装机容量1 020 MW，保证出力332.3 MW，多年平均发电量33.63亿kW·h。

枢纽布置方案由混凝土面板堆石坝、左岸表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞、左岸泄洪排沙底孔、左岸引水发电系统、坝后厂房等组成。工程规模为二等大（2）型，大坝为1级建筑物，泄水建筑物、引水发电及厂房均为2级建筑物。

大坝、泄水、发电引水建筑物按500年一遇洪水设计，5 000年一遇洪水校核，其入库洪峰流量分别为5 850、7 550 m3/s；厂房按200年一遇洪水设计，按500年一遇洪水校核；消能防冲按50年一遇设计。

积石峡水电站施工采用全年围堰挡水、隧洞导流、基坑全年施工的导流方式。施工总工期72个月。

积石峡水电站2005年1月开工，2007年3月截流，2010年11月9日第一台机组发电，2010年12月12日三台机组全部发电。

2 自然条件

积石峡水电站坝址距离公伯峡、李家峡、龙羊峡水电站坝址分别为 55、131、239.6 km，距河源 1 938 km。坝址控制流域面积146 749 km2，占全流域的19.5%，水量占全流域的38.8%。

积石峡水电站采用循化水文站为设计代表站，其多年平均流量703 m3/s，年径流量221亿m3，多年平均含沙量1.25 kg/m3，为全流域含沙量较小的河段。

积石峡多年平均气温8.7℃，多年平均降雨量266.2 mm，蒸发能力2 131.4 mm（20 cm蒸发器），最大风速24.0 m/s。多年平均年日照时数2 712.7 h。

积石峡水电站坝址上游有已建的龙羊峡、李家峡水电站及在建的公伯峡水电站。龙羊峡水库是一个多年调节水库，总库容达275亿m3。龙羊峡水电站与下游刘家峡水库联合调度运行，使积石峡径流年内分配趋于均匀，提高了积石峡水电站的发电效益，同时大大削减了积石峡入库洪水，减小了水库的设计洪水和校核洪水。积石峡各频率洪水受上游水库调蓄后的洪峰流量见表1。

工程区及近场区为历史地震相对较弱地区，工程场址主要受外围强震的波及影响，离坝址最近的关门、锁同等断层无历史中强震发生。经国家地震局地壳应力研究所复核，国家地震烈度评定委员会批准，积石峡坝址区50年超越概率10%的地震基本烈度为Ⅶ度[1-2]。设防烈度为Ⅶ度[1-2]。

表1 积石峡坝址设计洪峰流量

坝址区河谷呈不对称U型，右岸陡，左岸相对较缓；断层不发育，构造裂隙相对较发育；相对不透水层埋藏较深；局部岸坡岩体具有卸荷现象，卸荷带深度均小于10 m。岩体风化较浅，一般为7～26 m。按岩体质量分类，坝区岩体多属于Ⅱ级，部分Ⅲ级，局部Ⅳ级。坝址区工程地质条件良好，适宜修建当地材料坝。

坝址下游的Ⅰ号滑坡[2]，经研究分析和模拟计算，天然状态下稳定性较好。溢洪道、泄洪排沙底孔为挑流，中孔泄洪洞为底流消能，在泄洪期水雾基本不影响Ⅰ号滑坡体。

3 枢纽总布置

工程枢纽布置由混凝土面板堆石坝、左岸坝下掩埋式引水钢管、坝后厂房、左岸一孔表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞（与导流洞结合）、左岸泄洪排沙底孔（兼放空洞）、左岸灌溉孔、GIS封闭式开关站及安装间顶出线构架等组成（见图1）。

图1 积石峡水电站枢纽总平面布置（单位：m）

3.1 混凝土面板堆石坝

枢纽大坝布置在主河床，大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝轴线方位 NE69°0′5.43″。

坝顶高程1 861.00 m，最大坝高103.0 m，坝顶长度321.9 m，顶宽9.8 m。混凝土面板上游坝坡1∶1.5； 下游坝坡 1∶1.4～1∶1.3，为干砌石护坡，并设有9.0 m宽的 “之”字形上坝公路，大坝下游综合坝坡为1∶1.72。坝顶设有高度为5.2 m的L型墙与面板相接。电站进水口位于大坝的左侧，以重力式挡墙与大坝连接，进水口右边墩与面板之间设置周边缝相接。引水发电钢管掩埋于坝下。溢洪道布置在电站进水口及引水发电钢管左侧，溢洪道堰闸段与电站进水口相接，溢洪道泄槽段右边墙与大坝相接，并设置周边缝与面板相接。

