某水利枢纽工程设计工作报告.doc

万家寨水利枢纽工程 设 计 工 作 报告 建设单位： 黄河万家寨水利枢纽有限公司 编制单位： 水利部天津水利水电勘测设计研究院 二二年五月 万家寨水利枢纽工程 竣工验收报告第六卷 总 目 录 第一卷：建设管理工作报告 第二卷：建设大事记 第三卷：大坝标工程施工管理工作报告 第四卷：厂房标工程施工管理工作报告 第五卷：砂石骨料生产管理工作报告 第六卷：设计工作报告 第七卷：建设监理工作报告 第八卷：机电设备制造监造工作报告 第九卷：金属结构制作监造工作报告 第十卷：运行管理工作报告 第十一卷：质量评定报告 第十二卷：大坝安全监测资料分析报告 第十三卷：水土保持及环境保护专项工作报告 第十四卷：库区右岸渗漏专题工作报告 第十五卷：库区防凌专题工作报告 第十六卷：坝基抗滑稳定处理专题工作报告 第十七卷：低热微膨胀水泥应用专题工作报告 第十八卷：拟验工程清单和未完工程项目的建设安排 第十九卷：档案资料自检工作报告 第二十卷：小沙湾取水工程专项工作报告 第二十一卷：竣工安全鉴定工作报告 第二十二卷：建设征地补偿和移民安置工作报告 批 准：刘德堂 审 定：陆宗磐 审 查：郭 潇 校 核：刘满杰 顾春利 袁学安 阎国福 编 写：龚长年 吴正桥 目 录 1 工程概况1 2 勘测设计工程过程及主管部门主要审查意见2 3 规划设计要点7 3.1 水文7 3.2 工程地址10 3.3 工程规划 14 3.4 工程布置及主要建筑物16 3.5 水力机械、电气设计20 3.6 金属结构设计36 3.7 施工组织设计39 4 重大设计变更40 4.1 大坝及电站厂房建基面调整40 4.2 河床左侧坝基加固处理41 4.3 泄水坝段下游防护加固处理42 4.4 电站发电引水压力钢管布置型式优化42 4.5 低热微膨胀混凝土新技术的应用43 4.6 工程永久水厂设计优化43 4.7 电站进水口清污设施的优化44 4.8 1#4#机组尾水管肘管修型44 4.9 泄水建筑物抗冲磨混凝土优化设计45 4.10 电站主厂房和 GIS 开关站屋顶结构型式优化46 4.11 电站尾水检修闸门数量的变量46 4.12 水电站机修设备变更47 4.13 一期导流低纵向围堰结构型式优化47 4.14 取消枢纽右岸柳青塔人工砂石系统47 5 设计技术供应与保障49 5.1 设计图纸供应49 5.2 现场设代配合49 5.3 设计质量保证50 6 结语51 附表 万家寨水利枢纽工程特性表52 1 1 1 工程概况 万家寨水利枢纽位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段内，是黄河中游梯级 开发的第一级。坝址左岸为山西省偏关县，右岸为内蒙古自治区准格尔旗。 枢纽的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪、防凌作用。枢纽年供水量 14 亿 m3，其中向内蒙古自治区准格尔旗供水 2 亿 m3，向山西省供水 12 亿 m3。枢纽水 电站装机 1080MW，年发电量 27.5 亿 kWh。 枢纽属一等大（）型工程，永久性主要建筑物为 1 级水工建筑物。设计洪水标 准千年一遇，校核洪水标准万年一遇。入库洪峰流量分别为 16500m3/s 和 21200m3/s。 坝址控制流域面积 39.5 万 km2，多年平均入库径流量 248 亿 m3（河口镇 19521986 年实测年径流系列） ，设计多年平均径流量 192 亿 m3（19191979 年设计 入库系列） 。设计多年平均入库沙量 1.49 亿 t，设计多年平均含沙量 6.6kg/m3。水库 总库容 8.96 亿 m3，调节库容 4.45 亿 m3。水库最高蓄水位 980.00m，正常蓄水位 977.00m。水库采用“蓄清排浑”运用方式，排沙期运用水位 952.00957.00m。 坝址岩层由寒武系灰岩、白云岩、页岩等组成，岩性致密坚硬，岩体完整，断层 不发育。工程地质条件优良。场地地震基本烈度 6 度。 枢纽由拦河坝、泄水建筑物、坝后式厂房、引黄取水建筑物及 GIS 开关站等组成。 拦河坝为半整体式混凝土直线重力坝，坝顶高程 982.00m，坝顶长 443m，最大坝高 105m。泄水建筑物位于河床左侧，包括 8 个 4m6m 底孔、4 个 4m8m 中孔、1 个 14m10m 表孔，均采用长护坦挑流消能。电站厂房为坝后式，位于河床右侧，单机单 管引水，压力钢管直径 7.5m。主厂房长 196.55m，上部宽 27.00m，下部宽 43.75m，总 高度 56.30m，安装 6 台单机容量 180MW 水轮发电机组。GIS 开关站位于电站主厂房上 游厂坝之间。引黄取水口设于大坝左岸边坡坝段，2 条引水钢管直径均为 4.0m，单孔 引水流量 24m3/s。 工程总工期六年半（筹建期除外） ，其中施工准备工程工期 1 年，主体工程工期 4 年，完建工期一年半。1997 年 10 月国家计委以计建设19971993 号文“国家计委关 于万家寨水利枢纽工程调整概算的批复”核定工程静态投资 429877 万元，总投资 605780 万元。 