下水库的设计布置探讨

下水库由拦河坝和拦沙坝围筑形成，拦河坝位于大西沟沟口上游约480m，拦沙坝位于西窑子下游约1km，距拦河坝约740m，泄洪排沙洞及下水库进/出水口布置在左岸。

拦沙坝和拦河坝均采用碾压混凝土重力坝，坝顶高程系由下水库库面内降雨形成的洪水标准经坝顶超高计算确定，均采用1401.00m高程，并设置1.2m高防浪墙。左岸泄洪排沙洞采用有压短管进口接明流泄洪隧洞的形式，按宣泄拦沙坝址处2000年一遇洪水设计，能够保证拦沙库洪水及泥沙不进入下水库。下水库正常蓄水位为1400.00m，死水位为1355.00m。为避免下水库泥沙对机组的磨损，库盆采用封闭形式，对库内固体径流进行防治，将右岸库坡表面不稳定的覆盖层进行清理，并将库盆内在高程1340.00m以上部分的河床覆盖层全部清除。由于清理后的库盆仍不能满足电站所需调节库容的要求，还需对下水库左岸山体进行开挖。在开挖过程中，经开挖揭露实际地质条件，拦沙/河坝建基面均有不同程度降低。加之左岸1409出线场开挖对左岸进/出水口位置地质条件进一步复查，调整进/出水口位置。开挖处理后的下水库总库容为733.91万m3，调节库容为666.10万m3，死库容为60.79万m3。

为满足下水库补水的要求，在拦沙坝上设置自流补水钢管。当下水库需放空检修时，在拦河坝前放置潜水泵，将排水管与预埋在拦河坝上的放空钢管连接，使下水库库水排往下游。

图1.4.3　下水库拦河坝剖面图

注：图中尺寸单位为mm，高程、桩号单位为m。

（1）拦沙坝布置。

采用碾压混凝土重力坝坝型，坝轴线方位NE7°29′45″。其主要作用为挡水挡沙，需保证上游来沙及2000年一遇的非常运用洪水不进入下水库。拦沙坝全为非溢流坝段，除左右岸部分高度较小为常规混凝土重力坝外，其余坝段为碾压混凝土重力坝，采用金包银方式修筑。坝顶高程为1401.00m，坝顶宽度为6.0m，在坝顶下游设置防浪墙，上游设置栏杆，防浪墙和栏杆顶高程均为1402.20m。拦沙坝河床坝基坐落在片麻状黑云母花岗岩弱风化中部，建基高程为1343.00m，最大坝高为58.0m，对应坝底宽度为58.0m，上、下游坝坡根据双向挡水要求经稳定应力计算确定为1∶0.5，起坡点高程为1395.00m。坝顶长200.0m，坝体不设纵缝，只设横缝，共分12个坝段，横缝间距除右岸端头1个坝段和左岸端部3个坝段宽度为14.0m外，其余坝段宽度采用18.0m。拦沙坝在上、下游常态防渗混凝土后设竖向排水管，坝基进行固结灌浆，陡坡部位还进行接触灌浆，坝基上、下游设防渗帷幕，并在防渗帷幕后及坝基中间位置设排水孔，坝基设置完全抽排系统。为满足灌浆、排水、观测和交通要求，坝体内设上、中、下三层廊道，各层廊道间通过廊道、电梯或竖井互相连通，并设通向坝顶的出口。

（2）下水库补水设施。

呼和浩特抽水蓄能电站地处干旱地区，哈拉沁沟流域多年平均降水量仅为368mm，水量缺乏。电站的上、下水库均是完全封闭的，地表天然径流无法进入上、下水库，在电站运行初期，需要采取人工措施，对上、下水库进行充水；在电站投入正常运行后，由于上、下水库以及水道系统的蒸发、渗漏，损失一部分水量，还需对电站进行长期补水。电站充水、补水水源取自下水库上游约2.6km处在建的哈拉沁水库，其总库容为6730万m3，死库容为1300万m3，调节库容为1986万m3，具有多年调节能力，可以调蓄哈拉沁沟的径流。

