第二節 高混凝土重力壩樞紐

據不完全統計，中國已建、在建的裝機容量在15MW以上的水電站中，高、中、低混凝土重力壩達149座。目前已建的三峽大壩是最高的混凝土重力壩的代表，壩高181m，也是裝機容量最大的水電站樞紐，首批機組在2003年投產，已經于2009年年底完工。

選擇重力壩壩型，主要是中國大多數河流的徑流在年際和年內分布不均勻，洪水洪峰量大，需設置泄洪能力大的泄水、排沙和導流設施，并妥善解決其消能防沖問題。混凝土重力壩抵御洪水和地震等自然災害的能力較強，施工質量較易保證，結構安全度較明確，又易于在壩體內布設泄洪表孔、深孔和導流底孔，以及靈活的布置型式的電站廠房，從而使建設者較多地傾向于采用這種壩型。

隨著筑壩技術的進步和發展，高拱壩和高土石壩的發展也很快，但是重力壩壩型仍具有競爭優勢。在已建的大型電站中，重力壩壩型比重最大，例如，已建的三峽（181m）、向家壩（162m）、江埡（131m）、大朝山（115m）、棉花灘（111m），已建的漫灣、寶珠寺、安康、巖灘、潘家口、水口等大型水電站，均是壩高在100m以上的重力壩樞紐。

一、高混凝土重力壩樞紐布置的分類

從已建和在建的100m以上的重力壩樞紐的布置來看，如以泄洪和電站廠房布置為中心，大致可以分為以下幾種型式。

1.壩后廠房、廠頂（或廠前）挑流泄洪

以20世紀60年代建成的新安江、80年代初建成的烏江渡和90年代初建成的漫灣水電站等重力壩樞紐為例，它們的共同特點如下：

（1）大壩泄洪和電站廠房等建筑物重疊布置，占據整個河床。除新安江為寬縫重力壩外，其余均為實體重力壩。

（2）采用壩頂表孔從壩后廠房頂泄洪或跨越廠房挑流泄洪，單寬泄量均較大。

（3）電站廠房的進水口設在表孔的閘墩內。

（4）施工導流分別采用壩內設導流底孔、河床分期截流或采用導流洞導流。大壩和廠房混凝土均采用大型纜機澆筑。

這種樞紐布置非常緊湊，整體安全性能好，工程量省，建設周期短，經濟效益顯著。由于受峽谷地形的制約，為減少兩岸巖質邊坡的開挖，采取挑流入河床消能型式。60年代以來，這種樞紐布置型式積累了不少成功的經驗，在大中型水電站中被廣泛運用。

2.壩后（地下）混合式廠房、岸邊溢洪道及深孔泄洪

以20世紀70年代初建成的黃河劉家峽水電站大壩樞紐為例，布置特點如下：

（1）在峽谷河床中布置147m高的重力壩，兩岸基巖較低，布設混凝土副壩和黏土心墻土石壩。

（2）在峽谷河床和岸坡陡巖內壩后地下混合式廠房，地下電站和安裝廠布設呈窯洞式，以縮短引水道系統長度。廠房內安裝有4臺225～250MW和一臺300MW大型機組，總裝機容量1225MW。

（3）泄洪排沙建筑物分散布置，以改善峽谷的消能沖刷。利用右岸埡口地形布設溢流溢洪道，在左右岸布設壩內底孔和深孔隧道。最大泄洪量9220m³/s。

（4）由于黃河為多泥沙河流，年均輸沙量為8700萬t，左右岸底孔和泄洪洞主要用來泄洪排沙，控制庫內泥沙淤積面，排除機組進水口前泥沙，并考慮人防安全，對枯水位進行有效控制。

（5）220kV、330kV開關站和出線建筑物均分別利用左右岸導流隧洞及其施工支洞布設成地下式。

劉家峽水電站是我國第一座1000MW以上的大型水電站，樞紐特點布置緊湊。

3.岸邊壩后廠房，河床泄洪

以20世紀80年代末建成的安康、90年代初建成的巖灘及20世紀末建成的萬家寨水電站大壩樞紐等為例，它們的共同特點如下：

（1）采用實體重力壩，壩體內不同高程布有大直徑泄洪孔或進水口。壩后廠房在河床右岸岸邊；河床及左側為泄洪壩段，布設有表、中、底孔，進行泄洪和排沙。

（2）選用大容量機組以縮短廠房進水口前沿長度，減少兩岸邊坡的開挖。泄洪量很大時，采取開挖兩岸邊坡，力求不另設地下廠房的方法。如安康、巖灘電站，靠岸邊的機組段，是在巖基上開挖成的，大壩、廠房基礎形成“高、低腿”。

