黃金峽水利樞紐技術特點及關鍵技術問題

胡中平

（水利部長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院，430010，武漢）

黃金峽水利樞紐為引漢濟渭工程主要水源之一，也是漢江上游干流河段規劃中的第一個開發梯級，位于漢江干流上游峽谷段，地處陜西南部漢中盆地以東的洋縣境內，壩址下游55 km處為石泉水電站。工程的建設任務為：以供水為主，兼顧發電，改善水運條件。

黃金峽水利樞紐由攔河壩、泄水建筑物、泵站、電站、通航建筑物和過魚建筑物等組成。攔河壩為混凝土重力壩，最大壩高63 m；水庫正常蓄水位450 m，死水位440 m，總庫容2.21億m3，調節庫容0.98億m3。河床式泵站安裝7臺水泵機組，總裝機功率12.6萬kW；泵站設計流量70 m3/s，多年平均抽水量9.69億m3，設計揚程106.45 m。壩后式電站安裝3臺水輪發電機組，總裝機容量13.5萬kW，多年平均發電量3.51億kWh。通航建筑物為300 t級垂直升船機，過魚建筑物為豎縫式魚道。工程總工期52個月，總投資約51億元。

一、工程主要技術特點

1.樞紐洪水規模較大

漢江是長江中游的重要支流，發源于秦嶺南麓，經漢中盆地與褒河匯合后始稱漢江，干流流經陜西、湖北兩省，于武漢市入匯長江。干流全長1 577 km，流域集水面積約15.9萬km2。黃金峽壩址位于漢江干流上游，下距石泉水文站約52 km，壩址控制流域面積17 070 km2。漢江上游流域地處大巴山以北、秦嶺以南，該流域山高坡陡，巖層的透水性較小，使得洪水具有匯流速度快、陡漲陡落的特點。壩址處洪水規模較大，1 000年一遇校核洪峰流量 26 400 m3/s，100年一遇設計洪峰流量18 800 m3/s，10年一遇施工導流洪峰流量10 800 m3/s。壩址處河谷相對狹窄（壩頂高程處河谷寬約250 m），壩址洪水規模大，對樞紐總體布置、施工導流方式和泄洪消能影響較大。

2.壩址地質條件好，地形條件獨特

壩址呈深切寬闊的圓底不對稱“Ⅴ”字形，地形較完整，構造簡單，左岸分布一定寬度的河灘地形。壩基巖體為閃長巖，可利用巖體主要為弱風化、微風化巖體，屬堅硬巖，巖體基本質量分別為Ⅲ、Ⅱ類。壩址區地質構造簡單，斷層一般規模較小，巖體較完整，緩傾角裂隙不發育，壩基抗滑穩定條件好，兩岸壩肩邊坡整體穩定。黃金峽壩址地質條件適合修建混凝土壩，獨特的地形條件（河谷寬高比約1∶4，左岸分布河灘地）使得工程施工導流方式具有多種選擇，具備采用分期導流和隧洞導流方式的基本條件。

3.建筑物種類多，構成復雜

為滿足樞紐工程開發和環保要求，樞紐主要建筑物包括攔河壩、泄洪消能建筑物、泵站、電站、通航建筑物、過魚建筑物、排沙建筑物、生態放水孔及導流建筑物等，建筑物種類多，構成復雜，存在相互干擾和制約，樞紐布置難度大。

二、工程關鍵技術問題

1.施工導流與樞紐總體布置

黃金峽水利樞紐由攔河壩、泄水建筑物、泵站、電站、通航建筑物、過魚建筑物和導流建筑物等組成，建筑物種類多，構成復雜，樞紐總體布置方案具有多樣性特點。獨特的地形條件使得施工導流方式亦具備多種選擇，且導流方案選擇與樞紐總體布置相互關聯、相互制約，因此，施工導流與樞紐總體布置是黃金峽水利樞紐面臨的首要關鍵技術問題之一。根據引漢濟渭工程總體布局，黃金峽水利樞紐泵站抽庫水入秦嶺輸水隧洞，由于秦嶺輸水隧洞位于漢江左岸，為便于泵站出水系統布置，泵站建筑物宜布置在左岸。壩址現有通往大河壩鄉的新修進場公路位于左岸，為方便電站大件運輸，并考慮與泵站配電設備集中設置，提高電站、泵站運行管理便捷性，電站建筑物宜與泵站建筑物布置在河床同一側，即電站建筑物也布置在左岸。通航建筑物宜臨岸布置，所以布置在右岸。過魚建筑物采用魚道，為保證魚道下游進水口具備常流水條件，一般考慮將魚道進水口布置在電站尾水處，魚道宜布置在左岸。因此，黃金峽水利樞紐的樞紐布置格局為：主河槽布置泄水建筑物，左岸布置泵站、電站，右岸布置通航建筑物，左岸邊坡布置過魚建筑物。

漢江洪水具有陡漲陡落的特征，汛期10年一遇洪水達10 800 m3/s，導流建筑物的規模較大。泵站和電站結構復雜，施工時間長，根據總進度要求，施工導流方案應保證泵站和電站具備全年施工條件。