下水库补水措施考虑了三种方案：①拦沙坝坝体内埋管自流补水，在拦沙坝坝体内水平埋设一根钢管，钢管内径为1.0m，壁厚16mm，钢管中心线高程为1385.50m，钢管长14.5m，并在管道中间部位设置两道阀门，以便进行充水操作；②利用下水库放空潜水泵进行补水，由于补水和检修、放空工况不可能同时发生，利用放空配备的5台潜水泵进行下水库补水，设计补水强度为4620m3/h；③考虑从哈拉沁水库通过管道直接引水至下水库。

通过综合比较认为，方案①结构设计简单，操作较方便，节省运行费用；而方案②所需的潜水泵下水库放空时安装在拦河坝坝前，补水时安装在拦沙坝坝前，安装搬运及操作较为困难，且运行费用较高；方案③投资和运行费用较高，线路长管理不方便。因此，下水库的补水方案采用拦沙坝坝内埋管自流方式。下水库补水钢管设在拦沙坝河床中部（5号坝段）坝体内埋管自流补水，埋管进口中心线高程为1385.50m，埋管设1%纵坡。控制阀门比较了电动蝶阀、电动闸阀和电动旋切阀，由于电动蝶阀体积小，重量小，可减少对坝体的削弱，且价格低，因此在管道中间部位设置两道电动蝶阀。阀门操作室长4.0m、宽4.0m、高3.5m，为维修方便，还在上层廊道布置了设备吊物孔，其尺寸为1.5m×2.0m。

（3）拦河坝布置。

采用碾压混凝土重力坝坝型，坝轴线方位NE57°31′4″。主要作用为挡水，与拦沙坝联合围筑形成蓄能电站下水库。拦河坝全为非溢流坝段，除左右岸部分高度较小为常规混凝土重力坝外，其余坝段为碾压混凝土重力坝，采用金包银方式修筑。坝顶高程为1401.00m，坝顶宽度为6.0m，在坝顶上游设置防浪墙，下游设置栏杆，防浪墙和栏杆顶高程均为1402.20m。拦河坝河床坝基坐落在片麻状黑云母花岗岩弱风化中部，建基高程为1328.00m，最大坝高为73.0m，对应坝底宽度为52.6m，坝坡根据挡水情况经稳定应力计算确定，上游坝坡上部直立，下部为1∶0.1，起坡点高程为1355.00m；下游坝坡为1∶0.7，起坡点高程为1395.00m。坝顶长236.0m，坝体不设纵缝，只设横缝，共分14个坝段，右岸端部3个坝段和左岸端部1个坝段宽度为14.0m，其余坝段宽度为18.0m。拦河坝在上游常态防渗混凝土后设竖向排水管，坝基进行固结灌浆，陡坡部位还进行接触灌浆，坝基上、下游设防渗帷幕，并在防渗帷幕后及坝基中间位置设排水孔，坝基设置完全抽排系统。为满足灌浆、排水、观测和交通要求，坝体内设上、中、下三层廊道，各层廊道间通过廊道或竖井互相连通，并设通向下游坝面的出口。下水库放空钢管设在河床中部，采用闸阀控制。

（4）下水库放空设施。

下水库库盆未设防渗衬护，考虑进/出水口、库岸检修，以及库内排洪清淤，需设放空设施。为减少下水库放空后补水和放空建筑物尺寸，将调节库容放在上水库，只需放空死库容，按放空时间为7天设计。如采用河床中部坝身开孔方案，由于下游原地面高于下水库死水位，无法放空库水，比较了泵排水和放空洞两个方案。