（3）采用壩內導流底孔和明渠導流，明渠成為泄洪壩段的底流消能護坦。

（4）設有不同型式的排沙（或沖沙）底孔，排泄廠房進水口前的淤沙，控制淤積面。

（5）有通航要求的巖灘、安康水電站，利用導流明渠專設為下游引航道，設置垂直升船機。

（6）大壩、廠房的混凝土均采用大型纜機澆筑。

這種型式的樞紐布置緊湊，結構不復雜，施工較方便。設計、施工中廣泛地吸取了國內重力壩建設中的經驗和教訓，特別是在泄洪、排沙建筑物的布置中，均較妥善地選用表、中、底孔相結合的泄洪消能布置型式，較好地對機組進水口前進行“門前清”排沙。20世紀70年代以來，已較廣泛地采用這種樞紐布置，尤其是1980—2000年建成的壩高100m上下的重力壩樞紐，基本上都是這種布置型式。實踐經驗說明，其工程量較少，投資造價較低，施工較簡便，建設周期短，技術經濟指標優越，可以邊施工、邊蓄水、邊發電，有利于提前發揮效益。

4.河床壩后廠房、兩岸河床泄洪

以20世紀90年代建成的白龍江寶珠寺水電站大壩樞紐為例，最大壩高132m，水庫總庫容25.5億m³，最大泄量16060m³/s。這種類型樞紐布置基本上和前述壩后電站相似，但另具特色：

（1）由于峽谷為U形河床，裝有4臺175MW機組電站廠房占據河床中部，左右兩岸布設表、中孔泄洪建筑物，底孔分設在電站廠房的兩側。大壩和廠房巖基開挖量以及混凝土總量均較其他布置方案為少。

（2）利用右岸基巖出露的河灘地形布設導流明渠和表孔溢流壩，明渠底流消能，泄槽挑流消能，泄槽擋墻又起護岸作用。

（3）電站廠房左右側兩個泄洪排沙底孔，其泄量占總泄洪量的1/4。底坎高程低于機組進水口約15m，可有效地排除進水口前的泥沙淤積，也有利于水庫排沙，增加有效庫容。

（4）導流底孔和泄洪底孔組合成分期施工導流，導流標準較高，可全年施工。大壩和廠房混凝土采用4臺大容量纜機（20t）澆筑，建設周期較短，截流后5年首臺機組投產。

5.兩岸壩后電站廠房、河床泄洪

以已建的長江三峽工程為代表，工程建設目標是防洪、發電和航運，最大壩高181m，是我國最高的重力壩，水庫總庫容393億m³，最大泄洪量98800m³/s（千年一遇）。總裝機容量18200MW，年均發電量847億kW·h，是當今世界舉世矚目的水利樞紐工程。

6.河床泄洪、地下廠房

以瀾滄江上已建的大朝山水電站大壩樞紐為例。最大壩高115m，總庫容9.4億m³，最大泄洪量23800m³/s。樞紐總布置特點如下：

（1）峽谷壩址泄洪量大，河床全部設溢流壩表孔和排沙底孔，分別采用寬尾墩戽式消力池底流和挑流消能。安裝有6臺225MW機組的廠房設在右岸地下，機組進水口沿右岸壩肩緩坡地形，與大壩軸線構成緊湊的引水泄洪前沿。

（2）廠房和引水發電系統為地下工程，壩體內僅有表、底孔少數大孔口，河床溢流壩和左岸非溢流壩約130萬m³大體積混凝土就可以依托大噸位纜機，采取碾壓混凝土（RCC）施工方法進行澆筑，取消了壩體內的縱縫，加強了大壩的整體性，大大簡化了施工工藝。

（3）采用15m×17m斷面的隧洞導流，采用碾壓混凝土高拱圍堰擋水，可保證河床大壩全年施工。

（4）右岸地下廠房和引水道系統規模甚大：6條內徑為8.5m的壓力管道，233.5m長的地下廠房（寬26m，高62.33m）和2條1250～1350m長、內徑15m的尾水隧洞，以及阻抗式尾水調壓室等地下結構，總開挖量達160余萬m³。與河床大壩混凝土施工，形成兩套互不干擾的施工工藝系統，構成相互制約而又非常明確的建設工期。

