小浪底枢纽工程解读.docx

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小浪底枢纽工程解读

枢纽工程

来源：

小浪底网发布日期：

2009-09-2715:

24:

08

一、工程所处地理位置

　　小浪底水利枢纽位于三门峡水利枢纽下游130公里、河南省洛阳市以北40公里的黄河干流上，控制流域面积69.4万平方公里，占黄河流域面积的92.3%。

坝址所在地南岸为孟津县小浪底村，北岸为济源市蓼坞村，是黄河中游最后一段峡谷的出口。

二、工程规模

　　小浪底水利枢纽坝顶高程281m，正常高水位275m，库容126.5亿m3，淤沙库容75.5亿m3，长期有效库容51亿m3，千年一遇设计洪水蓄洪量38.2亿m3，万年一遇校核洪水蓄洪量40.5亿m3。

死水位230m，汛期防洪限制水位254m，防凌限制水位266m。

防洪最大泄量17000亿m3，正常死水位泄量略大于8000m3.

　　小浪底水库正常蓄水位时淹没影响面积277.82，施工区占地23.332，共涉及河南、山西两省的济源、孟津、新安、渑池、陕县、平陆、夏县、垣曲8县（市）33个乡镇，动迁年移民20万人。

三、水文地质条件

小浪底水利枢纽建设前的坝址地貌

一）径流

　　由于受地形、气候、产流条件的影响，黄河径流的地区分布很不平衡。

大部分径流来自兰州以上及龙门到三门峡区间。

　　受大气环流和季风的影响，黄河径流的年际变化较大，年内分配很不均衡。

干流及较大支流汛期径流量占全年的60%左右，每年3月份-6月份，径流量只占全年的1020%。

小浪底水利枢纽控制黄河90%的水量。

（二）洪水

　　黄河流域的洪水主要由暴雨形成，发生时间为6-10月，其中大洪水和特大洪水的发生时间，兰州以上一般在7月-9月，三门峡-花园口之间在7月中旬到8月中旬。

　　黄河洪水的洪峰形式，上游为矮胖型，洪水历时较长，洪峰较低。

中游洪水形式为高瘦型，洪水历时较短，洪峰较高。

（三）凌汛

　　黄河下游河道呈东北向流入渤海。

一般元月初开始封河，二月底开河。

由于纬度的差异，山东河段比河南河段早十天左右封河，晚二十天左右开河。

封河期因冰凌阻水，泄流不畅，增加河道槽蓄水量；开河期上段先开，冰水及前期槽蓄水量一起下泄，由于下段尚未解冻，容易形成冰塞、冰坝，水位升高很快，造成凌汛。

同时，由于黄河下游河道上宽下窄，封河期槽蓄量大部分集中于上段，下段河段窄而多弯，容易卡凌雍水，更加重凌汛的威胁。

（四）泥沙

　　黄河径流的泥沙含量居世界首位，多年平均含沙量37.63，多年平均输沙量13.51亿T。

在一年之中，泥沙主要集中在汛期，干流站7-9月沙量占全年沙量的80%左右，支流站接近100%；汛期沙量又集中在几次暴雨洪水之中。

黄河泥沙约有1/4沉积在下游河床，致使下游河床每年以10速度抬高。

小浪底水利枢纽控制近100%的沙量。

（五）地质

　　小浪底工程坝址河床覆盖层最深达70余米。

坝址区为二叠纪和三叠纪沉积的砂岩、粉砂岩和粘土岩交互地层。

岩层以812?

的缓倾角倾向北东，并含有连通性很好，磨擦系数0.2-0.25、0.005的泥化夹层。

岩体断裂构造及节理裂隙发育，横穿坝下的F1及左岸F28、F236、F238等大断层均与枢纽建筑物有密切关系，断层和节理裂隙均为80?