泵排水方案包括坝前式、坝顶式和坝后式三种。坝前式采用潜水泵，泵直接放入下水库，在坝体内设排水管及阀门；坝顶式采用深井泵，在泵房的下方设泵坑，排水管道及阀门明敷；坝后式采用离心泵，在坝后设泵房，通过引水管道把水引出后经水泵加压排出。放空洞方案为预可推荐的下水库放空方案，放空洞沿左岸下游山体穿左岸拦河坝坝基布置，采用有压洞，洞径3.0m，洞长1300.0m，进口高程为1345.00m，出口高程为1340.00m，纵坡0.385%，在坝基下的廊道内设两道高压闸门，洞身采用0.5m厚混凝土衬砌，初估土建投资达1150万元。

经技术经济比较，采用坝前式泵排水无需泵房，土建工程量小，造价低，且避免了放空洞方案与地下厂房的交通洞存在交叉的问题，故采用坝前式泵排水放空方案。排水流量按4620m3/h设计，潜水泵为五台，其中四台工作，一台备用。型号为Q=800～1900m3/h，H=45～34m，W=280kW。在拦河坝8号坝段中间1366.00m高程预埋5根放空钢管，钢管直径40cm、壁厚10mm、间距2.5m。采用两道闸阀控制，放空阀操作室在中层交通兼排水廊道下游局部扩宽，长16.0m、宽4.0、高2.5m。当下水库需要放空时，可临时租用汽车吊或采取其他措施将潜水泵放入下水库，将潜水泵软管与坝体预埋钢管连接牢固，使库水通过坝体钢管排往下游。

（5）泄洪排沙洞布置。

泄洪排沙洞为1级建筑物，为确保洪水回水不淹哈拉沁水库挡水坝坝脚，正常运用洪水标准为2000年一遇，其洪峰流量为737m3/s，消能防冲正常运用洪水标准为100年一遇。泄洪排沙洞具有放空拦沙库及泄洪拉沙功能。

泄洪排沙洞兼施工导流洞，利用河道左岸凸曲段，洞线裁弯取直布置在山体内，洞长552.754m，洞轴线方向NE30°33′18″，岩性主要为吕梁期片麻状黑云母花岗岩和黑云母斜长角闪岩，均为坚硬岩石，片麻理倾角较陡。推测与隧洞相交的小断层和裂隙密集带有13条（表1.4.2），其破碎带宽度最宽2m，一般小于1m，断裂与洞线夹角均大于30°。隧洞区岩体发育两组裂隙，一组走向NE60°左右，以倾向SE为主，少数倾向NW，倾角60°～90°，面平直，无充填物，贯通性较强，延伸长度可达30～50m，密度1～3条/m；另一组走向NW320°～NW330°，以倾向SW为主，少数倾向NE，倾角60°～85°，面平直，贯通性好，无充填物。隧洞上覆岩体厚度大于40m，洞线与库岸人工开挖坡之间的侧向山体厚度120～250m，渗透性较弱，成洞条件较好。泄洪排沙洞结构及地质纵剖面图如图1.4.4所示。

进口位于左四沟上游侧，距拦沙坝约210m，进口前沿正对河道流向，水流平顺；出口布置在左六沟上游侧，距拦河坝约160m，进/出口与大坝的距离均满足施工围堰布置要求。进/出口高程应略高于河床，根据泄洪排沙洞的地形地质条件，综合比较进/出口高程对泄洪能力、施工导流围堰、拦沙库泥沙淤积、洞线纵坡、洞断面尺寸等的影响，确定进口高程为1380.00m，出口高程为1358.00m。

表1.4.2　泄洪排沙洞断层、裂隙密集带汇总

根据拦沙库运用要求，考虑到泄洪隧洞洞线长、流速高、属急流陡坡等特点，为避免出现明满流过渡段，采用有压短进口接明流泄洪隧洞的形式，由引渠、进水塔、明流隧洞、挑坎段和出水渠组成。(www.xing528.com)