根據壩址河谷條件滿足分期導流和隧洞導流的特點，結合樞紐布置格局，研究比較了兩期導流方案、三期導流方案、“過水圍堰+隧洞導流”方案和“全年圍堰+隧洞導流”方案，考慮到本工程壩址地形地質條件、工程投資、施工工期、施工方案難易程度等因素，選擇采用兩期導流方案。一期圍左岸：首先利用土埂圍堰擋水，完成混凝土縱向圍堰和一期全年擋水上下游土石圍堰的施工；然后在一期全年擋水土石圍堰及混凝土縱向圍堰的圍護下，進行泄洪沖沙底孔壩段、電站泵站施工，施工期間由右側束窄河道泄流。二期圍右岸：二期第一個枯水期利用二期上下游枯水期土石圍堰及混凝土縱向圍堰的圍護，澆筑表孔壩段及右岸擋水壩段；汛期表孔壩段停工，過水度汛；二期第二個枯水期，繼續進行表孔壩段混凝土澆筑；二期枯水期泄水建筑物為泄洪沖沙底孔，汛期為泄洪沖沙底孔加表孔壩段缺口。

根據施工導流和樞紐布置格局確定的樞紐布置方案見圖1。

2.泄洪消能設計

黃金峽水利樞紐壩址處洪峰流量大，100年一遇設計和 1 000年一遇校核洪水的洪峰流量分別達到18 840 m3/s、26 430 m3/s， 泄洪消能建筑物規模大、水力學設計及運行條件復雜。同時水庫調蓄能力小，河床寬度有限，下游水位變幅大，泄洪消能及下游河岸防沖刷問題突出。為盡量減少溢流前緣寬度以及考慮到排沙、施工導流等，泄洪建筑物采用表、底孔結合布置方式，經多方案比較，最終確定泄洪建筑物采用5個泄洪表孔和2個泄洪沖沙底孔。

泄洪沖沙底孔布置在河床中部兩個壩段，每個壩段寬16 m，底孔采用有壓短管型式，進口底高程406 m，孔口尺寸 8 m×12.5 m（寬×高），兩側邊墻厚4 m。底孔有壓段出口設弧形工作門，上游設事故檢修平板門。由于底孔單寬流量較大，出口高程低，經研究底孔采用底流消能，下游設置140 m長的消力池。

泄洪表孔布置于河床右側主河槽部位，共分為5個壩段，表孔壩段采用孔中分縫，中墩厚5.5 m，邊墩厚5 m，表孔堰頂高程425 m，孔口尺寸為 14 m×25 m（寬×高）。每孔布置1扇弧形工作門，由液壓啟閉機啟閉，弧形工作門前布置1道疊梁檢修門槽，疊梁檢修門通過壩頂門機操作。由于泄洪表孔下游單寬流量大，表孔堰頂高程（425 m）較低，且下游水位高（校核洪水流量時，下游水位為427.77 m），經多方案分析比較和模型試驗研究，表孔采用寬尾墩加戽式消力池消能型式。

3.泵站、電站布置方案選擇

黃金峽水利樞紐主要任務為供水，泵站為樞紐最主要建筑物之一，泵站站址選擇及泵站型式對工程投資、施工、運行和管理等影響較大，為本工程關鍵技術問題之一。結合壩址地形地質條件和樞紐總體布置，對黃金峽泵站站址和泵站型式進行了多方案研究，分別比較了瓦灘站址、良心河站址和壩后站址等3個站址以及地下泵站、岸邊泵站和壩后泵站等多種泵站型式。瓦灘站址和良心河站址位于黃金峽大壩上游水庫內，瓦灘站址采用地下泵站，投資最大，運行管理條件較差；良心河站址采用岸邊泵站，對應黃三隧洞較短，但進水條件稍差，工程投資比壩后站址大；壩后站址采用“河床泵站+壩后電站”聯合布置或 “河床電站+順河向岸邊泵站”布置。綜合比較，壩后站址具有樞紐布置緊湊、工程量少、投資省、施工條件好、運行管理方便等優點，故推薦壩后站址。由于壩址河谷寬度較窄，不具備并行布置河床式泵站和河床式電站的基本條件，結合施工導流和樞紐總體布置，泵站壩后站址方案采用了“河床泵站+壩后電站”布置方式。即泵站采用河床式、電站采用壩后式，均布置于左側河床，泵站、電站順流向前后布置，泵站廠房為擋水建筑物，和大壩一線并列布置，電站軸線平行于壩軸線（見圖2）。該種方案為特定條件下的獨特布置方式，具有布置緊湊，工程量較小，泵站、電站取水條件好，水頭損失小，運行管理方便等優點，但同時帶來泵站、電站進水口結構復雜，泵站、電站運行可能存在相互影響等不利因素。通過精細布置和優化設計，解決了泵站和電站交錯布置帶來的結構問題；通過水工模型試驗和三維數值模擬分析，對泵站、電站分層布置條件下的進水口水力特性進行了深入研究，并根據研究成果優化調整了泵站、電站進水口布置和體型，解決了這一關鍵技術問題。