左右的高倾角，且大部分断层呈上下游方向展布。

左岸山体由于沟道切割形成了单薄分水岭，水库蓄水后存在稳定问题。

近坝区右岸包括右坝肩有多处大的滑坡和倾倒变形体。

坝址区基本地震烈度为7度。

四、工程开发任务

　　小浪底水利枢纽开发任务以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电，除害兴利，综合利用。

（一）防洪、防凌

　　水文气象资料分析表明，黄河可能出现55000m3的特大洪水，即使经过三门峡、陆浑、故县等水库拦蓄后，花园口站的洪峰流量仍将达到42000m3。

黄河下游防洪工程的设防标准仅为22000m3（花园口站），不到百年一遇。

三门峡水库对控制凌汛期流量起到了一定的作用，但由于可利用库容过小，防凌效果有限。

　　小浪底水利枢纽与已建的三门峡、陆浑、故县水库联合运用，并利用东平湖分洪，可使黄河下游防洪标准提高到千年一遇。

千年一遇以下洪水不再使用北金堤滞洪区，减轻常遇洪水的防洪负担。

与三门峡水库联合运用，共同调蓄凌汛期水量，可基本解除黄河下游凌汛威胁。

黄河下游防洪体系

（二）减淤

　　小浪底水利枢纽利用淤沙库容沉积泥沙，可使黄河下游河床20年内不淤积抬高。

非汛期下泄清水挟沙入海以及人造峰冲淤，对下游河床有进一步减淤作用。

黄河下游堤防

（三）供水、灌溉

　　黄河下游控制灌溉面积约4000万亩，每年平均实灌面积1760万亩，年引水量80~100亿m3，由于黄河来水丰枯不匀，又缺乏足够的水量调节能力，灌溉用水保证率仅32%。

二十世纪七十年代以来，沿河工农业迅猛发展，城市供水需求急剧增长，山东利津至入海口河段几乎每年断流，水资源供需矛盾十分突出。

小浪底水利枢纽可减少下游断流的机率，平均每年可增加20亿m3的调节水量，满足下游灌溉与城市用水，提高灌溉保证率。

（四）发电

　　小浪底水利枢纽装机6台，每台30万，总装机容量180万，额定水头112m，是河南电网理想的调峰电站。

五、工程的地位和作用

　　小浪底工程是三门峡以下唯一能够取得较大库容的控制性工程，处在控制黄河下游水沙的关键部位，也是唯一能够担负下游防洪、防凌、兼顾工农业供水、发电的综合水利枢纽，具有优越的自然条件和重要的战略地位。

　　小浪底水库区为峡谷河段，有利于保持较大的长期有效库容，可以长期发挥调水调沙、兴利除害的效益，防洪运用比较可靠，不仅可以拦蓄特大洪水，还可以根据下游防洪需要适当控制中常洪水。

这是其它工程措施所不能比拟的。

　　小浪底水库拦调泥沙，能够较快地减缓下游河道淤积，还可以通过人造洪峰、调水调沙等运用方式，长期发挥较大的减淤作用，与其它减淤措施相比，在减淤效果、减淤单位投资、影响人口等方面，小浪底工程都具有明显的优越性。

　　小浪底水利枢纽在保证下游防洪、满足下游减淤的前提下，还可以调节径流，为下游工农业用水增加可利用的水源，发电调峰可以改善电力系统的运行条件。

　　综合各方面因素进行观察，小浪底水利枢纽是黄河下游防洪减淤工程中最优的方案。

六、建设管理的特殊性

　　小浪底工程规模宏大，结构复杂，管理方式与国际惯例接轨，被中外专家称为世界上最具挑战性的工程之一。

（一）技术复杂

　　小浪底坝址地质情况复杂、水沙条件特殊，导致枢纽采用泄洪、排沙、发电建筑物集中布置在左岸，洞群进口分布在6个高程，进水塔、消力塘集中布置的特殊结构形式，技术十分复杂。

（1）洞室密集，是世界坝工史上洞室布置最密集的水利工程。

（2）进水塔上集中布置16条隧洞的进水口，是世界上最大最复杂的进水塔；

（3）导流洞后期增设3级孔板环改建为永久泄洪洞，是世界上最大的孔板消能泄洪洞。

（4）水轮机的抗磨、防腐要求高。

（5）主坝基础覆盖层深、防渗墙厚。

（6）岩石破碎，地下厂房、进出口高边坡支护要求高。

（7）孔板洞、排沙洞、明流洞混凝土抗磨要求高。

（二）施工难度大

（1）工程量大，施工强度高。

小浪底大坝总填筑方量5185万m3是中国最高、填筑量最大的土石坝。

土石坝明挖和填筑最高强度分别为110万m3/月和130万m3/月。

（2）大量建筑物布置在地下，石方洞挖最高强度约15万m3/月。

　　（3）洞室断面大、建筑物结构复杂，结构砼分层分块多。

3条导流洞洞身直径14.5m，开挖最大直径近20m，3条尾水洞开挖断面12.8m?

19.5m（宽?