2 2 2 勘测设计工作过程及主管部门主要审查意见 新中国建立后，国家十分重视黄河北干流托克托至龙口河段的开发利用，自 19521979 年先后进行过 6 次规划设计工作。1982 年 9 月，原水电部水利水电建设总 局以82水建计字第 41 号文向水利部天津设计院下达了黄河托克托龙口段规划勘测 设计任务。 1983 年 2 月，国家计委以计资字1983117 号文将万家寨水利枢纽（原名万家寨水 电站）工程列入“六五”前期重点项目。天津设计院于 1984 年 5 月完成可行性研究报 告，并经水电部审查。审查纪要认为“万家寨水电站工程技术经济条件是比较好的， 基本同意该可行性报告” 。 1987 年 8 月，天津设计院编制完成万家寨水利枢纽环境影响报告书 ，1989 年 6 月，原能源部水利部水利水电规划设计总院邀请国家环保局等单位对该报告书进行了 预审。根据预审意见，天津设计院对报告书进行了补充修正。1990 年，国家环保局以 90环监字第 062 号文进行了批复，同意以修改后的报告书作为编制工程初设环保篇 的依据。 1988 年 3 月国家计委给国务院的报告中提出“应将万家寨引黄工程和万家寨水电 站一并考虑，统筹安排两项工程同步建设” 。天津设计院据此进行补充工作，并遵 照水利部指示于 1989 年 3 月编制黄河万家寨水利枢纽及引黄工程设计任务书 （讨 论稿） 。同年 11 月，水利部和能源部委托水利水电规划设计总院对任务书进行技术性 审查，审查“认为万家寨水电站及引黄工程设计任务书提出的工程设计方案技术上可 行，经济上合理，基本上达到了本阶段工作深度要求” 。 1990 年 9 月 20 日，国务院副总理邹家华主持会议研究万家寨水利枢纽和引黄入晋 引水工程的建设和管理问题，会后以国阅1990112 号文“关于万家寨水利枢纽及引黄 入晋引水工程建设管理问题的会议纪要” ，肯定修建万家寨水利枢纽及引黄入晋工程是 必要的，应尽快建设。1990 年 10 月 25 日至 11 月 3 日，水利部会同国家计委农经司、 中国国际工程咨询公司、内蒙古自治区和山西省人民政府对万家寨枢纽坝址、库区和 引黄工程线路进行查勘，就万家寨水利枢纽及引黄工程的规划设计提出一些新的意见 3 3 和建议。查勘后，水利部与内蒙古自治区和山西省进行认真的研究和充分协商，于 1990 年 12 月 29 日三方共同签订“关于联合建设万家寨水利枢纽及引黄入晋引水工程 的意向书” 。 1991 年天津设计院根据查勘中所提出的意见和三方签订的意向书以及前述审查意 见，对设计任务书进行了补充、修订，完成了黄河万家寨水利枢纽及引黄工程设计 任务书和黄河万家寨水利枢纽电站厂房位置方案比较专题报告 。 1991 年 10 月，水利水电规划设计总院在北京召开万家寨水利枢纽电站厂房位置专 题报告专家技术审查会。1991 年 12 月 30 日国家计划委员会以计能源19912220 号文 “关于万家寨水利枢纽水电站厂房位置的函”批示“万家寨水利枢纽水电站厂房位置， 经专家技术经济论证后，确定将水电站厂房放在内蒙古自治区一侧。枢纽管理机构考 虑引黄入晋统一管理调度，设在山西一侧。 ” 1992 年 3 月 25 日，中国国际工程咨询公司对“黄河万家寨水利枢纽及引黄工程 设计任务书”进行了评估审查。嗣后，天津设计院进一步开展了万家寨水利枢纽初步 设计工作，编制了黄河万家寨水利枢纽初步设计说明书 。 1992 年 10 月 13 日，水利部、山西省、内蒙古自治区联合上报水计199291 号文 “关于万家寨水利枢纽和引黄入晋引水工程立项和开工建设的报告” 。1993 年 2 月，国 家计委计农经1993250 号文“印发关于万家寨水利枢纽和引黄入晋引水工程可行性 研究报告的请示的通知”中批示“我委关于审批黄河万家寨水利枢纽和引黄入晋 引水工程可行性研究报告的请示业经国务院批准” 。万家寨水利枢纽工程即日立项。 1993 年 4 月 2225 日，水利水电规划设计总院会同内蒙古自治区、山西省计委及 水利厅（局）在天津召开了“黄河万家寨水利枢纽初步设计”审查会。1993 年 7 月， 水利部以水规1993328 号文，对万家寨水利枢纽工程初步设计进行了批复， “同意水 规总院的审查意见” ，要求“积极做好下阶段的设计工作，为工程早日开工创造条件” 。 国家计委以计投资19932109 号文将万家寨水利枢纽工程列为 1994 年正式开工的大中 型项目。 根据上级主管部门及工程建设单位的意见，万家寨工程招标设计文件分 4 部分： 标大坝工程标。1993 年 11 月编制完成招标及合同文件，1994 年 1 月售标。 标发电厂房工程标。1994 年 3 月编制完成招标及合同文件，1995 年 1 月售 标。 标设备制造采购标。根据工程施工进度分为 14 个子标，按照工程进展情况 4 4 陆续编制完成了各标的招标及合同文件。 标前期准备工程标。1993 年陆续编制完成各部分招标、议标及合同文件。 在初步设计审查之前，天津设计院随即开展了技施设计阶段的工作，随着 1994 年 11 月主体工程开工，进入施工详图设计高峰作业。 