4.高揚程、大功率水泵設計

黃金峽泵站為高揚程（水泵設計揚程 106.45m)、大功率泵站(7×18MW），其泵站裝機規模位居國內甚至亞洲前列，具有泵站規模大、裝機臺數多、不同時段輸水流量變化幅度大、水泵年利用小數高的特點。

水泵選型設計依據黃金峽泵站調水流量、樞紐布置、泥沙磨損等特性，充分利用國內外大型泵站的設計經驗和水泵制造廠的先進技術，在保證機組安全穩定運行的前提下，合理確定機組參數水平，不僅使水泵的性能先進，符合國內外技術發展水平，還使水泵機組參數之間達到總體的最優匹配。經技術經濟比較，黃金峽泵站推薦選用7臺 （1臺備用）單機容量18 MW、同步轉速為375 r/min的立式單級單吸離心泵及配套的電動機組。

通過設置水泵變頻調節設施，可確保水泵穩定高效運行，減輕水泵運行發生的振動和空化，提高了供水的靈活性和準確性。由此，黃金峽泵站不僅能滿足引漢濟渭工程近期年調水10億m3、泵站抽水流量為52 m3/s、遠期年調水15億m3、泵站抽水流量為70 m3/s的工程調水任務要求，還有效地解決了調水不同時段輸水流量變幅大的難題。

黃金峽泵站采用7臺水泵共1個揚水管，目前已建同等規模高揚程、單機容量大的泵站中國內沒有工程實例，同時泵組并聯運行時水泵啟動方式復雜，流道中水力干擾大，水頭損失加大 （增加了水泵揚程范圍），給水泵安全穩定運行帶來隱患。通過與多家科研單位聯合開展泵站過渡過程計算和水錘防護措施專題研究，提出了安全、合理、經濟、可靠的水錘防護措施及泵站水泵的開停機運行程序。

5.高水頭魚道設計

在通常情況下魚道一般適用于水頭低于25 m的樞紐，國內已建魚道大多布置在低水頭閘壩上，提升高度都不大，吉林老龍口水利樞紐最大過魚水頭28m，為國內已建水頭最高的魚道。黃金峽水利樞紐最大過魚水頭45.5m，為目前國內水頭第二高的魚道，其水頭指標在世界上也位居前列。

結合黃金峽水利樞紐的特點，在初步設計階段，分別采用水工整體模型、魚道池室局部模型和集魚誘魚系統物理模型，對樞紐上下游的環境流場、魚道池室的水力學條件和集魚渠水力學條件進行了深入研究，基本確定了魚道總體布置和主要建筑物結構型式。

根據模型試驗成果并參考國內外已建工程經驗，黃金峽過魚建筑物布置在左岸邊坡上，采用垂直豎縫式魚道，全長約1 970 m，下游設1個主進口，上游設5個出口，主要建筑物有廠房尾水集魚系統、魚道進口、過魚池、魚道出口及補水系統等。

為了使進魚口流速滿足誘魚要求，魚道主進口和集魚渠配置補水系統。補水系統設有補水管、檢修閥門、工作閥門和補水渠等。補水系統通過補水管從上游補水，由工作閥門的開度控制流量，經補水渠消能進入集魚渠。

三、結 語

黃金峽水利樞紐具有泄洪規模大，壩址地質條件好，地形條件獨特，建筑物種類多、構成復雜等特點，經過可研及初步設計階段的設計、科研、論證，對樞紐工程的主要技術特點以及關鍵技術問題做了充分的研究，提出了有效的解決方案，主要結論如下：

①黃金峽壩址河谷條件滿足分期導流、隧洞導流兩種導流方式，結合樞紐布置格局對分期導流、隧洞導流兩大類多個導流方案及相應樞紐布置方案進行了深入研究，推薦采用兩期導流方案。

②壩址河谷狹窄，洪水流量大，樞紐泄洪消能建筑物規模大、水力學設計及運行條件復雜，結合樞紐布置要求盡量減少溢流前緣寬度，以及考慮到排沙、施工導流等要求，泄洪建筑物采用窄高型大尺寸表、底孔結合布置方式，在河床中部布置5個泄洪表孔和2個泄洪沖沙底孔，底孔采用底流消能，表孔采用寬尾墩加戽式消力池消能。

③對泵站站址和泵站型式進行了多方案比選，推薦采用“河床泵站+壩后電站”獨特創新的布置方式，解決了泵站、電站交錯布置帶來的結構型式和水流條件復雜等難題。

④黃金峽泵站具有高揚程、大功率、裝機規模大等特點，依據黃金峽泵站調水流量、樞紐布置、泥沙磨損等具體特性，充分利用國內外大型泵站的設計經驗和水泵制造廠的先進技術，優化泵站布置，優選水泵型式，合理確定機組參數水平，使水泵機組參數之間達到總體最優匹配。

⑤黃金峽水利樞紐最大過魚水頭45.5 m，為目前國內水頭第二高的魚道，根據模型試驗成果并參考國內外已建工程經驗，基本確定了魚道總體布置和主要建筑物結構型式。