高），均分3层开挖，施工难度大。

导流洞中闸室段开挖最大净高达42.26m，混凝土衬砌共分24层施工，上下部同时作业，每洞浇筑块多达133块。

进水塔孔洞多，体型复杂，钢筋林立，各类埋件和止水片多，很难提高浇筑强度。

　　（4）导流洞塌方导致工期延误，必须实施赶工，资源配置紧张，施工强度提高。

（三）合同管理占据突出位置，但合同管理的市场环境并未形成

　　合同是小浪底工程处理甲乙方关系的法律准绳，是工程建设管理活动的基础。

在20世纪90年代，合同在小浪底工程中的地位与合同管理的大环境不匹配，使得合同管理工作处在学习、应用、碰撞、磨合的状态。

国际承包商认为合同是刚性的，一切按合同规定办，国内却还习惯于“业主”意志，“长官”意志，把合同看成是可以根据自己意愿修改的一种形式。

设计变更、市场供应的变化，往往造成业主违约，国家法令法规修改也带来合同规定的业主风险。

依据合同进行工程建设管理是小浪底工程的崭新课题。

（四）现场管理关系复杂

　　小浪底工程主体土建标分别由三家外国承包商联营体中标。

中标联营体将部分项目以工程分包，劳务分包的形式分包给外公司和中国公司，在施工现场形成了业主发包，中标承包商分包或再分包的“中、外、中”、“中、外、外、中”的合同链。

由于业主与承包商，承包商与分包商国别不同，思想观念、文化背景、施工经验、管理水平上的差异很大，给工程建设管理带来极大困难。

（五）移民安置困难多

　　小浪底工程移民动迁年人口20万人，以大农业安置为主，走整建制搬迁开发性移民的道路，是我国移民安置工作的新偿试。

小浪底工程移民工作标准高，政策性强，矛盾多，按工程进度要求完成各阶段移民安置任务的困难很大。

七、枢纽建筑物

　　小浪底水利枢纽由大坝、泄洪排沙建筑物、引水发电建筑物组成。

枢纽平面布置见图1-1。

枢纽为一等工程。

主要建筑物为一级建筑物。

（一）大坝

　　拦河坝采用带内铺盖的斜心墙堆石坝，以垂直混凝土防渗墙为主要防渗幕，并利用黄河泥沙淤积形成天然铺盖，作为辅助防渗防线。

左岸垭口设壤土心墙副坝一座。

最大坝高160m，坝顶长1667m，坝体方量5185万m3。

坝型剖面见图1-2

大坝典型剖面图

大坝全景

（二）泄洪、排沙建筑物

　　泄洪、排沙建筑物由3条直径14.5m的导流洞；3条由导流洞改建的三级孔板消能泄洪洞；3条明流泄洪洞；3条直径6.5m压力排沙洞；1条直径3.5m压力灌溉洞；1座正常溢洪道；1座非常溢洪道（尚未建设）；10座进水塔；1个综合消力塘组成。

洞群布置见图1-3。

进水塔布置图

进水塔全景

1、导流洞

　　截流后第一个汛期由3条直径14.5m导流洞承担导流任务。

完成导流任务后改建为孔板消能泄洪洞。

2、孔板消能泄洪洞

　　孔板消能泄洪洞是在压力洞内安装孔板环，使水流流经孔口时突然收缩，在孔口下游又突然扩散，形成强烈紊动的漩涡流，在水流内部产生强烈的剪切摩擦达到消能目的。

　　3条直径14.5m的导流洞改建成3条孔板泄洪洞后，每条孔板消能泄洪洞由进水塔、压力隧洞连接段（俗称龙抬头段）、三级孔板消能段、中间闸室、明流洞段和出口段组成。

　　孔板洞进水塔进口底板高程定为175.0m。

因进口高程低，水流含沙量高，且粗沙比例大，为防止事故闸门孔口因流速高产生磨蚀，同时也控制闸门总水压力不致过大，进口采用双孔布置。

塔内设检修门（2-4.5m?

15.5m）和事故门（2-3.5m?

12.0m）各一道。

事故门后由14.1m?

12.0m渐变为?

