【文章內(nèi)容簡介】 址工程地質(zhì) 地質(zhì)概況黃河在壩址區(qū)自北向南流，河谷呈“U”型，谷寬 430 余米，岸壁高 110 余米。河床地層主要由寒武系中統(tǒng)張夏組中厚、薄層灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、薄層泥灰?guī)r及頁巖組成。兩岸壩肩地層主要由寒武系中統(tǒng)鳳山組、長山組、崮山組中厚、薄層灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、竹葉（礫）狀灰?guī)r、泥灰?guī)r及條帶狀灰?guī)r組成。地層產(chǎn)狀平緩，走向 NE30～60176。，傾向 NW，傾角 2～3176。，發(fā)育有規(guī)模不等的層間褶皺、穹隆、裂隙及層間剪切帶。本區(qū)位于山西臺背斜與鄂爾多斯臺向斜的過渡帶上，屬構造穩(wěn)定區(qū)。壩址方圓10km 范圍內(nèi)無大的構造通過，壩址地段巖體堅硬、完整，斷層不發(fā)育，而且規(guī)模很小。樞紐區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。 壩基巖體分類樞紐壩基巖體屬Ⅲ類巖體。根據(jù)張夏組第五層、第四層的不同工程地質(zhì)特征，可進一步將張夏組第五層劃分為Ⅲ 1類、張夏組第四層為Ⅲ 2類。Ⅲ 1類：張夏組第五層巖體主要由中厚層灰?guī)r夾薄層灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r及少量泥灰?guī)r、竹灰狀巖葉狀組成。層狀結(jié)構，巖體較完整，縱波速度 4000m/s 以上，新鮮狀態(tài)下灰?guī)r單軸飽和抗壓強度在175Mpa 以上。親水性差，多屬微透水巖體。該層巖體內(nèi)分布的緩傾角的層間剪切帶及層面裂隙，間距多小于 2m，構成壩基抗滑穩(wěn)定的控制性滑移面。12 Ⅲ 2類：張夏組第四層巖體主要由薄層灰?guī)r、頁巖夾泥灰?guī)r、竹頁狀灰?guī)r組成，呈互層狀。其中的泥灰?guī)r和頁巖呈薄層結(jié)構，單層厚一般為 ～5cm,呈夾層狀分布，占該層總厚的 35～45%，其特點是抗風化能力相對較差，在新鮮狀態(tài)下十分完整，強度較高，飽和抗壓強度平均值在 80Mpa 以上，縱波速度多在 4000m/s 以上，屬微～極微透水巖體，該巖體暴露大氣后，應力解除及失水破裂，強度顯著降低。 層間剪切帶層間剪切帶是大壩基礎的主要工程地質(zhì)問題。河床壩基部位在張夏組第五層共發(fā)育有 10 條層間剪切帶，自上而下編號為SCJ01～SCJ10，其中 SCJ01～SCJ07 在河床左側(cè)壩段基本已被挖除。河床右側(cè)壩基段SCJ02～SCJ06 已尖滅，SCJ01 僅在 1117 號壩段甲塊局部保留。其它部分已被清除。壩基下除 SCJ07 在河床右側(cè)埋深較大并予以保留外，尚未清除的剪切帶有SCJ0SCJ09 和 SCJ10 三條，其各剪切帶在壩基建基面以下埋深分別為：河床左側(cè)SCJ08 埋深 ；SCJ09 埋深 ，SCJ10 埋深 ～。河床右側(cè) SCJ07 埋深；SCJ08 埋深 ；SCJ09 埋深 ；SCJ10 埋深 ～。 （1）層間剪切帶物理性狀各層間剪切帶在成因上均屬構造運動產(chǎn)生，其產(chǎn)狀與巖層層面產(chǎn)狀又有區(qū)別，現(xiàn)分述如下：SCJ01：一般厚 4cm，順和向總體起伏差 ～，上、下層面粗糙不平，層面起伏 ～3cm。SCJ07：一般厚 5cm，自河床左側(cè)向右逐漸變薄，垂直河向整體起伏差較大。在河床左側(cè)峰距 50～80cm，峰谷高差達 ～；在河床右側(cè)，起伏差較小，為～。