1995 年 4 月，根据河床左侧坝基开挖情况，天津设计院编制了黄河万家寨水利 枢纽关于基础评价及处理意见的报告 。4 月 35 日，水利部万家寨水利枢纽工程建设 管理局和水利水电规划设计总院联合主持召开了大坝基础鉴定会。1995 年 5 月，水利 部水利水电规划设计总院以水规设字19950016 号文对天津设计院编制的基础处理意 见报告进行了批复。1996 年 5 月 1821 日，天津设计院主持召开了万家寨水利枢纽大 坝基础鉴定会，万家寨水利枢纽工程建设管理局及东北设计院万家寨工程监理的领导 和专家参加了会议。1996 年 10 月，天津设计院编制完成黄河万家寨水利枢纽关于河 床右侧坝基与厂房基础评价及处理意见的报告 ，上报水利部水利水电规划设计总院。 1995 年 12 月，天津设计院编制了万家寨水利枢纽防火设计报告 。1997 年 3 月 5 日至 6 日，由内蒙古自治区公安厅消防局主持对该报告进行了审查，并形成了会议纪 要。1997 年 9 月 16 日，内蒙古自治区公安厅消防局以内公消（防）字1997108 号文 对万家寨水利枢纽工程防火设计审查会议纪要进行了批复， “万家寨水利枢纽防火设 计报告是比较科学的，可行的，基本上符合国家消防规范的要求，原则上予以通过” 。 1996 年 2 月 12 日，水利部水利水电规划设计总院主持会议对天津院编制的 万家寨水利枢纽电站坝段浅埋式压力钢管设计报告进行了审查，审查结论为： “同意修改原设计，将坝内埋管式压力钢管改为坝内浅埋式压力钢管” 。1996 年 2 月 12 日，水利部水利水电规划设计总院以水规设计19960002 号文印发了审查意见。 万家寨水利枢纽工程的水库淹没处理与库区移民安置，党和国家十分重视。在各 级领导的关怀和指导下，天津设计院与各级地方政府和有关部门一起进行了大量的工 作。万家寨水利枢纽工程初步设计审查会后，根据审查会意见，天津设计院于 1996 年 5 月编制完成了黄河万家寨水利枢纽工程初步设计水库淹没处理报告（修订本） ， 1996 年 6 月，由水利部水利水电规划设计总院主持对该报告进行了审查。根据审查意 见，天津设计院于 1996 年 7 月编制完成了万家寨水利枢纽工程初步设计水库淹没处 理设计简要报告 。1996 年 12 月，根据万家寨水利枢纽工程建设领导小组第五次（扩 大）会议精神，天津院又对该“设计简要报告”进行了修改，编制完成了万家寨水 5 5 利枢纽工程初步设计水库淹没处理设计简要报告（重编） 。 1997 年 3 月，电力工业部电力规划设计总院以电规规（1997）21 号文发出“关于 发送万家寨水电厂接入系统方案意见的通知” ， “原则同意万家寨水电厂以 220 千伏电 压等级接入系统，万家寨水电站 220kV 出线六回，其中山西出线三回，两回至方城 （235km） ，一回至原平（180km） ；内蒙出线三回，一回至薛家湾（60km） ，一回至昭 君墓（115km） ，预留一回备用。 ” “电厂投产后主要用于系统调峰” 。 1997 年 5 月，天津院编制完成了万家寨水利枢纽工程大坝安全监测自动化系统 设计报告 ，同年 7 月 34 日，水规总院在北京召开会议，对该报告进行了审查，并 于 7 月 21 日以水规设199732 号文件下发了审查意见。 1997 年 5 月，天津设计院编制了黄河万家寨水利枢纽采用低热微膨胀混凝土设 计报告 。同年 7 月，水利部水利水电规划设计总院在北京组织专家对该报告进行了审 查，认为万家寨水利枢纽工程采用低热微膨胀混凝土筑坝技术，对解决温度控制及其 抗裂性能是有益的，可简化温控措施，加快施工进度，获得一定的技术经济效益，对 低热微膨胀混凝土筑坝技术的提高和推广应用也具有积极作用。同意在边坡坝段、施 工导流底孔封堵、压力钢管槽回填等部位采用低热微膨胀混凝土。 1996 年 1 月 19 日，水利部水利水电规划设计总字以水规概字19960001 号文，下 达了“关于对万家寨水利枢纽工程修改概算编制要求的通知” 。1996 年 5 月 2023 日 和 8 月 69 日，修建概算先后由水利部水利水电规划设计总院和水利部组织进行了两 级审查。1997 年 1 月，国家计委重点建设司与中国国际工程咨询公司组织了工程调整 概算审查会。在会上同时对水利部审查上报的天津设计院根据初步设计审查意见重新 编制的水库淹没处理规划设计报告进行了审查。1997 年 9 月，国家计委以计建设1997 1701 号文对水库淹没及专项淹没处理补偿投资概算作了批复。1997 年 10 月，国家计 委以计建设19971993 号文对万家寨水利枢纽工程调整概算进行了批复。 1998 年 1 月 7 日至 8 日，由电力工业部电力规划设计总院主持在北京召开了万家 寨水利枢纽水电站接入系统（二次部分）审查会，对山西省电力设计院、内蒙古自治 区电力勘测设计院的接入系统（二次部分）进行了审查。1998 年 1 月 24 日，电力工业 部电力规划设计总院以电规规（1998）5 号“印发万家寨水电站接入系统设计（二次部 分）审查意见的通知” ，作了批复。 