坝体从上游向下游依次分为：面板上游面下部粉质壤土斜铺盖（1A）及其盖重区（1B）、混凝土面板、 垫层区（2A）、 特殊垫层区（2B）、 过渡区（3A）、 反滤排水区（3F）、 主堆石区（3BⅠ、3BⅡ）、 下游次堆石区（3C） 及下游护坡（3D）。

积石峡面板坝坝体防渗系统由面板、趾板和接缝止水组成。钢筋混凝土面板厚0.3～0.59 m，面板混凝土为二级配C25，垂直缝间距均为12.0 m。趾板选用平趾板的布置形式，趾板宽度分别为4.0、6.0、7.4 m，趾板厚度分别为0.4、0.6、0.8 m，趾板混凝土为二级配C25。周边缝设三道止水，顶部设塑性填料、在塑性填料与缝口橡胶棒之间设置波纹止水带（4波）、底部设F型止水铜片与面板垂直缝底部W型铜止水相接，周边缝缝内充填12 mm厚的沥青木板。面板张性缝和压性缝均设二道止水。

3.2 引水发电系统

电站进水口为坝前塔式进水口，左邻溢洪道，右侧为拦河大坝。由拦污栅墩、胸墙、挡墙、隔水墙及左右边墩组成。采用一机一管引水方式，共设3个进水口。由右起依次为1号、2号、3号进水口，各段分别宽 22、20、22 m，进水口长度为46.20 m。进水口顶高程1 861.00 m，建基面高程1 815.50 m。进水口分为两段，拦污栅段和闸门段。拦污栅段由2个中墩和2个边墩分隔为3孔，各孔设4.8 m×41.4 m的主、副拦污栅，拦污栅墩后为闸门段，进口顶唇采用1/4椭圆曲线（x2/92+y2/32=1），左、右立面为1/4圆曲线，半径为2 m。在桩号引0+017.00设一道11.5 m×13.6 m检修闸门，在桩号引0+022.50设一道11.5 m×13.1 m快速工作闸门。进水口基础设有齿槽，建基面高程1 809.00 m，齿槽内设置3 m×3.5 m的帷幕灌浆排水廊道。底孔泄洪排沙洞的进口位于2号和3号进水口之间，建基面高程1 792.00 m，在桩号引0+008.00设两道4.8 m×8.0 m检修闸门。进水口顶部布置一台2×2 000 kN/800 kN双向门机，分别用于拦污栅、泄洪排沙底孔检修门、电站进水口检修门、溢洪道检修门的启闭。快速工作闸门由6 300 kN/4 500 kN快速液压启闭机操作。

压力钢管采用一机一管的布置方式，为直接敷设在地基上的钢衬钢筋混凝土管道。单机引用流量579.76 m3/s，钢管直径11.5 m，外包混凝土厚2 m，混凝土标号C25。3条钢管呈放射形布置，长度分别为253.4、250.5、248.7 m。钢管由上平段、上弯段、斜直段、下弯段和下平段组成，斜管段坡度为1∶1.9，管道基础宽15.5 m，厚1 m。上平段掩埋在混凝土面板堆石坝中，下弯段及下平段钢管外包混凝土之间回填砂砾石，形成厂区交通平台。3条钢管在主厂房分缝处均取消了伸缩节，用可适应微小变形的弹性垫层伸缩管代替。

正常蓄水位包括水锤压力在内的作用水头约105 m，HD值达1 207.5 m2，属于巨型钢管。钢管大部分采用Q345C低合金钢，厚度为24～30 mm，在垫层管部位采用了国产WDB620C高强度钢材，厚度为30 mm。

电站厂房布置在大坝下游坝脚处，为坝后引水式地面厂房。厂房建基高程为1 746.20 m，主厂房总长94.80 m，厂房顺水流向宽33 m，机组段长度31.60 m，总高72.8 m。厂内安装3台单机容量为340 MW的水轮发电机组。

主厂房分尾水管层、蜗壳层、水轮机层及发电机层。发电机层高程为1 795.50 m。厂房上部结构由排架柱、钢吊车梁、混凝土圈梁及砖混结构组成，内安装两台跨度为29 m的桥式起重机。厂房屋面为预制钢筋混凝土雁型板。尾水副厂房位于厂房下游长，共分三层。第一层高程1 767.50 m，为电缆夹层及供水设备层；第二层高程1 776.00 m，为厂用设备层；第三层高程1 784.50 m，为发电机电压配电装置层。