进水塔前布置引渠，引渠宽10.7m，底板以1∶3放坡与原河床相接，左岸护坡长10.0m，顶高程为1391.00～1387.67m，从进水塔前直立渐变为1∶0.3。进水塔下部为有压短管进口，进口采用三向收缩，上唇和两侧边墩均采用1/4椭圆，椭圆方程分别为。事故平板门孔口尺寸为7.0m×9.0m，门后压板斜率1∶4。弧形工作门孔口尺寸按拦沙坝挡水水位1400.00m、隧洞下泄2000年一遇洪水737m3/s确定为7.0m×8.0m，在汛期开启泄洪排沙，非汛期下闸蓄水。进水塔底板建基于花岗岩弱风化带中下部，底板厚为2.0m，建基高程为1378.00m，底板长27.3m，宽度为12.0m。闸门检修平台设在塔内1401.00m高程处，下游侧与3号公路连接。启闭机平台位于1416.50m高程，布置一套闸门2×800kN和一套闸门2000kN固定卷扬式启闭机，启闭机室屋顶高程为1421.70m。

明流隧洞长525.437m，断面为7.0m×9.0m（宽×高）的城门洞形，隧洞底坡i=0.0414，洞顶拱中心角110°，保证泄流时水面线在洞身直墙内。洞身大部分在微风化岩石中，围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主。由于洞内流速较大，采用混凝土衬砌。隧洞衬砌内力采用边值计算解法，计算得Ⅱ、Ⅲ类围岩隧洞衬砌厚度为0.6m，Ⅳ～Ⅴ类围岩隧洞衬砌厚度为0.9m。在顶拱范围内进行回填灌浆，回填灌浆孔深入岩石10cm，并对Ⅳ～Ⅴ类围岩裂隙密集带洞段侧壁和顶拱进行固结灌浆，孔深4.0m，孔距4.0m，排距3.0m。为减小洞身外水压力，利用顶拱回填灌浆孔设排水孔，孔深3.0m，孔距4.0m，排距3.0m。水平出口段及挑坎段长23.0m，边墙直立，墙顶高程为1367.00m。水平出口段宽为7.0m，挑坎段两侧以5°向外扩散，挑坎反弧半径为40.0m，挑射角采用20°，挑坎顶高程为1360.41m，末端宽度为9.625m。出水渠向下游两侧仍以5°扩散，上游端长10.0m段设混凝土护坦。

（6）库盆处理。

根据推荐的坝线与坝型，拦沙坝和拦河坝所围的天然库容仍不够，要开挖库岸才能满足下水库调节库容要求。下水库左右库岸岩体条件差别不大，岩性均为片麻状花岗岩，局部有斜长角闪岩残留体；库岸地表未见断层出露，仅在探洞中有所揭露，规模不大，主要结构面为NEE向和NW向两组高陡倾角裂隙，局部有一组NE60°～NE70°缓倾角裂隙，延伸较短；地表岩体一般为弱风化，两岸卸荷裂隙发育，卸荷带水平向深度左岸5～10m，右岸5～19m；地下水对边坡影响较小。下水库两侧库岸岩体可能破坏的形式均为崩塌，NEE和NW向陡倾节理和卸荷裂隙在地表水侵蚀、风化等共同作用下逐渐变宽倾斜，从而失稳。由于库区右岸陡峻，边坡开挖对山坡的扰动大，对山体稳定不利。左岸山梁有一平缓山腿，边坡开挖扰动对山体稳定影响较小，挖出的有效库容和挖方量比比值较大，可部分开挖以增加库容。因此下水库采用左岸开挖以满足调节库容、右岸表面不稳定的覆盖层进行清理和库盆内在高程1340.00m以上部分的河床覆盖层全部清除的方式，以避免下水库泥沙对机组的影响。

为利于开挖边坡和坝肩的稳定，左岸开挖区布置主要考虑上游开挖边界距拦沙坝左坝肩50m以上，要求开挖坡与岸坡节理、裂隙走向大角度相交，对库盆下游原地形坡与岸坡节理、裂隙走向交角较小部位，尽量少挖或不挖。