1998 年 8 月，为配合水库下闸蓄水和第一台机组并网发电，天津院先后编制了 万家寨水利枢纽工程设计工作报告以及万家寨水利枢纽工程下闸蓄水及施工期 6 6 发电设计文件（一）（十四） 。1998 年 10 月2000 年 11 月，为配合每台机组发电， 天津院先后编制了 1#6#机组启动验收设计报告。 1999 年 8 月，天津院针对河床坝基层间剪切带加固处理编制了黄河万家寨水利 枢纽工程河床坝基及发电厂房基础评价及处理报告 ，上报水利部水利水电规划设计总 院。1999 年 12 月水利部水利水电规划设计总院以水总设199955 号文下发了对该报 告的审查意见， “基本同意坝基浅层抗滑加固处理采用化学灌浆与抗剪平硐结合的综合 处理方案，采用三条抗剪平硐及化学灌浆” ， “对平硐位置作进一步优化。尽快进行 生产性化学灌浆，对化灌范围作进一步调整，合理选择灌浆工艺、参数和化灌后剪切 带抗剪强度。 ”遵照水规总院审查意见，天津院对加固处理方案进行了优化，并于 2001 年 3 月编制完成了黄河万家寨水利枢纽河床坝基层间剪切带抗剪强度指标论证及坝 基浅层抗滑稳定分析与处理设计修编报告 ，上报水规总院。 1999 年 4 月，天津院编制了黄河万家寨水利枢纽泄水坝段下游防护设计报告 ， 上报水利部水利水电规划设计总院。1999 年 10 月 1013 日，水规总院在万家寨枢纽 工地主持会议，对该报告进行了审查，并于 1999 年 12 月 24 日以水总设199955 号文 下发了审查意见， “同意对泄水建筑物下游增设防护处理”， “基本同意工程防护处理措施。 包括加厚已有的防冲板并在其下设置帷幕、防冲板下基岩固结灌浆、增设防冲齿板及 锚筋桩等”。 2001 年 7 月，为配合枢纽工程竣工验收，天津院编制了万家寨水利枢纽工程技 施设计说明书共十一篇。 7 7 3 规划设计要点 3.1 水文 3.1.1 流域概况 万家寨水利枢纽位于黄河中游北干流上段，坝址以上流域面积为 394813km2。坝址 河段河道比降为 1.24，河宽在 300500m，呈 U 形河谷，河底为基岩，两岸滩地为 砂卵石淤积物。 万家寨水利枢纽溯黄河以上，以河口镇为界，称之为上游，沙量较少，水量较丰， 是黄河水资源的主要来源区。河口镇至万家寨水利枢纽坝址有大黑河、红河（也称之 为浑河）和杨家川等支流汇入黄河。 万家寨水利枢纽坝址以下 25km 和 95km 分别为龙口水利枢纽坝址和已建成的天桥 水电站。 万家寨库区两岸为干旱、半干旱的黄土高原丘陵区。本区属温带季风大陆性气候。 年平均气温为 7左右，绝对最高气温 38.1，绝对最低气温-31.0，日温差较大。 冬季严寒，时间长气候干燥，且多风沙。春秋时间短，四季分明。年降水量在 300500mm 之间，多年平均水面蒸发量达 2000mm。 3.1.2 径流 万家寨水利枢纽坝址径流可分为两部分。第一部分是河口镇站径流，第二部分是 河口镇站至万家寨水利枢纽坝址区间径流。河口镇径流比重约为 98%。 第一部分河口镇径流。黄河水利委员会将实测径流插补延长，提供 1919 年 5 月至 1986 年 6 月共计六十七年实测径流系列；又经过恢复上游水库蓄变量再加上相应月份 的工农业用水量，求得天然径流量。同时也提供六十七年天然径流系列。其多年平均 水量为 325 亿 m3。 西北勘测设计院用天然径流经过上游水库调节，以及扣除 2000 年水平上游工农业 用水，提供六套河口镇站设计年径流资料，其中河口镇站补水 250m3/s 时，无黑山峡 方案，考虑安宁渡站至河口镇之间的河道损失 8.6 亿 m3，多年平均水量 192 亿 m3。 第二部分径流，计算区间 1955 年至 1986 年系列历年逐月流量，其多年平均水量 3.5 8 8 亿 m3。 3.1.3 设计洪水 万家寨河段的洪水有来自河口镇以上黄河上游地区产生的洪水和河口镇到万家寨 区间产生的洪水。 调查洪水用黄委会设计院汇编的“黄河流域洪水调查资料”中确定的数值，即 1969 年为 11400m3/s，1896 年为 10600m3/s。1896 年洪水的重现期为 86 年到 153 年。 万家寨有十余年水位流量系列，并参照河口镇河曲及支流红河、偏关河来水情况， 求得不连续的 18 年系列，加入调查洪水，用数学期望公式计算经验频率，选用皮尔逊 型理论频率曲线以适线法确定参数，求得坝址设计洪水成果见表 3-1。 河口镇到万家寨区间洪水用支流红河放牛沟站实测 27 年系列，考虑 1896 年调查 洪水求得放牛沟站的设计洪水后，按面积比 0.5 及 0.75 次方放大到区间，成果见表 3- 2。 