龙首水电站枢纽布置设计

1 龙首水电站枢纽布置设计

摘 要：本文着重介绍西北高寒地区所兴建的龙首水电站在设计竞标条件下，枢纽布置方案的比选过程，该电站的主要特点是挡水建筑物选择了拱坝、重力坝以及推力墩相结合的型式，并全部采用碾压混凝土，其中双曲拱坝坝高80m，底厚13.5m，顶宽5m，厚高比0.17，坝身开设五个泄洪孔口，为目前世界上建成的最高最薄的双曲碾压混凝土拱坝。

关键词：龙首水电站；枢纽布置；碾压混凝土；双曲薄拱坝

龙首水电站距甘肃省张掖市西南约30km，位于黑河干流莺落峡出口处，电站总装机容量52MW，年发电量1.836×108kw.h，总库容1320×104m3，主要任务是缓解甘肃河西地区用电紧张状态，在张掖地区电网中承担调峰、调相等任务。

该电站业主单位为甘肃河西水电开发有限责任公司，设计责任单位为国家电力公司贵阳勘测设计研究院。

1.设计、施工简况

1997年10月，龙首水电站参股投资方认为原初步设计方案工程量和投资偏大，工程效益指标低，邀请了包括我院在内的三个设计单位进行枢纽布置优化，12月在甘肃白银市召开了工程技术方案讨论会，会上各院分别提出了碾压混凝土拱坝，碾压混凝土重力坝和堆石坝方案。

1998年6月，甘肃省河西水电开发有限责任公司组建，为节约工程投资，加快建设步伐，又邀请了两个设计院分别就各自的设计方案深入进行工作，进行设计竞标。同年9月，选定我院为龙首水电站设计责任单位，甘肃省水利水电勘测设计研究院为联合设计单位。

1998年10月，两院共同完成修编初步设计报告。1998年12月，提交土建一标（大坝、泄洪系统标）招标设计文件，并进行招标。1999年3月提交土建二标（引水系统、厂房标）招标文件，1999年6月完成机电标等编制。

龙首水电站1999年3月一标招标完成，施工单位进场准备。1999年11月实现工程截流，并进行重力坝碾压试验。2000年3月完成拱坝基础开挖，4月开始碾压拱坝混凝土。之后，重力坝、拱坝、推力墩混凝土碾压交替上升，2001年4月下闸蓄水，5月28日首台机发电。

2.自然条件

2 黑河是甘肃省河西地区最大的内陆河，发源于祁连山与大通山之间，上游分东西两岔。东岔源于金瑶岭，河长100km，河道平均比降9.3‰，谷宽1～4km；西岔源于雅腰掌，河长175km，河道平均比降8.5‰，谷宽1~5km。东西两岔于祁连县西北黄藏寺相汇而成黑河干流，从此黑河干流即北流穿行于峡谷中，两岸山崖陡壁，岩石裸露，地形狭窄，水流湍急，峡长95km，河道平均比降9.1‰，谷宽50～150m，河面宽仅30m左右。河流出山口后即进入河西走廊平原，下游两岸地形开阔，渠系纵横，良田阡陌。龙首水电站位于莺落峡出口上游。

本流域的降水分布，由南向北、自东向西逐步递减。祁连山区为黑河的产流区，北部戈壁沙漠为径流消失区，河西走廊张掖地区为两者的过渡区。

龙首水电站坝址下游2.5km，设有莺落峡水文站，控制集水面积10009km2。

黑河流域为大陆性气候，夏季酷热，雨量稀少，蒸发强盛，冬季严寒，冰期长达四个月之久。据莺落峡水文站气象资料统计，多年平均年降水量为171.6mm，多年平均年水面蒸发量为1378.7mm，年平均气温为8.5℃，绝对最高气温37.2℃(1961.6)，绝对最低气温-33.0℃(1955.1)，日温差较大，最大冻土深度1.5m。

黑河径流主要由祁连山区降水和融冰化雪补给，径流在年内分配很不均匀，绝大部分径流集中在汛期6～9月。一年内的水情变化大致如下：4～5月气温升高，上游山区冰雪融化补给河流，河流径流量逐渐上涨，其量占年水量的11.7%；6～9月为汛期，其量占年水量的68.2%，10～11月降水减少，其水量占年水量的10.5%；12月～次年3月为冬季枯水期，径流主要由地下水补给，由于河流结冰的影响，这一时期的水量有一部分在河槽内结为冰块储存起来，到第二年春天才化为径流，这一时期的水量占年水量的9.6%。