左岸从环库公路以下采用1∶0.75坡度开挖至1355.00m高程平台，环库公路以上采用1∶0.5开挖坡，总开挖方量为185万m3，其中从正常蓄水位1400.00m至死水位1355.00m之间开挖方量为130万m3，形成了近45m的人工高边坡，根据左岸边坡稳定分析，库岸边坡整体稳定，局部不稳定块体需加强支护。边坡支护形式整体采用挂网（φ8@20×20cm）、喷混凝土（C20，厚度10cm）、打系统锚杆（φ22，L=5m，间距3m×3m），局部采用锚索（200t，长40m）加强支护。

右岸从拦沙坝右坝肩—拦河坝右坝肩不稳定的覆盖层全部清理，局部危岩体清除，下水库内水位变动区的边坡设置随机锚杆（φ22，L=5m）。右岸环库公路以上采用1∶0.5开挖坡，公路边坡采用喷锚挂网打系统锚杆的支护形式。

下水库位于哈拉沁沟河曲段，该段哈拉沁沟谷宽度为90～120m，高程为1358.00～1372.00m，现河床常年有水流通过，覆盖层厚度为18～31m，下伏片麻状花岗岩和斜长角闪岩等，钻孔揭露库底为弱和极弱透水带，到达一定深度后，透水性将变得极微弱，可视为隔水层，因此下水库不存在向库底的渗漏。下水库进/出水口底板高程为1343.00m，为增加调节库容，避免泥沙对机组的磨损，将库盆内在高程1340.00m以上部分的河床覆盖层全部清除。高程1340.00m以下部分的河床覆盖层在库盆内零星分布，高程较低，挖除较为困难，增加的全为死库容，考虑到其高程已低于下水库进/出水口底板3.0m，往复水流不会将细颗粒泥沙带入机组，因此不予清除。对出露的导致库水外渗的断层、长大裂隙等采用混凝土塞进行处理。

（7）下水库固体径流防治措施。

下水库内出露的支沟有六条，其中右岸五条，从上游至下游分别为右五沟、右六沟、右七沟、右七-1沟和右八沟，覆盖层方量约20万m3；左岸一条，为左五沟。支沟内大量的覆盖层如果不进行处理，在发生暴雨等情况下易将固体径流带入下水库，除淤积侵占下水库的调节库容以及堵塞下水库进/出水口外，固体径流挟带的泥沙可能对机组造成磨损。拦沙库内出露的左三沟、左四沟出口距泄洪排沙洞进口和拦沙坝较近，有可能影响泄洪排沙洞正常运行和拦沙坝施工期的安全。因此必须采取措施对这八条支沟进行处理。

下水库内六条支沟的处理基本原则为减少固体径流入库，各支沟处理措施如下：

右五沟谷底出露崩洪积卵砾石夹块石，两侧地表出露坡洪积土夹碎石，下伏崩洪积卵砾石夹块石，以下同为强风化片麻状花岗岩。支沟两侧岸坡基岩裸露，为弱风化片麻状花岗岩，无大的构造，仅发育NW和NE向两组裂隙，岩体较完整，局部有一些危岩和碎石，规模较小。右五沟1500.00m高程以上沟谷开阔，植被较发育，属洪流的形成区，1500.00m高程以下沟谷狭窄，属流通区，上部形成的洪流极易将该处的卵砾石带入库内，因此将高程1500.00m以下的覆盖层全部清除。

右六沟是下水库支沟中规模最大的一条，分四条支沟，流域面积较大，主沟内谷底出露崩洪积卵砾石夹块石，谷底两侧及各支沟中地表出露坡洪积土夹碎石，下伏崩洪积卵砾石夹块石，覆盖层方量多，全部清除较为困难，根据地质可研阶段勘察结果，该沟具备修建透水坝的条件，在沟口上游170m处建一座透水堆石副坝，对透水坝下游的覆盖层进行清理。副坝坝顶高程为1450.00m，坝顶长56.5m，坝顶宽3.0m，最大坝高31.0m，上、下游坝坡均采用1∶1.5，坝坡表面采用1.0m厚铅丝石笼护坡。