安装间位于主厂房左侧，总长63.00 m。安装间底板高程1 795.30 m，安装间设有进厂大门，与进厂公路衔接，进厂设备可直接进入安装间。

开关站位于安装间底部，为户内GIS室。开关站长63 m，宽12 m，共两层，上层布置GIS设备，下层为电缆夹层。

中控楼位于安装间左侧。中控楼总长13 m，宽度为33.00 m，共分五层。发电机组的中央控制室及办公用房等，均布置在中控楼内。

尾水平台宽23.50 m，布置有3台主变压器和1台1 000 kN尾水单项门机。

尾水渠反坡段坡度1∶4，长50 m，宽88.30 m，底板厚50 cm，两侧为半重力式混凝土挡墙。

出线站位于安装间上游侧，占地约为27 m×79 m。

3.3 泄洪建筑物

泄洪建筑物由左岸溢洪道、左岸中孔泄洪洞和泄洪排沙底孔组成。

3.3.1 左岸溢洪道

溢洪道布置在左岸，为开敞式岸边溢洪道，由引渠段、堰闸段、泄槽段、挑流鼻坎段组成。引渠段、堰闸段、泄槽段和鼻坎段的长度分别为30、46.2、344.302、38.181 m，堰闸段至鼻坎段溢洪道总长428.683 m。

溢洪道引渠段由堰前直线段、弯道段及与弯道相切的上游直线段组成。堰前直线段长度为40.0 m，底宽约为23.0 m，底板高程1 819.0 m。

溢洪道为一孔，溢洪道堰闸段顺水流方向长度为46.2 m（桩号溢 0+000.00～溢 0+046.20），孔口尺寸15 m×20 m。堰闸段设溢流堰，堰体净宽15 m。溢流堰坐落在K13层新鲜砾岩上，建基面高程为1822.0 m，堰下设齿槽并布置灌浆廊道，堰底部设灌浆帷幕及排水孔幕。堰顶高程为1 836 m，边墩厚4.0 m，堰顶上游堰头为三圆弧曲线，堰面曲线为WES曲线（y=0.0461x1.836）。下游直线段坡比为 1∶2，末端接反弧，半径为40 m，圆心角为23.703°。堰顶设一扇15 m×20.6 m平板检修门，启闭设备与引水系统的拦污栅、泄洪排沙底孔检修门共用2×2 000 kN/800 kN一台双向门式启闭机。工作门为15 m×21.5 m的弧门，由2×3 600 kN液压启闭机操作。

溢洪道堰闸段后接宽度为15 m的等宽矩形泄槽，桩号溢0+46.2～溢0+260.0，底坡为0.05；桩号溢0+260.0～溢0+270.299，底坡由缓变陡时，用渥奇曲线（y=0.05x+0.004 37x2）连接；桩号溢 0+270.299～溢0+390.502，底坡为0.14。泄槽边墙高由17 m变为14 m。

为降低泄槽下的扬压力、防止绕渗，保证泄槽稳定，在泄槽底板设纵横排水管，左边墙底部布置一条纵向排水廊道，尺寸为2 m×2.5 m，廊道下设8 m深排水孔与泄槽底板排水管形成排水系统。

泄槽末端接挑流鼻坎，桩号为溢0+390.502～溢0+428.683。采用两侧导墙前后交错收缩的舌形挑流鼻坎，鼻坎建基高程1 794.0 m，为新鲜岩石；挑流鼻坎反弧半径为20 m，挑射角为37.97°，顶部高程1 816.152 m。

3.3.2 左岸中孔泄洪洞

中孔泄洪洞是由导流洞改建的 “龙抬头”式有压短管进口的泄洪洞，位于左岸山体中，全长828 m，包括进口引渠、进水塔、 “龙抬头”斜洞段、反弧段、与导流洞结合段、明槽及消力池段等。

进口闸门段设有岸塔式进水口，进水塔长42 m，宽15 m，顶部高程1 861.0 m，进水口底板高程1 804 m。进水口为喇叭口型，顶部及侧墙均为椭园形曲线（顶部x2/13.62+y2/4.52=1；侧墙x2/52+y2/1.72=1）。进口段桩号0+003.47处设8m×13.6m的平板检修门，由4 000 kN的固定式卷扬机启闭。检修门后设8 m×11 m的平板工作门，由6 300 kN的卷扬机启闭。顶部压板斜率为1∶4.3。

桩号中0+042.00处接斜洞段，斜洞由抛物线段（x2=350y）、14%的斜线段及反弧段组成，反弧半径100 m。“龙抬头”斜洞断面为10 m×14 m的封闭式城门洞型。斜洞末端桩号为中0+220.023，底板高程1 778.972 m。桩号中0+214.457～中0+233.416为渐扩段，末端洞断面变为10 m×15 m，与导流洞断面相同。