（5）由于以上樞紐布置的格局以及庫容不大，爭取邊蓄水、邊發電，1997年11月截流，2001年首批機組發電，建設速度很快。

7.左岸壩后廠房及右岸地下廠房、河床泄洪

以金沙江的向家壩水電站為例。最大壩高162m，水庫總庫容51.63億m³，最大泄洪量49800m³/s（P=0.02%）。樞紐總布置特點如下：

（1）壩址處金沙江流向為110°，河谷呈U形，樞紐工程由混凝土重力壩、右岸地下廠房及左岸壩后廠房、通航建筑物和兩岸灌溉取水口組成。

（2）泄水建筑物布置在河中偏右岸，由中孔和表孔組成，中孔共7孔，孔口尺寸為7m×11m（寬×高），進口孔底高程305m；表孔共5孔，單孔寬19m，堰頂高程354m。

（3）左岸布置壩后式廠房、右岸布置地下廠房，各安裝4臺單機容量80萬kW的水輪發電機組。升船機布置在河中偏左岸，采用一級垂直升船機，最大提升高度為114.20m，可以通過2×500t一頂兩駁船隊，或者1000t級一頂一駁船隊，設計單向年過壩貨運量254萬t。灌溉取水口分別布置在兩岸壩段。

（4）工程施工采用分期導流方式。第一期圍左岸，在左岸灘地上修建一期圍堰，由束窄后的右側主河床泄流及通航；二期圍右岸進行主河床截流，由左岸非溢流壩段內設置的6個10m×14m（寬×高）導流底孔及高程280m、寬115m的缺口泄流。

（5）由于向家壩緊鄰城市建設，也由于金沙江的松軟地質條件，向家壩不能采用三峽大壩那樣簡單的挑流消能方式而被迫選用技術難度更大、維護成本更高的底流消能方式，為此向家壩建設了世界上最大的兩個大型洪水消力池。

（6）為解決砂石骨料供應問題，向家壩工程特地建立了世界上最長的砂石骨料輸送帶長達40余km。

二、高重力壩樞紐布置特點

新中國成立以來，建成了很多混凝土重力壩樞紐，有不少的經驗和教訓。隨著科學技術的發展，筑壩技術的進步和創新，在高重力壩樞紐布置上形成以下特點：

（1）高重力壩壩型趨向實體重力壩。

（2）壩體斷面更趨經濟合理。

（3）壩體結構的變化，促進重力壩樞紐布置的創新和發展。

（4）高重力壩樞紐設置大孔口深（底）孔進行泄洪排沙和控制庫水位的發展趨勢十分明顯。

（5）高重力壩水電站樞紐廣泛采用大容量水輪發電機組。

（6）工程導流與重力壩樞紐布置緊密結合。

（7）施工布置已是重力壩樞紐的重要組成部分。

三、擋水發電為主的水利樞紐

以三峽水利樞紐工程（圖1-2）為例，三峽主體工程混凝土重力壩最大壩高181m，壩軸線全長2309m。水庫總庫容393億m³，在校核洪水位下的最大泄洪流量達102500m³/s，采用壩身22個表孔（8m寬）、23個深孔（7m×9m）和電站機組聯合泄洪，是目前世界上布置壩身泄洪規模最大的工程；初期電站裝機1820萬kW（26×70萬kW），年發電量847億kW·h，是世界上裝機容量最大的水電站；樞紐左岸布置有雙線五級船閘（單級尺寸：280m×34m×5m），最大閥門水頭45.2m，最大提升高度113m，最大過閘船舶噸位3000t，是目前世界上規模最大的船閘，現已正式投入運行。三峽工程是集防洪、發電、航運綜合效益為一體的世界級特大型水利樞紐工程。

圖1-2 三峽工程建設時期的面貌

三峽工程在樞紐布置上有如下顯著的特點：

（1）泄洪壩段居河床中部，兩側為廠房壩段和非溢洪壩段。大壩混凝土總量1480萬m³。大壩在樞紐布置中有三大特點：①泄洪設備多，設有22個表孔，23個深孔，3個泄洪排漂孔和7個排沙孔；②導流設備多，除右岸岸邊寬達350m的導流明渠外，在泄洪壩段內尚設有23個大孔徑導流底孔；③壩后式電站裝機容量大，機組共有26臺（700MW），左右兩側廠房壩段總長1106m。泄洪壩段加上排漂孔前緣總長583m。這兩種主要壩段總長為1690m，已超過原河道寬度（約1300m）。因此，左、右兩側電站的部分廠房是在岸坡內深挖而成。