万家寨设计洪水成果表 表 3-1 单位：流量：m3/s；洪量：亿 m3 频 率 （%） 项 目均值 CvCs/Cv 0.010.020.10.21251020 最大流量 39000.583212001980016500151001170010300835069005380 一天洪量 2.550.4139.338.827.627.115.875.304.563.953.32 三天洪量 7.320.41326.7925.3321.8920.4216.8415.2313.1011.359.52 五天洪量 11.80 0.42344.2541.7736.1133.5127.6124.9021.3618.4115.46 十五天洪量32.10 0.46 2.5125.51109.14102.0895.3478.3270.6260.0352.0043.01 黄河河万区间设计洪水成果表 表 3-2 P （%） 项 目 0.010.020.10.21251020 最大流量(m3/s) 1935017490133601161076606050403026601450 24 小时洪量(万 m3) 4470040840319202815019530159301133080605000 三天洪量(m3/s) 48710447603561031710227501888014020104306980 五天洪量(m3/s) 50260462203716033170241102023015210115307910 根据以上分析计算，组成万家寨坝址设计洪水有两种可能：一是河口镇以上洪水 9 9 与坝址洪水同频率，河万区间洪水相应；一是河万区间洪水与坝址洪水同频率，河口 镇以上洪水相应。鉴于内蒙古萨拉齐地区堤防标准是 6000m3/s，所以对大坝安全威胁 较大的洪水组成是：河万区间洪水与坝址洪水同频率，河口镇以上洪水相应。因此万 家寨坝址用这种洪水组成进行调洪计算。 设计洪水过程线是用 1969 年实测过程线，以峰量同频率分段控制求得。 3.1.4 泥沙 万家寨坝址的输沙量一部分来自河口镇以上黄河，一部分是河万区间所产生的沙 量。 经过黄委设计院提出的河口镇站水量与输沙量各月相关线，算出与西北院提供的 径流相应的河口镇站 19551986 年各月输沙量。经过支流红河放牛沟站的侵蚀模数修 正后，推算河万区间输沙量，将这两部分相加，得出万家寨河段 19551986 年各月平 均输沙量。 河口镇实测输沙量 1.41 亿 t，实测多年平均含沙量 5.7kg/m3。 河口镇设计输沙量 1.08 亿 t。河口镇至万家寨区间设计输沙量 0.41 亿 t。万家寨 坝址设计输沙量 1.49 亿 t，设计含沙量为 6.6kg/m3。 3.1.5 冰情 万家寨库区上游，是内蒙古河套地区。地处北纬 3940之间，气候严寒，冰 冻期长达五个月之久。 万家寨库区河段，流凌一般在 11 月下旬开始，第二年 3 月下旬结束。实测最大冰 厚 0.5m，最大冰块 3m2。本河段河床较窄，比降较大，水流湍急，一般年份不封冻， 而 1966 年 1 月 3 日起曾封冻 6 天。 头道拐水文站冬季封冻，春季开河。冬季封冻前，有一个流凌期。冬季流凌比万 家寨河段提前 10 天左右。以往每年多次封冻，1968 年以后，冬季流量增大，封河初期 冰花很快就被带走，封冻次数有所减少。春季开河，造成量多、质坚块大而集中的流 冰，三至四天内，就能全部排泄完毕。若遇一定地形条件，容易卡冰结坝或冰塞。乌 达大桥以上有冰坝壅水 67m 的最高记录。天桥电站 1978 年也有冰坝壅水 5.5m 的最 高记录。 对万家寨河段冰量进行了估算。冬季封河期最大冰量 4020 万 m3，春季开河期最大 冰量约 5000 万 m3；万家寨库区盖面冰约 1000 万 m3。万家寨春季开河时的总冰量约 6000 万 m3。 1010 3.1.6 坝址水位流量关系 万家寨坝址指中坝线下游 300m 处。根据其下游 2km 处水文站断面有关要素，推 算而得到坝址水位流量关系。见表 3-3。 万家寨坝址水位流量关系表（中坝下 300m） 表 3-3 水位 m 899900901902903904905906907 流量 m3/s 6201360244038505520732093101137013500 3.2 工程地质 3.2.1 库区工程地质 枢纽两岸地层为寒武系张夏组、崮山组、长山组、凤山组和奥陶系冶里组、亮甲 山组、下马家沟组的碳酸盐岩。库区左岸岩溶地下水高于库水位，补给库水。库区右 岸岩溶地下水位比正常库水位低 90110m。右岸渗漏是水库主要工程地质问题。 前期勘察阶段曾判断库区右岸岩溶渗漏有如下特征： (1)渗漏形式为岩溶裂隙式渗漏。 (2)近岸 2km 地带，在水库蓄水后仍保持较陡的水力坡度，为库水入渗区。 (3)远离岸边地带，在水库蓄水后水位抬高有限，基本保持原来的低缓状态，低 缓带即为库水入渗的直接排泄区。而靠近岸边地带的宽度，为库水渗漏的渗径。 据此边界条件估算，库区右岸岩溶渗漏在最高蓄水位 980.00m 时，总渗漏量最大 值为 10.63m3/s，最小值 4.41m3/s，平均值 6.85m3/s。 在施工运行期，对库区右岸 19 个钻孔的地下水位、下游相关泉水水量实施了长 期监测，并在此基础上，针对重点渗漏段进行了补充勘察，补充勘察及监测资料证实， 前期勘察对库区右岸存在岩溶渗漏的判断是正确的。 库区右岸岩溶渗漏模式以岩溶裂隙式渗漏为主，局部存在集中渗漏。 