層面粗糙不平，可見擦痕，層面起伏一般為 1～5cm。全壩基貫通。SCJ08：一般厚度為 4cm，自河床左側(cè)向右逐漸變薄，在河床總體產(chǎn)狀平緩無明顯起伏，上、下層面亦較平整光滑，局部可見擦痕?；臼沁B續(xù)展布。SCJ09：一般厚度 4cm，在河床左側(cè)壩基下局部分布，向河床右側(cè)逐漸變薄，多以層面裂隙出現(xiàn)。無明顯起伏差，上、下面局部可見擦痕；剪切帶連通率 10%左右。SCJ10：一般厚度為 3cm，自河床左側(cè)向右逐漸變薄，垂直河向峰谷高差為～，結(jié)構面起伏差一般在 ～。在④～11 壩段及泄流沖刷區(qū)范圍內(nèi)，相對連通率 70%左右，在河床右側(cè)其連通率有降低趨勢。13各層間剪切帶的結(jié)構特征具有明顯的分帶性，按其破壞程度可概括為三種類型，即節(jié)理裂隙帶、劈理帶、泥化帶。節(jié)理裂隙帶呈片狀、碎塊狀，原巖內(nèi)部結(jié)構遭到極微破壞；劈理帶呈片狀、碎屑狀，排列方向與上、下巖層呈小角度相交或平行，局部排列無序；泥化帶受錯動影響最強烈，呈較連續(xù)的巖屑泥或泥質(zhì)薄膜。剪切帶內(nèi)泥化物成分近似，碎屑的主要礦物成分為方解石、石英、透長石。土的主要礦物成分為方解石、伊利石及少量水云母、綠泥石，其水理性質(zhì)表現(xiàn)遇水不具膨脹性。 （2）層間剪切帶的力學性質(zhì)由于層間剪切帶結(jié)構已遭到不同程度的破壞，完整性較差，其力學指標相對較低。河床左側(cè)基坑形成后，對 SCJ07～SCJ10 剪切帶進行了地表、孔內(nèi)物探波速對比測試，并考慮其埋深不同剪切帶密實程度有所差別等因素，綜合得出剪切帶波速值如下：SCJ07vp=1100m/s；SCJ08v p=1200m/s；SCJ09v p=1300m/s；SCJ10v p=1400m/s。在河床右側(cè)壩基，隨著剪切帶埋深增大，性狀變好，其波速值相應提高?；娱_挖后，重點針對壩基下保留的 SCJ0SCJ0SCJ0SCJ10 四條層間剪切帶在不同的工程部位進行了五次室內(nèi)及現(xiàn)場大中型抗剪強度試驗。歷次試驗綜合統(tǒng)計成果見表 3—4。左側(cè)壩基層間剪切帶抗剪試驗綜合統(tǒng)計成果匯總表 表 3—4抗剪強度指標剪切帶編號 試驗整理方法f′ c′(MPa)備注SCJ10 群點法 中值 大剪試驗算術平均值 常規(guī)法小值平均值 中值 含泥膜 SCJ10群點法 中值 不含泥膜 算術平均值 SCJ08 常規(guī)法小值平均值 中剪試驗14 （3）層間剪切帶抗剪強度指標建議值以試驗成果為基礎，并考慮試驗條件及試驗成果分析取值方法，依據(jù)各層間剪切帶工程地質(zhì)特征及在河床壩基的變化情況，以及工程的具體情況，提出層間剪切帶建議指標如表 3—5。壩基層間剪切帶抗剪強度指標地質(zhì)建議值 表 3—5抗剪指標建議值剪切帶編號 位 置f′ c′(MPa)SCJ01 右側(cè)壩基 SCJ07 右側(cè)壩基 ④～⑧壩段 ⑨～ 壩段○ 11 （SCJ10）～ 壩段○ 12 ○ 19 工程規(guī)劃 最高蓄水位選擇最高蓄水位的選擇，主要從泥沙、防凌和經(jīng)濟性等因素來分析。經(jīng)過經(jīng)濟比較，綜合考慮，選定最高蓄水位為 980m。其理由是，與 975m 比較，替代容量多 3 萬 kW，庫容多 億 m3，供水期多 15m3/s 調(diào)節(jié)流量；有利于防凌；經(jīng)濟效益好。 排沙期最低運用水位選擇排沙期最低運用水位比較了 955m、952m 和 948m 三個方案。經(jīng)濟比較，選定 952m方案。其理由是，最低運用水位 955m 和 952m 方案相比，電力效益較好，淤積末端相同。