（2）工程導流設計標準為百年一遇，泄量為73800m³/s。壩體深底孔未形成前由右岸導流明渠宣泄；明渠封堵建設右岸壩后廠房時，由壩內導流底孔和永久泄洪深孔聯合宣泄。

（3）為解決工程施工期長江不斷航，枯水期由導流明渠通航；另在左岸非溢流壩段布設垂直升船機和臨時船閘，汛期通航。永久船閘建成通航后，臨時船閘改建為泄洪沖沙閘。

（4）在壩址左岸山體內開挖雙向五級大噸位船閘，可通航萬噸級船隊，年過壩運輸量單向可達5000萬t。上下游引航道總長4835m，航道底寬180m。引航道和口門均遠離上下游的泄洪區，出口口門距壩軸線4.5km。

三峽工程建設克服了一系列技術難題，在長江防洪系統研究、泥沙與航運問題、庫壩區地質和地震問題、工程施工關鍵技術、電力系統規劃及關鍵技術、三峽工程對生態環境的影響和對策、工程樞紐建設關鍵技術等研究課題上取得了大量突破性的成果，為保障工程建設的順利實施提供了堅實的科學基礎。

四、通航河流上大壩樞紐布置

1.已建和在建有通航建筑物大壩樞紐布置

有通航要求的大壩和大型水電站，通航建筑物在樞紐布置中所處的地位，取決于它的航運規模和運輸量。已建和在建的大壩樞紐中大致可分成兩類：

第一類是航運規模相對較小，一般都采用垂直升船機的方式，在樞紐總布置中升船機的工程量組成較易于調整。例如表1-2中的丹江口、隔河巖、巖灘等工程，都是布設有大型升船機的大壩樞紐。

第二類是航運規模相對較大，有全年通航要求的河流上建設大型或特大型的水電站大壩樞紐，其通航建筑物的布置占有極為重要的地位，則就要設置大型的通航船閘。例如表1-3中長江上的葛洲壩、三峽，閩江上的水口，沅江上的五強溪等水利樞紐工程。

2.大壩樞紐布置特點

（1）壩址河谷較寬，壩型都采用混凝土實體重力壩。

（2）泄洪流量很大，泄洪建筑物是重力壩樞紐的主體，占據河床的中部。

（3）電站機組臺數多，廠房布設在河床的兩側或一側，為壩后式電站或河床式電站（葛洲壩）。

（4）大噸位船閘占據有利地形，上、下游引船道保持有良好的水力學條件。

（5）工程都有施工期通航的要求，從樞紐布置上結合施工導流，施工期通航得到較完善的解決。

3.通航建筑物樞紐大壩的代表工程——葛洲壩水利樞紐

葛洲壩水利樞紐是長江干流上20世紀80年代建成的最大的水利樞紐工程，電站裝機容量271.5MW，最大壩高48m。壩址區河道寬2200m，江中有葛洲壩、西壩兩座小島，自右至左把長江分隔為大江、二江和三江，對樞紐總體布置極為有利。壩軸線全長2595.1m，樞紐布置中將泄洪、發電、航運三類建筑物作為主體，整體協調統籌規劃，解決好排沖沙、防淤等復雜的技術問題。

（1）在河床中部、長江的主河道上布設泄水閘，是樞紐中的主要建筑物。閘共27孔，擋水前沿總長498m，最大泄流量83900m³/s。每個閘孔寬12m、高24m，設上下兩扇閘門（上為平板門，下為弧形門），底流消能的一級消力池，池長180m，護坦上設兩道隔墻，將27孔泄水閘分隔成三個區。

（2）在泄水閘左、右兩側的大江、二江上，各布設兩座電站廠房，其中左側二江電廠裝機7臺共965MW（2×170MW，5×125MW）；右側大江電廠裝125MW機組14臺共1750MW，總裝機達2715MW，是20世紀內建成的最大水電站之一。在河床中的西壩和大江右岸臺地上，布設220kV和550kV開關站。在泄水閘和左右側兩座電站廠房之間設縱向導流墻分隔。而在縱向導流的上游、在機組進水口的前沿各設攔漂設施，將庫內的漂浮物由泄水閘泄出。

（3）依托河道中葛洲壩、西壩兩島和右岸岸邊各布設3道大噸位船閘。以上、下游引航道為隔流堤，與長江泄洪、發電主河道分離。

（4）為防止航道淤積，在大江電廠和1號船閘右側設9孔沖沙閘；在三江航道2號、3號船閘間設6孔沖沙閘，并在西壩島的迎水面建有三江防淤堤，對1號、2號船閘和二江電廠的防淤、沖沙起積極作用。