从桩号中0+242.664～中0+678.327为导流洞结合段，底坡为0.47，断面为封闭式城门洞型，顶拱半径6.25 m，圆心角106.26°。中孔泄洪洞出口处底板高程1 776 m。中孔泄洪洞为钢筋混凝土衬砌，厚度1.2 m。

中孔泄洪洞与消力池之间由水平段、抛物线段（y=0.004x2）、斜线段和反弧曲线段（反弧半径为30 m，圆心角为14.04°）连接，底板高程由1 776.00 m降至1 768.00 m，底宽由10 m渐变为15 m。

出口消力池桩号中 0+739.642～中 0+812.0，池底高程1 768 m，净宽15 m，边墙顶部高程1 796 m，边墙与底板为整体式。消力池尾坎顶高程为1 778.0 m，消力池建基面高程为1 765 m，底板厚度3 m，板下布设直径为28 mm的锚杆，间排距1.5 m×1.5 m，深入基岩4 m。为降低板下扬压力，在底板下部设纵横向无沙混凝土排水暗管，消力池尾坎左边墙外设集水井抽排。在消力池尾坎顶设1扇15 m×5 m的平板门，由2×400 kN固定式卷扬机操作。

消力池尾坎检修闸门在导流洞封堵施工期间，承担围堰作用，阻止下游水流进入中孔泄洪洞。消力池尾坎检修闸门在电站运行后承担枯水期间消力池、中孔泄洪洞的检修工作。

3.3.3 泄洪排沙底孔

泄洪排沙底孔进口位于左岸电站进水口2号、3号引水钢管之间，在平面上有两个弯道，其轴线走向由SE 159°经弧型变为SE 159°。泄洪排沙洞底孔引渠底高程1 795 m，底宽10 m，两边边坡分别与溢洪道及电站进水口引渠相连接。

泄洪排沙底孔进口与电站进水塔结合，进口为两孔，底坎高程1 795.0 m，各设一道事故检修门，检修门孔口尺寸为2孔4.8 m×8.0 m，启闭设备与溢洪道及电站拦污栅启闭设备共用。进口顶部为椭圆形曲线（x2/82+y2/2.672=1）。在桩号0+013.5处中墩结束，两孔合一。进水口后桩号0+013.5～0+033.5为20 m长的渐变段，由矩形断面12.0 m×8 m渐变为直径9 m的圆形断面。

桩号0+033.5～0+364.7为直径9 m的圆形有压隧洞，底坡为0.004 53，厚度为0.8、1.0 m的钢筋混凝土衬砌，在平面上有两个弯道，两个弯道半径均为50 m；桩号0+364.7～0+382.0为出口渐变段，由直径9 m的圆形有压隧洞渐变为8 m×6.8 m的矩形断面，与工作闸室相连。

工作闸门室位于隧洞出口，桩号0+382.0～0+409.2，底板高程1 793.5 m，底板厚度3 m，内设弧型工作闸门一扇，闸门孔口尺寸为8 m×6.8 m，由2×2 000 kN液压启闭机操作。闸室后为明渠，泄槽宽8 m，底板厚2 m，底坡为0.004 53。根据水面线计算并考虑掺气和安全超高，边墙高度取9.0 m。末端接挑流鼻坎，反弧半径为20 m，挑射角为28.43°，反弧段最低点高程1 787.35 m，鼻坎顶部高程1 798.103 m。

4 结语

（1）积石峡水电站工程枢纽布置充分结合了地形、地质条件，因地制宜地将电站进水口、溢洪道布置在左岸Ⅱ级阶地上，枢纽布置紧凑。

（2）混凝土面板堆石坝的坝料分区设计中充分地利用了枢纽区建筑物开挖料，节省工程投资，同时设置L型坝体排水，降低坝体内浸润线，利于坝体渗透稳定。

（3）引水发电系统布置为坝下掩埋式，压力管道由压力钢管和较厚的外包混凝土联合受力。

（4）泄水建筑物按不同高程分别布置了表、中、底泄水建筑物，可分别满足施工期、运行期的下游供水和泄洪安全的要求。消能方式采用挑流、底流相结合，避免泄洪雨雾对下游1号滑坡的影响。

［1］中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.黄河积石峡水电站工程可行性研究报告（审定本）［R］.西安：中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，2006.

［2］中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.黄河积石峡水电站工程项目申请报告［R］.西安：中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，2007.