近岸地带钻孔水位，在水库蓄水后抬高 1240m 不等，个别孔水位，几乎与库 水位同步变化，与库水存在明显的水力联系，基本保持了水库蓄水前较陡的水力坡度； 远离岸边地带（径流区） ，水库蓄水以来，该区钻孔水位虽有变化，但变幅很小，一般 1111 在 0.31.5m 之间，并没有随着库水位抬高而明显抬高。龙口泉群的复活，验证了榆 树湾地段确实为岩溶地下水的排泄区。 目前观测到的渗漏情况是水库暂时性渗漏和永久渗漏的迭加，且以后者为主。 库水主要入渗地段，尤其是阳壕沟大焦稍沟一带的渗透性比原来预料的要强，预测 在水库最高蓄水至 980.00m 时，为 15.81 m3/s。 在主要渗漏段，出现的较大渗漏点或局部集中渗漏，虽然不会改变整个库区右 岸岩溶渗漏模式，鉴于本区岩溶发育特征及 F4断层带在长期渗流水作用下可能进一步 恶化等因素，仍需对已发现的集中渗漏点和集中渗漏地段及早采取处理措施，对 F4断 层发展趋势及库区右岸岩溶地下水动态加强监测，并对主要入渗段进行相应的工程处 理，使其渗漏量降低到最小程度。 3.2.2 坝址工程地质 3.2.2.1 地质概况 黄河在坝址区自北向南流，河谷呈“U”型，谷宽 430 余米，岸壁高 110 余米。 河床地层主要由寒武系中统张夏组中厚、薄层灰岩、鲕状灰岩、薄层泥灰岩及页岩 组成。两岸坝肩地层主要由寒武系中统凤山组、长山组、崮山组中厚、薄层灰岩、白 云岩、白云质灰岩、鲕状灰岩、竹叶（砾）状灰岩、泥灰岩及条带状灰岩组成。地层 产状平缓，走向 NE3060，倾向 NW，倾角 23，发育有规模不等的层间褶皱、穹 隆、裂隙及层间剪切带。 本区位于山西台背斜与鄂尔多斯台向斜的过渡带上，属构造稳定区。坝址方圆 10km 范围内无大的构造通过，坝址地段岩体坚硬、完整，断层不发育，而且规模很小。 枢纽区地震基本烈度为度。 3.2.2.2 坝基岩体分类 枢纽坝基岩体属类岩体。根据张夏组第五层、第四层的不同工程地质特征，可 进一步将张夏组第五层划分为1类、张夏组第四层为2类。 1类：张夏组第五层岩体 主要由中厚层灰岩夹薄层灰岩、鲕状灰岩及少量泥灰岩、竹灰状岩叶状组成。层 状结构，岩体较完整，纵波速度 4000m/s 以上，新鲜状态下灰岩单轴饱和抗压强度在 175Mpa 以上。亲水性差，多属微透水岩体。该层岩体内分布的缓倾角的层间剪切带及 层面裂隙，间距多小于 2m，构成坝基抗滑稳定的控制性滑移面。 1212 2类：张夏组第四层岩体 主要由薄层灰岩、页岩夹泥灰岩、竹页状灰岩组成，呈互层状。其中的泥灰岩和 页岩呈薄层结构，单层厚一般为 0.55cm,呈夹层状分布，占该层总厚的 3545%，其 特点是抗风化能力相对较差，在新鲜状态下十分完整，强度较高，饱和抗压强度平均 值在 80Mpa 以上，纵波速度多在 4000m/s 以上，属微极微透水岩体，该岩体暴露大 气后，应力解除及失水破裂，强度显著降低。 3.2.2.3 层间剪切带 层间剪切带是大坝基础的主要工程地质问题。 河床坝基部位在张夏组第五层共发育有 10 条层间剪切带，自上而下编号为 SCJ01SCJ10，其中 SCJ01SCJ07 在河床左侧坝段基本已被挖除。河床右侧坝基段 SCJ02SCJ06 已尖灭，SCJ01 仅在 15、16、17 号坝段甲块局部保留。其它部分已被清 除。坝基下除 SCJ07 在河床右侧埋深较大并予以保留外，尚未清除的剪切带有 SCJ08、SCJ09 和 SCJ10 三条，其各剪切带在坝基建基面以下埋深分别为：河床左侧 SCJ08 埋深 2.30m；SCJ09 埋深 3.20m，SCJ10 埋深 4.104.30m。河床右侧 SCJ07 埋深 5.70m；SCJ08 埋深 8.00m；SCJ09 埋深 8.90m；SCJ10 埋深 9.8010.00m。 （1）层间剪切带物理性状 各层间剪切带在成因上均属构造运动产生，其产状与岩层层面产状又有区别，现分 述如下： SCJ01：一般厚 4cm，顺和向总体起伏差 0.51.0m，上、下层面粗糙不平，层面起 伏 0.53cm。 SCJ07：一般厚 5cm，自河床左侧向右逐渐变薄，垂直河向整体起伏差较大。在河 床左侧峰距 5080cm，峰谷高差达 1.002.00m；在河床右侧，起伏差较小，为 0.502.00m。层面粗糙不平，可见擦痕，层面起伏一般为 15cm。全坝基贯通。 SCJ08：一般厚度为 4cm，自河床左侧向右逐渐变薄，在河床总体产状平缓无明显 起伏，上、下层面亦较平整光滑，局部可见擦痕。基本是连续展布。 SCJ09：一般厚度 4cm，在河床左侧坝基下局部分布，向河床右侧逐渐变薄，多以 层面裂隙出现。无明显起伏差，上、下面局部可见擦痕；剪切带连通率 10%左右。 SCJ10：一般厚度为 3cm，自河床左侧向右逐渐变薄，垂直河向峰谷高差为 0.501.00m，结构面起伏差一般在 0.502.00m。在11 坝段及泄流冲刷区范围内， 相对连通率 70%左右，在河床右侧其连通率有降低趋势。 1313 各层间剪切带的结构特征具有明显的分带性，按其破坏程度可概括为三种类型，即 节理裂隙带、劈理带、泥化带。