但考慮泥沙隨機性，選用 952m 作為工程資料計算依據(jù)和運用水位，是留有余地的。 裝機容量選擇在已選定最高蓄水位 980m、排沙期為八、九月和排沙期最低運用水位 952m 條件下，進行裝機容量的選擇。比較方案為 90 萬 kW、108 萬 kW 和 126 萬 kW。萬家寨水利樞紐電站在華北電網(wǎng)負荷圖的工作位置處于官廳、潘家口和十三陵等15已運行的電站以下。萬家寨水利樞紐電站裝機容量的選擇是考慮水火電補償后確定的。經(jīng)過經(jīng)濟分析，裝機容量選為 108 萬 kW。其理由是：從 90 萬 kW 到 108 萬 kW 兩個比較方案之差值效益費用比為 ，是十分經(jīng)濟的；從 108 萬 kW 到 126 萬 kW，其差值效益費用比為，同時本樞紐電站在四月至八月五個月的受阻出力超過了電網(wǎng)出力下降容許值 11至 18 萬 kW。針對選定 108 萬 kW 裝機，研究只投入晉蒙分網(wǎng)的情況，結(jié)果與投入華北全網(wǎng)有相同的替代效益。這種裝機容量的機組年發(fā)電量為 億 kWh。相應的機組利用小時數(shù)為 2546 小時。 洪水調(diào)節(jié)本樞紐工程擋水建筑物按千年一遇洪水設計和萬年一遇洪水校核。同時進行了樞紐擋水建筑物按五百年一遇洪水設計和五千年一遇洪水校核的調(diào)洪計算。黃河包頭至河口鎮(zhèn)堤防安全泄量為 6000m3/s。因此，河口鎮(zhèn)洪水過程小于或等于6000m3/s。采用河口鎮(zhèn)至萬家寨壩址區(qū)間洪水與壩址洪水同頻率，河口鎮(zhèn)洪水相應洪水，作為入庫洪水。采用泄流排沙規(guī)模 952m 水位的泄流能力為 5623m3/s 等一套泄流曲線，起調(diào)水位為 966m，進行調(diào)洪，得出：萬年一遇洪水和五千年一遇洪水的洪峰分別為 21200m3/s 和 19800m3/s 時，調(diào)洪后的校核洪水位相應為 和 ，其相應最大泄量為 8221m3/s 和 8086m3/s。 水庫調(diào)度萬家寨水利樞紐采取“蓄清排渾”運用方式。庫水位除滿足泥沙沖淤要求以外，還要滿足防洪、防凌和機組發(fā)電等對水位的要求。八月和九月排沙期內(nèi)，當入庫流量小于 800m3/s 時，庫水位在▽952m 至▽957m 之間進行日調(diào)節(jié)運行；當入庫流量大于或等于 800m3/s 時，水庫進行不完全日調(diào)節(jié)，部分時間庫水位保持在▽952m 運行，排沙發(fā)電；當入庫流量等于五臺機最大過流能力1300 m3/s 時，電站帶基荷或棄水帶峰，其中當入庫流量大于 1000 m3/s 時，庫水位降低至▽948m，沖沙 5～7 天。汛期防洪限制水位，在七月至十月上半月為▽966m，十月下半月逐漸蓄高，至十月底蓄到▽970m，如預報河口鎮(zhèn)有洪水，便仍在洪水前降至▽966m。三月一日至四月上旬，上游流冰入庫，流凌開始時水位降至▽970m。十一月中旬以后，上游封凍流冰花入庫，水庫蓄水不超過▽975m。冰花結(jié)束后，庫水位逐步提到▽977m。十一月到翌年四月，水位不低于▽970m，保證發(fā)足額定出力。16 水庫冰情和防凌措施萬家寨水利樞紐上游內(nèi)蒙古河段，在冬季，由流凌而封冰；在春季解凍開河。在此兩個時期，有流冰進入萬家寨水利樞紐。分析結(jié)果表明，冬季封河期最大入庫冰量約 5000 萬 m3，發(fā)生在 1968 年；庫區(qū)水面面積在水位 970 至 975m 時為 21～25km 2，開河時冰量厚度一般約 ，冰量約 1000萬 m3。萬家寨水利樞紐春季開河時的總冰量估算最大為 6000 萬 m3。