右七沟沟底覆盖层方量不大，支沟两侧岸坡及沟后缘基岩裸露，为弱风化片麻状花岗岩夹斜长角闪岩，无大的构造，仅发育NW和NE向两组裂隙，岩体比较完整，局部有一些危岩和碎石，规模较小。因此将覆盖层和危岩全部清除。

右七-1沟为右七沟、右八沟之间的一条小支沟，沟坡陡沟宽，不具备筑坝条件，且覆盖层方量较少，采用全部清除方式进行处理。

右八沟裸露的卵砾石层仅分布于高程1400.00m以下，高程1400.00m以上只有少量的危岩和碎石，大量的覆盖层展布于右侧岸坡，地表以土夹碎石为主，植被较发育，地表径流不易将其带入库内，因此只对裸露的卵砾石层和危岩进行清除。

左五沟位于推荐的拦河坝左坝肩，是一条规模较小的顺岩脉发育的支沟。随着拦河坝坝基开挖和上坝3号公路的修建，左五沟沟口堆积的卵砾石洪积扇、沟内谷底出露的强风化斜长角闪岩和零星崩洪积卵砾石、块石将被挖除，仅保存上半部分弱风化的片麻状黑云母花岗岩，由于岩体结构比较完整，仅局部存在少量的危岩，因此只对上半部分的危岩进行清理。

拦沙库内两条支沟的处理基本原则为在施工期不影响拦沙坝的施工安全，运行期能保证固体径流入库不影响泄洪排沙洞正常泄流。各支沟处理措施如下：

左三沟大部分分布于阴坡，地表植被发育，洪水不易将覆盖层带入库内影响泄洪排沙洞的正常运行，但沟左岸的崩积物及危岩崩塌后比较容易进入库内，由于块石较大，易堵塞泄洪排沙洞，因此将左三沟的崩积物、危岩、沟口附近的卵砾石予以清理。

左四沟沟口有少量裸露的卵砾石，覆盖层展布区植被发育良好，且成分以悬移质为主，发生泥石流造成拦沙坝破坏的可能性不大，因此除沟口裸露的卵砾石外，其余地段覆盖层不需清理。为避免施工期因雨水冲刷等原因引起坍岸危及拦沙坝安全，左四沟沟口1384.00m高程以下的河床覆盖层应予清除，并在岸边采用1.0m厚铅丝石笼护岸。

（8）下水库防洪措施。

下水库位于哈拉沁沟，含沙量大，为保证上游洪水和泥沙不入库，同时确保拦河坝上游2.6km处哈拉沁水库砂砾石挡水坝的安全，采用在拦沙坝上游设置泄洪排沙洞的方式，泄洪排沙洞按宣泄拦沙坝址处2000年一遇洪水设计，当拦沙库水位达1400.00m时，其最大下泄量为737m3/s。

下水库支沟发育，暴雨时汇流会挟带固体径流入库，除对两岸支沟内可能入库的固体径流进行清理、沿库边采用浆砌石防护、并对规模较大的右6沟上部固体径流采用铅丝石笼护面透水堆石副坝防护外，还设置了相应的防洪措施。库区左右岸库顶均设有三级公路，公路宽8.0m，左岸库顶公路长约349m，右岸库顶公路长约1135m。公路靠山侧设置浆砌石排洪沟，过流最小尺寸为0.4m×0.5m，沿环库公路内侧、拦河坝上游侧及拦沙坝下游侧设置封闭的防浪墙，防浪墙高出路面1.2m。库顶以上边坡开挖后进行混凝土喷护处理，每隔20m高程设一马道和排水沟。暴雨时山洪漫流由边坡上的排水沟及库岸公路内侧的排洪沟排洪，遇特大暴雨时，库岸公路参与汇流排洪，排往拦沙库或拦河坝下游，确保两岸洪水不入库。