河南五岳抽水蓄能电站上水库库盆轴线布置设计

李国会，李金友，卢 博，刘惟轶

（1.湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410131；
2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

河南五岳抽水蓄能电站位于河南省信阳市光山县殷棚乡境内，装机容量1000MW，枢纽工程主要由上水库、输水系统、地下厂房及地面开关站、下水库等组成。

上水库选择在牢山寨北坡顶部的天然“V”形沟谷内，通过筑坝及扩库开挖形成库盆，正常运行时水位变幅36 m，调节库容946万m3，无泄水建筑物。坝址以上控制流域面积仅0.311 km2，库盆利用一季节性流水的冲沟开挖而成，冲沟上游段走向NEE，下游段从大坝坡脚附近开始折向NNW方向，库盆范围内冲沟沟底高程为205～300 m，沟底平均坡降约13%，沿库盆四周共发育有8条规模较小的次级冲沟。库周山顶高程多在350～390 m，最高处为牢山寨，海拔高程415.90 m。库内及库外边坡地形坡度变化较大，库内边坡坡度介于21°～44°之间，局部为花岗岩陡崖，库外边坡地形坡度一般在25°～46°之间。上水库地形地貌如图1所示。

图1 上水库全貌（下游视）

2.1 充分利用地形地质条件

上水库库盆所利用的天然冲沟走向大体呈“L”形，两岸山体亦不对称，库周地形分水岭以库盆南侧和东侧一带封闭条件较好，以主峰牢山寨为依托，山脉沿NEE～SWW方向延伸，山脊高程350～415 m；
东侧为一近南北走向的条形山脊，顶部高程在360～390 m之间，库盆西侧为一低矮垭口，最低高程仅321.3 m。

总体分析，上水库坝址处集雨面积较小，库盆地形条件较紧凑，坝轴线可供调整的范围有限。坝轴线布置时应充分利用分水岭，并对局部低矮垭口进行筑坝封闭，需要关注南侧单薄分水岭的渗透稳定问题。

同时，坝址左岸下游的分水岭总体较右岸要低，作为混凝土面板堆石坝的下游坡脚，在坝轴线设计时，应保证左岸下游坝坡坡脚不越过该分水岭。

2.2 保证调节库容

本工程下水库利用已建成的五岳水库为大（Ⅱ）型水库，现状条件下调节库容8098万m3，上、下水库进/出水口水平距离约1845m，电站加权平均水头238.3m，额定水头241.0m，距高比为7.7。经综合分析比选，确定装机容量为1000MW，所需上水库调节库容不小于946万m3。

在已确定坝型为混凝土面板堆石坝的前提下，上水库库盆轴线的设计应在充分利用有限地形的条件下，保证调节库容满足发电要求。

2.3 土石方挖填平衡控制

上水库地层岩性为燕山晚期肉红、灰白色中粒二长花岗岩类，石料致密坚硬，均一性好，抗风化能力强，不存在潜在的混凝土碱活性反应，弱风化及其以下岩石开挖料可满足作为堆石坝填筑料的质量要求。

受上水库选址区域地形条件及调节库容等因素限制，上水库需采用“人工开挖扩库+筑坝成库”的开发方案，即通过“半挖半填”方案以形成满足发电任务需求的上水库库盆。

根据料源规划设计方案，上水库库岸开挖石料可满足大坝垫层料开采量要求，上水库相关区域开挖石料亦可满足大坝过渡料、堆石料及护坡料的设计需要量，将上水库库盆底部向下扩挖作为备选料源储备方案。

上水库库盆下挖作为储备料源，存在着“低挖高用”的缺点，施工中应尽可能避免采用此方案。除做好料场开采规划与坝料中转、减少弃料等工程施工举措外，在库盆轴线设计方案上，应尤其关注上水库土石方平衡，通过优化轴线布置设计，辅以料源规划与开采，方能解决开挖与填筑的关系，并尽可能减少弃料，做到料尽其用。

3.1 大坝轴线布置设计方案

上水库挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，结合地形地质条件，依据调节防洪库容及土石方平衡等综合要求，大坝坝轴线按中间直线、两端圆弧线（凸向库外）方式布置，坝轴线平面布置参数如表1所示。

表1 上水库大坝坝轴线平面布置参数

坝顶高程351.00 m，坝轴线总长1 362.23 m，约占上水库库盆轴线周长的65.61%。上水库大坝坝轴线平面布置方案如图2中实线部分所示。

图2 上水库库盆轴线平面布置（尺寸单位：m）

3.2 库岸轴线布置设计方案

为增大上水库有效库容，满足电站调节性能要求，并结合土石方挖填平衡需要，在上水库东南侧牢山寨进行扩库开挖，开挖位置尽可能靠近大坝，且开挖料质量符合大坝填筑料要求。扩库开挖段顺应山体地形变化，由多段直线段和弧线段平顺连接而成，库岸轴线平面布置参数如表2所示。

表2 上水库开挖库岸轴线平面布置参数

根据上水库挖填平衡的原则，在满足坝顶交通及运行要求的前提下，环库公路路面高程以上山体按地质建议坡比及边坡稳定要求进行开挖。扩库开挖段总长度约713.98 m（环库公路内侧轴线投影），占总库长的34.39%。上水库库岸轴线平面布置方案如图2中虚线部分所示。

1）上水库混凝土面板堆石坝平面布置采用“1段直线+3段圆弧曲线”的坝轴线形式，可以充分利用上水库有限地形空间、适应上水库地貌特点，同时保证了蓄水发电所需要的调节库容；
主河沟左岸下游坝坡坝脚亦未越过单薄分水岭，保证坝坡稳定的同时，也节省了坝体填筑工程量。两端圆弧段采用相同的半径，方便面板的结构设计与施工。

2）上水库开挖库岸轴线顺应地形地势变化，采用“4段直线+3段圆弧曲线”的布置形式，在保证必需的坝体填筑料料源供应外，经复核计算，分水岭处的山脊抗滑稳定满足规范要求，确保了蓄水后及水位消落过程中的库岸稳定。

3）根据多方案比选确定库盆轴线设计方案，并完成上水库筑坝材料的料源规划设计，如表3所示。

表3 上水库大坝主要料源规划

根据土石方平衡计算成果，上水库库岸开挖石料可满足大坝过渡料、堆石料及护坡料的设计需要量，但不满足1.15倍规划开采量的扩大系数要求，在将上水库库盆底部向下扩挖作为备选料源储备方案的同时，设计上采取在大坝下游堆石区高程较高处采用掺入一定比例的强风化石料，提高开挖石料的上坝率，可有效解决开采量扩大系数偏低的问题。

4）虽然大坝轴线存在多段圆弧，但通过调整防浪墙上游面结构体形，可确保面板与防浪墙的水平接缝仍然为常规的直线形，进而保证了上述区域的面板亦为常用的平面面板（表面和底面均为平面），便于面板的结构设计与施工。