节理裂隙带呈片状、碎块状，原岩内部结构遭到极微 破坏；劈理带呈片状、碎屑状，排列方向与上、下岩层呈小角度相交或平行，局部排 列无序；泥化带受错动影响最强烈，呈较连续的岩屑泥或泥质薄膜。 剪切带内泥化物成分近似，碎屑的主要矿物成分为方解石、石英、透长石。土的主 要矿物成分为方解石、伊利石及少量水云母、绿泥石，其水理性质表现遇水不具膨胀 性。 （2）层间剪切带的力学性质 由于层间剪切带结构已遭到不同程度的破坏，完整性较差，其力学指标相对较低。 河床左侧基坑形成后，对 SCJ07SCJ10 剪切带进行了地表、孔内物探波速对比测试， 并考虑其埋深不同剪切带密实程度有所差别等因素，综合得出剪切带波速值如下： SCJ07vp=1100m/s；SCJ08vp=1200m/s；SCJ09vp=1300m/s；SCJ10vp=1400m/s。在河床右 侧坝基，随着剪切带埋深增大，性状变好，其波速值相应提高。 基坑开挖后，重点针对坝基下保留的 SCJ07、SCJ08、SCJ09、SCJ10 四条层间剪切 带在不同的工程部位进行了五次室内及现场大中型抗剪强度试验。历次试验综合统计 成果见表 34。 左侧坝基层间剪切带抗剪试验综合统计成果汇总表 表 34 抗剪强度指标 剪切带编号试验整理方法 fc(MPa) 备注 SCJ10 群点法中值 0.620.32 大剪试验 算术平均值 0.700.26 常规法 小值平均值 0.670.23 中值 0.650.29 含泥膜 0.680.25 SCJ10 群点法 中 值 不含泥膜 0.620.31 算术平均值 0.640.23 SCJ08 常规法 小值平均值 0.630.18 中剪试验 1414 （3）层间剪切带抗剪强度指标建议值 以试验成果为基础，并考虑试验条件及试验成果分析取值方法，依据各层间剪切带 工程地质特征及在河床坝基的变化情况，以及工程的具体情况，提出层间剪切带建议 指标如表 35。 坝基层间剪切带抗剪强度指标地质建议值 表 35 抗剪指标建议值 剪切带编号位 置 fc(MPa) SCJ01 右侧坝基 0.350.20 SCJ07 右侧坝基 0.500.25 坝段 0.500.28 坝段 11 0.520.30 SCJ08（SCJ10） 坝段 12 19 0.550.35 3.3 工程规划 3.3.1 最高蓄水位选择 最高蓄水位的选择，主要从泥沙、防凌和经济性等因素来分析。 经过经济比较，综合考虑，选定最高蓄水位为 980m。其理由是，与 975m 比较，替 代容量多 3 万 kW，库容多 1.2 亿 m3，供水期多 15m3/s 调节流量；有利于防凌；经济效 益好。 3.3.2 排沙期最低运用水位选择 排沙期最低运用水位比较了 955m、952m 和 948m 三个方案。经济比较，选定 952m 方案。其理由是，最低运用水位 955m 和 952m 方案相比，电力效益较好，淤积末端相 同。但考虑泥沙随机性，选用 952m 作为工程资料计算依据和运用水位，是留有余地的。 3.3.3 装机容量选择 在已选定最高蓄水位 980m、排沙期为八、九月和排沙期最低运用水位 952m 条件下， 进行装机容量的选择。比较方案为 90 万 kW、108 万 kW 和 126 万 kW。 万家寨水利枢纽电站在华北电网负荷图的工作位置处于官厅、潘家口和十三陵等 1515 已运行的电站以下。 万家寨水利枢纽电站装机容量的选择是考虑水火电补偿后确定的。经过经济分析， 装机容量选为 108 万 kW。其理由是：从 90 万 kW 到 108 万 kW 两个比较方案之差值效益 费用比为 2.51，是十分经济的；从 108 万 kW 到 126 万 kW，其差值效益费用比为 0.93，同时本枢纽电站在四月至八月五个月的受阻出力超过了电网出力下降容许值 11 至 18 万 kW。针对选定 108 万 kW 装机，研究只投入晋蒙分网的情况，结果与投入华北 全网有相同的替代效益。这种装机容量的机组年发电量为 27.5 亿 kWh。相应的机组 利用小时数为 2546 小时。 3.3.4 洪水调节 本枢纽工程挡水建筑物按千年一遇洪水设计和万年一遇洪水校核。同时进行了枢 纽挡水建筑物按五百年一遇洪水设计和五千年一遇洪水校核的调洪计算。 黄河包头至河口镇堤防安全泄量为 6000m3/s。因此，河口镇洪水过程小于或等于 6000m3/s。采用河口镇至万家寨坝址区间洪水与坝址洪水同频率，河口镇洪水相应洪 水，作为入库洪水。采用泄流排沙规模 952m 水位的泄流能力为 5623m3/s 等一套泄流 曲线，起调水位为 966m，进行调洪，得出： 万年一遇洪水和五千年一遇洪水的洪峰分别为 21200m3/s 和 19800m3/s 时，调洪后 的校核洪水位相应为 979.1m 和 977.79m，其相应最大泄量为 8221m3/s 和 8086m3/s。 3.3.5 水库调度 万家寨水利枢纽采取“蓄清排浑”运用方式。库水位除满足泥沙冲淤要求以外， 还要满足防洪、防凌和机组发电等对水位的要求。 