龙首水电站坝址高程在1700m以上，每年11月中旬河流开始流冰，1月初到2月底河流封冻，春季流冰一般到3月底结束，历年最大岸冰厚度为1.1m，最大河冰厚度为0.8m。

坝址处多年平均年径流量15.89亿m3，多年平均流量50.4m3/s，电站设计洪水流量1830m3/s，校核洪水流量3090m3/s，施工导流流量707m3/s，多年平均悬移质输沙量221万吨，多年平均含沙量1.4kg/m3。

坝址区地震基本烈度为Ⅷ度。

坝址处河谷为“V”型河谷，河谷高宽比2.1～2.5，河床左岸有比主河道高出20多m的古河槽，古河槽复盖层深约15～20m，以砂卵砾石为主，右岸岸坡复盖层约30余米厚，为坍坡积物堆积而成，剥去复盖层后，坝址基岩实际地形为以主河道深切、两岸均有阶地的倒“品”字地形。

坝址基岩为含条带硅质板岩，岩石坚硬，但由于河流多级切割，两岸及河床岩石裂隙发育，以顺河向垂直裂隙为主，坝区没有对建筑物有较大影响的断层发育。

3 归结一句话，龙首自然条件具有高寒、高温、高蒸发、高地震的特点。

3.枢纽布置

龙首水电站原初步设计选用碾压混凝土重力坝配右岸长隧洞地面厂房方案，是否设置处于临界状态调压井，需要进一步论证。该方案具有投资高、工期较长等缺点。

从坝址地形地质来看，应该说，龙首水电站无论拱坝、重力坝、堆石坝均能修建，关键在于什么样的枢纽布置，具有工期短、投资省、见效快的优点，是设计单位需要认真研究的课题。

3.1 拦河坝方案比较

设计竞标初期，由于缺乏现场地形地质详细资料，我院推荐的拦河坝方案为碾压混凝土全拱坝方案。随着补充勘探工作的深入，正式竞标时我们提出了半重半拱坝方案，即在左岸古河槽段设置重力坝，建基面高出拱坝建基面20多m，其对左坝肩裂隙发育的地质条件相对比较适应，重力坝和重力坝下部完整基岩兼作拱坝左坝肩。右岸岸坡复盖层深达30余m，拱坝坝肩接基岩，尤其在上部开挖深度很大，地形不均匀，故设置推力墩，其与下部完好岩体一起兼作拱坝右坝肩。主河道地段设置薄拱坝，与全拱坝相比，弧长相对缩短，挖震性能也比全拱坝好。

修编初步设计时我们对混凝土坝的几种坝型认真作了分析比较，筑坝材料全部采用碾压混凝土。

方案优缺点比较见下表：

各种坝型主要优缺点比较表

坝 型 半重半拱坝 全 拱 坝 重 力 坝

混凝土工程量 小 小 最大

开挖工程量 小 中 大

温控工程量 一般 小 大

对坝肩地质要求及处理 一般 高 一般

对河床地质要求及处理 一般 一般 一般

碾压混凝土施工难度 较小 难 较易

引水系统进水口布置 方便 较难 方便

泄洪、排沙布置 一般 较难 方便

大坝挖震性能 适中 较差 好

工程段资 小 小 大

比较结果，推荐半重半拱坝为选定方案，其最终布置为：

拱坝：为抛物线双曲拱坝，最大坝高80.0m，顶拱弧长140.84m，最大底厚13.5m，顶宽5.0m，厚高比0.17，最大中心角94.58°，最小中心角54.79°，坝身设孔口泄洪。

重力坝：最大坝高54.5m，坝轴线长47.16m，顶宽30.0m（布置进水口），底宽65.43m，

2 上游面铅直，下游面平均坝坡1:0.65，该段设电站进水口，引水系统经过坝内。

推力墩：坝顶全长29.32m，顶宽14.5m，底厚30.25m，最大高度31.5m，上游面铅直，下游面平均坡比1:0.5，按重力坝设计。

拦河坝全部采用碾压混凝土（除坝顶路面和孔口），上游面二级配混凝土自身防渗，下游面设抗冻层。

3.2 泄洪方案比较研究

挡水建筑物基本确定以后，龙首水电站的泄洪布置主要考虑刚性坝的特点，从坝身通过，开设溢洪道和泄洪洞显然是不经济的。

泄洪通道可以经过拱坝开孔，直接入主河道，也可以通过重力坝再挑入主河道，但由于引水厂房系统从右岸搬到左岸，泄洪从重力坝通过，与发电进水口交叉干扰十分严重，下泄水流对厂房影响也太大，布置十分困难，故放弃了这个通道。