12.5m，渐变段轴线长度：

1号孔板洞为35.5m，2号和3号孔板洞为24.85m。

压力连接洞径12.5m，以龙抬头方式将进口与设计平洞段内的第一级孔板上游面连接起来。

3、明流泄洪洞

　　1号明流泄洪洞布置在洞群南端，3号明流洞布置在洞群北端，2号明流泄洪洞位于1号与3号明流泄洪洞之间。

3条明流泄洪洞轴线与枢纽其他泄洪建筑物轴线平行，且呈直线布置。

3条明流泄洪洞均由进口段、隧洞段、穿大坝压戗埋管段、泄槽段及出口挑流鼻坎组成。

　　3条明流泄洪洞进水塔均为深式有压短管进口，3条明流泄洪洞在库水位250.0m时，洞内流速控制在25左右。

下泄水流以挑流形式入综合消力塘消能。

4、排沙洞

　　排沙洞在泄水建筑物中是运用机会最多的建筑物。

主要承担排沙，电站进口排污，调节水库下泄流量，并同孔板洞一起保持进口的冲刷漏斗，达到保护其进口不被泥沙淤堵的目的。

排沙洞进口高程最低，水流含沙量高。

排沙洞由进口塔架、压力洞、出口工作闸室、明渠或明流洞和挑流鼻坎组成，压力洞直径6.5m。

　　每条排沙洞进口与2条发电洞进口组合在一座塔架内，进口高程175.0m。

为排放电站拦污栅清除的污物，在排沙洞事故门上游设6个3.5m?

6.3m进水口与电站进口的拦污栅相对应，6个进口逐步汇合成2个3.7m?

5.0m事故门孔，在事故门后合二为一，逐步渐变为?

6.5m隧洞。

5、灌溉洞

　　灌溉洞由进水塔、压力洞、工作门闸室组成。

进水塔布置在塔群的最北端，根据引水流量要求，库水位230.0m能引灌溉流量30.0m3，同时考虑灌区总干渠的连接高程，进口高程为223.0m，采用压力洞，洞径3.5m。

6、正常溢洪道

　　正常溢洪道位于垭口副坝南侧，布置在T型山梁上，由引渠控制闸、泄槽、挑流鼻坎组成，进口高程258.0m。

进口选用有超泄能力的开敞式三孔洞，闸门尺寸11.5m?

17.5m。

在库水位275.0m时泄流量3744m3。

7、非常溢洪道

　　非常溢洪道设在桐树岭以北的宣沟与南沟分水岭处，作为正常泄洪设施的事故备用泄洪建筑物，进口底板高程268.0m，宽100.0m。

在非常溢洪道进口设心墙堆石坝挡水，当需要使用非常溢洪道泄洪时，采用爆破方式破坝。

库水位275.0m时，下泄流量3000m3，经南沟入桥沟汇入黄河。

非常溢洪道的修建时间根据小浪底水库运用的情况决定。

8、综合消力塘

　　综合消力塘为混凝土衬护消力塘，接纳泄洪洞、排沙洞、正常溢洪道的下泄水流，消煞能量。

消力塘后接二级消力池和护坦。

为便于检修，也为适应单条或几条泄洪洞运用时塘内产生不对称流态，抑制回流和导流洞改建需要，在塘内布置2道纵隔墙，将消力塘、二级消力池分为3个可以单独运用的消力塘。

消力塘塘底上游端高程为113.0m，下游端高程为110.0m，1号和2号塘底长140.0m，3号塘底长160.0m。

二级消力池底长35.0m，二级消力池下游接护坦，长70～98m，护坦后设块石防冲槽，水流经护坦调整后入泄水渠与黄河衔接。

为解决消力塘检修期混凝土底板的抗浮稳定问题，在消力塘的周边、塘底中部（垂直流向）的混凝土底板内部设有城门洞型的排水廊道（断面2.0m?

3.0m），排水廊道纵、横向相互连通并通向设在消力塘南、北侧的集水井。

泄洪时的消力塘

三）引水发电建筑物

1、主厂房

　　主厂房为地下式，采取首部布置方式，并且尽可能地使厂房靠近进水口，以缩短压力引水道长度，在满足调节保证计算和机组稳定运行的情况下，不设上游调压塔。

厂房底板高程103.6m，顶拱高程为165.05m，上覆岩体厚度约为70~110m，厂房顶拱和边墙大部分位于岩性坚硬，块度大，整体稳定性较好的岩层中。

地下发电厂房

2、主变室及尾闸室

　　主变室为地下式，位于主厂房下游，且平行于主厂房布置。

　　尾水闸布置在尾水管末端，闸门中心线与机组中心线距离为92.25m，闸门室与厂房平行布置。

（1）主厂房分为发电机层、母线层、水轮机层。

机组安装高程129.0m，机组间距26.5m。

内设6台水轮发电机，单机容量300。

两台25002500小车桥机放置在岩壁吊车梁上。

厂房总长度251.5m，跨度26.2m，最大高度61.44m。

（2）主变室尺寸：

长?

