【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(tái)背斜與鄂爾多斯臺(tái)向斜的過渡帶上，屬構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。壩址方圓10km 范圍內(nèi)無大的構(gòu)造通過，壩址地段巖體堅(jiān)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(jìn)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(gòu)，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(qiáng)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(gòu)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(gòu)，單層厚一般為 ～5cm,呈夾層狀分布，占該層總厚的 35～45%，其特點(diǎn)是抗風(fēng)化能力相對(duì)較差，在新鮮狀態(tài)下十分完整，強(qiáng)度較高，飽和抗壓強(qiáng)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(yīng)力解除及失水破裂，強(qiáng)度顯著降低。 層間剪切帶層間剪切帶是大壩基礎(chǔ)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(hào)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(hào)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(dá) ～；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(gòu)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(duì)連通率 70%左右，在河床右側(cè)其連通率有降低趨勢(shì)。13各層間剪切帶的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(cuò)動(dòng)影響最強(qiáng)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(xué)性質(zhì)由于層間剪切帶結(jié)構(gòu)已遭到不同程度的破壞，完整性較差，其力學(xué)指標(biāo)相對(duì)較低。河床左側(cè)基坑形成后，對(duì) SCJ07～SCJ10 剪切帶進(jìn)行了地表、孔內(nèi)物探波速對(duì)比測(cè)試，并考慮其埋深不同剪切帶密實(shí)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(yīng)提高?；娱_挖后，重點(diǎn)針對(duì)壩基下保留的 SCJ0SCJ0SCJ0SCJ10 四條層間剪切帶在不同的工程部位進(jìn)行了五次室內(nèi)及現(xiàn)場大中型抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。歷次試驗(yàn)綜合統(tǒng)計(jì)成果見表 3—4。左側(cè)壩基層間剪切帶抗剪試驗(yàn)綜合統(tǒng)計(jì)成果匯總表 表 3—4抗剪強(qiáng)度指標(biāo)剪切帶編號(hào) 試驗(yàn)整理方法f′ c′(MPa)備注SCJ10 群點(diǎn)法 中值 大剪試驗(yàn)算術(shù)平均值 常規(guī)法小值平均值 中值 含泥膜 SCJ10群點(diǎn)法 中值 不含泥膜 算術(shù)平均值 SCJ08 常規(guī)法小值平均值 中剪試驗(yàn)14 （3）層間剪切帶抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值以試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，并考慮試驗(yàn)條件及試驗(yàn)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(biāo)如表 3—5。壩基層間剪切帶抗剪強(qiáng)度指標(biāo)地質(zhì)建議值 表 3—5抗剪指標(biāo)建議值剪切帶編號(hào) 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(jì)性等因素來分析。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)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(jì)效益好。 排沙期最低運(yùn)用水位選擇排沙期最低運(yùn)用水位比較了 955m、952m 和 948m 三個(gè)方案。經(jīng)濟(jì)比較，選定 952m方案。其理由是，最低運(yùn)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(jī)性，選用 952m 作為工程資料計(jì)算依據(jù)和運(yùn)用水位，是留有余地的。 裝機(jī)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(yùn)用水位 952m 條件下，進(jìn)行裝機(jī)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(fù)荷圖的工作位置處于官廳、潘家口和十三陵等15已運(yùn)行的電站以下。萬家寨水利樞紐電站裝機(jī)容量的選擇是考慮水火電補(bǔ)償后確定的。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)分析，裝機(jī)容量選為 108 萬 kW。其理由是：從 90 萬 kW 到 108 萬 kW 兩個(gè)比較方案之差值效益費(fèi)用比為 ，是十分經(jīng)濟(jì)的；從 108 萬 kW 到 126 萬 kW，其差值效益費(fèi)用比為，同時(shí)本樞紐電站在四月至八月五個(gè)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(duì)選定 108 萬 kW 裝機(jī)，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(jī)容量的機(jī)組年發(fā)電量為 億 kWh。相應(yīng)的機(jī)組利用小時(shí)數(shù)為 2546 小時(shí)。 洪水調(diào)節(jié)本樞紐工程擋水建筑物按千年一遇洪水設(shè)計(jì)和萬年一遇洪水校核。同時(shí)進(jìn)行了樞紐擋水建筑物按五百年一遇洪水設(shè)計(jì)和五千年一遇洪水校核的調(diào)洪計(jì)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(yīng)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(jìn)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(shí)，調(diào)洪后的校核洪水位相應(yīng)為 和 ，其相應(yīng)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(yùn)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(jī)組發(fā)電等對(duì)水位的要求。八月和九月排沙期內(nèi)，當(dāng)入庫流量小于 800m3/s 時(shí)，庫水位在▽952m 至▽957m 之間進(jìn)行日調(diào)節(jié)運(yùn)行；當(dāng)入庫流量大于或等于 800m3/s 時(shí)，水庫進(jìn)行不完全日調(diào)節(jié)，部分時(shí)間庫水位保持在▽952m 運(yùn)行，排沙發(fā)電；當(dāng)入庫流量等于五臺(tái)機(jī)最大過流能力1300 m3/s 時(shí)，電站帶基荷或棄水帶峰，其中當(dāng)入庫流量大于 1000 m3/s 時(shí)，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(yù)報(bào)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(shí)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(gè)時(shí)期，有流冰進(jìn)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(shí)為 21～25km 2，開河時(shí)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(shí)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(yùn)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(zhǔn)。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(shí)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(yù)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(dāng)提高水庫運(yùn)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(shí)（幾天內(nèi)）容納冰量之用。萬家寨水利樞紐的建成和運(yùn)用，使樞紐電站的出流水溫將有所提高，對(duì)下游天橋水電站和即將建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)萬家寨水利樞紐工程主要任務(wù)為供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，同時(shí)兼有防洪、防凌作用。水庫總庫容 億 m3，電站總裝機(jī)容量 1080MW，為一等大（1）型規(guī)模，主要建筑物為 1 級(jí)水工建筑物，次要建筑物為 3 級(jí)水工建筑物。工程永久性水工建筑物正常運(yùn)用（設(shè)計(jì)）洪水標(biāo)準(zhǔn)洪水重現(xiàn)期為 1000 年（各年一遇） ，非常運(yùn)用（校核）洪水標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(guān)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(gè)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(dān)負(fù)樞紐宣泄超標(biāo)準(zhǔn)洪水和部分排冰任務(wù)，設(shè)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(shè)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(shè)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(hù)坦挑流消能。隔墩壩段布置在中孔壩段右側(cè)，內(nèi)設(shè)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(shè)六個(gè)發(fā)電引水鋼管進(jìn)水口。進(jìn)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(gè)進(jìn)水口左○ 13 ○ 17下側(cè)各設(shè)一條排沙鋼管。排沙鋼管共 5 條，進(jìn)口呈虹吸式布置，壩面進(jìn)口高程為，駝峰底坎高程為 ，壩內(nèi)鋼管直徑為 ，庫水位 時(shí)單孔泄量為 57m3/s。工業(yè)取水口設(shè)在右岸非溢流壩段（ 壩段） ，共 2 孔，孔口尺寸為○ 18，進(jìn)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(shè)六臺(tái)單機(jī)容量為 180MW 的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)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(tái)，與廠房發(fā)電機(jī)層同高程。主變壓器共六臺(tái)，一機(jī)一變。開關(guān)站為 2