八月和九月排沙期内，当入库流量小于 800m3/s 时，库水位在952m 至957m 之 间进行日调节运行；当入库流量大于或等于 800m3/s 时，水库进行不完全日调节，部 分时间库水位保持在952m 运行，排沙发电；当入库流量等于五台机最大过流能力 1300 m3/s 时，电站带基荷或弃水带峰，其中当入库流量大于 1000 m3/s 时，库水位降 低至948m，冲沙 57 天。 汛期防洪限制水位，在七月至十月上半月为966m，十月下半月逐渐蓄高，至十 月底蓄到970m，如预报河口镇有洪水，便仍在洪水前降至966m。 三月一日至四月上旬，上游流冰入库，流凌开始时水位降至970m。十一月中旬 以后，上游封冻流冰花入库，水库蓄水不超过975m。冰花结束后，库水位逐步提到 977m。十一月到翌年四月，水位不低于970m，保证发足额定出力。 1616 3.3.6 水库冰情和防凌措施 万家寨水利枢纽上游内蒙古河段，在冬季，由流凌而封冰；在春季解冻开河。在 此两个时期，有流冰进入万家寨水利枢纽。 分析结果表明，冬季封河期最大入库冰量约 5000 万 m3，发生在 1968 年；库区水 面面积在水位 970 至 975m 时为 2125km2，开河时冰量厚度一般约 0.5m，冰量约 1000 万 m3。万家寨水利枢纽春季开河时的总冰量估算最大为 6000 万 m3。 防凌措施主要是调节冰期运用水位，使上游来冰蓄入万家寨水利枢纽库区，并以 不影响拐上断面为准。在冬季流凌封冰期，有大量冰花流入库区，在封冻前的流凌时 段，保持库水位在 975m 以下。入库流凌比降保持在 30/000到 120/000，便于流凌顺利入 库。另外，采取降低水位预留一定库容容纳冰量，则冰凌蓄于库内将不致影响拐上及 其上游河道。待上游河道封冻稳定后，视具体情况，再适当提高水库运行水位。在春 季开河前，采取迅速升降水位的办法，促使水库盖面冰破坏和融化。水位降到 970m 保 持正常发电，这样 970m 至 980m 之间有库容 2.4 亿 m3，可作临时（几天内）容纳冰量 之用。 万家寨水利枢纽的建成和运用，使枢纽电站的出流水温将有所提高，对下游天桥 水电站和即将建设的龙口水利枢纽的防凌有利。 3.4 工程布置及主要建筑物 3.4.1 工程等别与标准 万家寨水利枢纽工程主要任务为供水结合发电调峰，同时兼有防洪、防凌作用。 水库总库容 8.96 亿 m3，电站总装机容量 1080MW，为一等大（1）型规模，主要建筑物 为 1 级水工建筑物，次要建筑物为 3 级水工建筑物。 工程永久性水工建筑物正常运用（设计）洪水标准洪水重现期为 1000 年（各年一 遇） ，非常运用（校核）洪水标准洪水重现期为 10000 年（万年一遇） 。 枢纽区场地地震基本烈度为 6 度，主要建筑物地震设防烈度为 7 度。 3.4.2 枢纽总布置 万家寨水利枢纽由拦河坝、坝后式电站厂房、电站引水系统、泄水建筑物、引黄 取水建筑物、厂坝间全封闭组合电器（GIS）开关站等建筑物组成。 拦河坝为半整体式混凝土直线重力坝，坝顶长 443m，坝顶高程 982.00m，最大坝 高 105m。拦河坝自左向右共分为 22 个坝段。 引黄取水口布置在、坝段，共 2 孔，孔口尺寸为 4m4m，单孔最大引水流量 1717 24m3/s。取水口采用分层取水方式以引取水库表层清水。 泄水坝段布置在引黄取水口右侧，泄水孔口自左至右依次为表孔、底孔和中孔。 表孔主要担负枢纽宣泄超标准洪水和部分排冰任务，设在坝段，孔口宽度为 14m，堰 顶高程为 970.00m，最大泄量 864m3/s。底孔为枢纽主要泄洪排沙建筑物，设在 坝段，共 8 孔，孔口尺寸 4m6m（宽高） ，底坎高程 915.00m，单孔最大泄量为 719 m3/s。中孔为枢纽重要泄洪排沙建筑物，也是主要的排漂建筑物，设在、坝段， 共 4 孔，孔口尺寸为 4m8m，底坎高程为 946.00m，单孔最大泄量为 675 m3/s。泄水坝 段下游均采用长护坦挑流消能。 隔墩坝段布置在中孔坝段右侧，内设电梯井、楼梯井和电缆竖井。隔墩坝段右侧 为电站坝段（坝段） ，坝上设六个发电引水钢管进水口。进水口底坎高程为 12 17 932.00m。引水钢管为坝内浅埋式压力钢管，管径 7.5m。在坝段每个进水口左 13 17 下侧各设一条排沙钢管。排沙钢管共 5 条，进口呈虹吸式布置，坝面进口高程为 912.00m，驼峰底坎高程为 917.00m，坝内钢管直径为 2.70m，库水位 952.00m 时单孔 泄量为 57m3/s。工业取水口设在右岸非溢流坝段（坝段） ，共 2 孔，孔口尺寸为 18 1.4m1.6m，进口底坎高程为 945.55m，正常取水流量为 8400 m3/h。 电站厂房为坝后式厂房，主厂房内设六台单机容量为 180MW 的混流式水轮发电机 组，机组间距 24m。主厂房总长 196.55m，上部宽 27.00m，下部宽 43.75m，总高度 56.30m。电站副厂房位于主厂房右侧，与主厂房呈“T”形布置。副厂房长 67.35m，宽 15.00m，地下两层，地上八层，总建筑面积 8330m2。 电站输电电压为 220kv。主变压器布置在厂坝间 909.00m 平台，与厂房发电机层同 高程。主变压器共六台，一机一变。开关站为 220kV SF6封闭式组合电器开关站，位于