宽?

高=174.7m?

14.4m?

17.85m，布置有6台220的三相变压器，4台厂用变压器等。

　　（3）尾闸室尺寸：

长?

宽?

高=175.8m?

10.6m?

20.65m，布置有一台2?

2500的台车式启闭机，其轨道设置在岩石混凝土梁上。

　　（4）厂房三大洞室均采用喷锚做为永久支护。

3、引水道系统

　　引水发电系统由进水塔、压力引水隧洞、高压钢管、地下厂房、尾水闸洞、明流尾水洞、尾水明渠和出口防淤闸组成。

引水方式采用一洞一机单元式布置，尾水采用两台机组经尾水叉洞合一明流尾水洞布置。

引水发电系统纵剖面见图1-4。

发电引水系统

由于排沙排污需要，两条发电洞与一条排沙洞进口呈上下对应布置。

发电洞进口高于排沙洞进口20m。

为满足初期发电要求，3号发电塔的第5号、6号发电洞进口高程定为190m；1号、2号发电塔的第1～4号发电洞进口高程为195m。

　　引水隧洞和压力钢管直径均为7.8m。

　　引水隧洞共计6条，长度约为109.3~200.9m，采用普通钢筋混凝土衬砌，衬砌厚为0.8m，混凝土标号C30。

4、水轮机蜗壳和尾水管

　　压力钢管末端通过渐变段与蜗壳进口连接，考虑到地下厂房温度变化小，压力钢管与蜗壳连接处不设置伸缩节。

尾水管采用窄高型，以适应地下厂房布置需要。

每台机尾水管出口均设有尾水闸门，当机组较长时间停机时，可关闭尾水闸门，防止尾水管被泥沙淤堵。

　　尾水洞长度900?

1000m，采用明流尾水隧洞。

5、尾水明渠和防淤闸

　　尾水为两机一洞（尾水洞）、一渠（尾水明渠）、2孔防淤闸，共3条明渠，6条防淤闸。

八、机电

（一）水电站与电力系统的连接

　　小浪底电站的主要供电范围为河南省，小浪底电站的任务是在满足水库调水调沙要求的前提下进行发电调节，在河南省电网中主要承担调峰调频任务，在非汛期可担任一定的事故备用。

（二）电力主接线

　　电厂以220一级电压送出，出线6回，4回至洛北5000升压站，1回至豫北，1回备用，220侧为比母线分段，左段接2台机，2回出线，右段接4台机，4回出线。

（三）主要机电设备

　　水轮机的额定水头112m，机组的额定容量300。

为适应水头变幅大的特点，改善非汛期水轮机运行工况，在水头H≥117m时，水轮机加大出力运行，机组容量增大到324。

（四）机组主要参数

　　水轮机形式为主轴混流式，额定水头112.0m，额定流量子数96.0m3，额定出力306，转轮定义直径D1=6.188m，额定转速n=107.1，单位流量Q10.73m3，单位转速n163.3，临界气蚀系数?

0=0.085，装置气蚀系数0.146（尾水位133.64m）。

　　发电机形式为立轴半伞式，额定容量300，功率因数0.9，额定频率50，相数3，额定转速107.1，飞轮转动惯量2=990002；电机冷却形式为双路径向无风扇端部回风通风方式；推力轴承瓦为9.9?

10102弹性金属塑料瓦；励磁方式为电源自并励静止励磁系统。

（五）主要电气设备

　　采购国外的电气设备有：

　　电站计算机监控系统1套

　　18发电机断路器6台

　　220干式电缆7

　　国内采购的电气设备有：

　　发电机主变压器、220户外配电装置、离相式母线等发电机电压设备、厂用电设备、继电保护和自动化装置机组辅助设备和全厂公用设备。

（六）电站的控制设备和布局

　　电站采用计算机为基础的监控系统，即由电站控制中心及现场控制单元组成。

电站中央控制室设在地面副厂房内。

机组现场控制单元布置于机房发电机层，开关站现场控制单元布置于地面副厂房继保室，全厂公用设备现场控制单元布置于地下主厂房。

开关站

九、金属结构

　　枢纽建筑物泄洪洞、排沙洞、发电引水洞、地下厂房、防淤闸及溢洪道等各类金属结构计有闸门62扇，其中平面闸门41扇、弧形闸门21扇，拦污栅26扇。

各种起重机械75台，其中固定卷扬式启闭机20台，油压启闭机36台，门式启闭机2台、台车式启闭机1台、清污机4台。

总用钢量32000t。