最后，龙首水电站的泄洪只能选择从拱坝坝身开孔，这是最为安全经济的作法。

根据电站的泄洪规模和排沙要求，结合其工程枢纽布置特点和河谷狭窄的地形地质条件，采取坝身泄洪。在满足本电站排沙要求的前提下（冲沙孔相同），选用了五表孔（方案一）、四中孔（方案二）、三中孔＋二表孔（方案三）、和三中孔＋自由溢流表孔（方案四）四组泄洪方案进行分析比较。

结构上四方案各有特点，五表孔方案运行开启方便，因堰顶高程较高对大坝施工影响较小，但冲沙效果不好，坝前淤积增大，且泄洪落点集中，泄洪雨雾对两岸坡特别是右岸1720m高程以上的风化表层冲刷尤为严重，相应的防护范围及处理难度较大。四中孔方案进口高程低，坝前冲沙效果较好，泄洪出口低，对下游两岸坡的冲刷减弱，但开孔尺寸较大，对大坝结构影响增大，且四中孔对运行调度不利，施工干扰较大。三中孔与二表孔组合方案常年洪水由三中孔下泄，大泄量时分散了泄洪落点，减少了对两岸坡的冲刷，运行调度方便。三中孔与自由溢流表孔组合方案运行上与方案三基本相同，特别是溢流表孔无需设闸门控制，运行简单，且泄洪落点分散，对消能防冲有利，但挡水坝段增高2.5m，增大拦河大坝工程量1万余m3，且对大坝的碾压施工有一定的干扰，堰上交通桥施工影响工期。

综合分析表明：方案三较优，既满足泄流要求，又减少了水库淤积，消能防冲对两岸的影响较小，因此，推荐方案三，即三中孔+二表孔的泄洪布置方案。

进行水工模型试验时，针对龙首河谷狭、在长期干旱状态下的右岸岸坡崩坍堆积物，泄洪雾化饱水时易失稳、河床岩石抗冲强度高的特点，我们要求模型试验时三个中孔采

3 用不同消能工控制水流为中中孔扩散、两边孔不扩散的状态，以免冲刷岸坡。并要求减小空中消能效果，控制雾化规模。水工模型试验较好地解决了这个问题。

对冲沙设施比较了冲沙孔和利用导流洞改建的两种方案。利用导流洞作为冲沙通道，因其高程较低需在进水口附近布置“龙抬头”段与导流洞相连，为既保证引水发电进水口“门前清”，又满足水力学要求，“龙抬头”段从坝身开孔穿过，布置上难度大，不易保证结构满足高速水流要 求，且工程量较大，经综合分析比较，该改建方案已无工程意义，因此，最后选定冲沙孔方案作为本阶段的排沙设施。

冲沙孔布置在引水发电进水口的右侧、中心线轴线方位N W 71.525°，底板高程1710m，出口孔口尺寸3×4m。设置弧形工作闸门及平板检修闸门。

三中孔沿拱坝中心线对称布置，底板高程1710m，喇叭口尺寸6 m×7m，出口孔口尺寸5 m×5.5m。进口设一扇平板事故检修门，上游悬臂长3.5m，孔身段为平坡底，孔顶为1:15的压坡，过流面采用0.5m厚的C30抗冲耐磨混凝土。为减少出口悬臂长，出口设一扇平板工作门。

二表孔对称于拱坝中心线，在三中孔两侧，堰顶高程1741.0m，每孔净宽10m，由WES溢流堰、反弧段和出口挑坎段组成，设有平板工作门，闸墩厚1.7～2.0m，长11.6m，出口采用挑流消能，上游悬臂长约3.74m，出口悬臂长约5.91m。

3.3 厂房及引水系统布置选择

坝体两岸山体雄厚，地形陡峻，1725m高程以下为“V”型河谷，河谷宽50～60m，左岸1725m高程以上为古河槽，此古河槽从坝轴线向下游延伸至索桥处，长约300m，宽约50～70m。右岸坡度较陡，在距坝轴线下游约600m有Ⅰ级阶地，宽约100m，地面高程约1685～1700m。