防凌措施主要是調(diào)節(jié)冰期運用水位，使上游來冰蓄入萬家寨水利樞紐庫區(qū)，并以不影響拐上斷面為準。在冬季流凌封冰期，有大量冰花流入庫區(qū)，在封凍前的流凌時段，保持庫水位在 975m 以下。入庫流凌比降保持在 30/000到 120/000，便于流凌順利入庫。另外，采取降低水位預留一定庫容容納冰量，則冰凌蓄于庫內(nèi)將不致影響拐上及其上游河道。待上游河道封凍穩(wěn)定后，視具體情況，再適當提高水庫運行水位。在春季開河前，采取迅速升降水位的辦法，促使水庫蓋面冰破壞和融化。水位降到 970m 保持正常發(fā)電，這樣 970m 至 980m 之間有庫容 億 m3，可作臨時（幾天內(nèi)）容納冰量之用。萬家寨水利樞紐的建成和運用，使樞紐電站的出流水溫將有所提高，對下游天橋水電站和即將建設的龍口水利樞紐的防凌有利。 工程布置及主要建筑物 工程等別與標準萬家寨水利樞紐工程主要任務為供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，同時兼有防洪、防凌作用。水庫總庫容 億 m3，電站總裝機容量 1080MW，為一等大（1）型規(guī)模，主要建筑物為 1 級水工建筑物，次要建筑物為 3 級水工建筑物。工程永久性水工建筑物正常運用（設計）洪水標準洪水重現(xiàn)期為 1000 年（各年一遇） ，非常運用（校核）洪水標準洪水重現(xiàn)期為 10000 年（萬年一遇） 。樞紐區(qū)場地地震基本烈度為 6 度，主要建筑物地震設防烈度為 7 度。 樞紐總布置萬家寨水利樞紐由攔河壩、壩后式電站廠房、電站引水系統(tǒng)、泄水建筑物、引黃取水建筑物、廠壩間全封閉組合電器（GIS）開關站等建筑物組成。攔河壩為半整體式混凝土直線重力壩，壩頂長 443m，壩頂高程 ，最大壩高 105m。攔河壩自左向右共分為 22 個壩段。引黃取水口布置在②、③壩段，共 2 孔，孔口尺寸為 4m4m，單孔最大引水流量1724m3/s。取水口采用分層取水方式以引取水庫表層清水。泄水壩段布置在引黃取水口右側(cè)，泄水孔口自左至右依次為表孔、底孔和中孔。表孔主要擔負樞紐宣泄超標準洪水和部分排冰任務，設在④壩段，孔口寬度為 14m，堰頂高程為 ，最大泄量 864m3/s。底孔為樞紐主要泄洪排沙建筑物，設在⑤～⑧壩段，共 8 孔，孔口尺寸 4m6m（寬高） ，底坎高程 ，單孔最大泄量為 719 m3/s。中孔為樞紐重要泄洪排沙建筑物，也是主要的排漂建筑物，設在⑨、⑩壩段，共 4 孔，孔口尺寸為 4m8m，底坎高程為 ，單孔最大泄量為 675 m3/s。泄水壩段下游均采用長護坦挑流消能。隔墩壩段布置在中孔壩段右側(cè)，內(nèi)設電梯井、樓梯井和電纜豎井。隔墩壩段右側(cè)為電站壩段（ ～ 壩段） ，壩上設六個發(fā)電引水鋼管進水口。進水口底坎高程為○ 12 ○ 17。引水鋼管為壩內(nèi)淺埋式壓力鋼管，管徑 。在 ～ 壩段每個進水口左○ 13 ○ 17下側(cè)各設一條排沙鋼管。排沙鋼管共 5 條，進口呈虹吸式布置，壩面進口高程為，駝峰底坎高程為 ，壩內(nèi)鋼管直徑為 ，庫水位 時單孔泄量為 57m3/s。工業(yè)取水口設在右岸非溢流壩段（ 壩段） ，共 2 孔，孔口尺寸為○ 18，進口底坎高程為 ，正常取水流量為 8400 m3/h。電站廠房為壩后式廠房，主廠房內(nèi)設六臺單機容量為 180MW 的混流式水輪發(fā)電機組，機組間距 24m。主廠房總長 ，上部寬 ，下部寬 ，總高度。電站副廠房位于主廠房右側(cè)，與主廠房呈“T”形布置。副廠房長 ，寬，地下兩層，地上八層，總建筑面積 8330m2。電站輸電電壓為 220kv。主變壓器布置在廠壩間 平臺，與廠房發(fā)電機層同高程。主變壓器共六臺，一機一變。開關站為 2