林秀山
(黄委会勘测规划设计研究院，郑州 450003)
1991年9月1日，隆隆的开工礼炮拉开了小浪底工程建设的序幕。1994年9月12日李鹏总理亲临现场发布了小浪底主体土建工程的开工令。作为本世纪最伟大的工程之一，小浪底工程可望在本世纪末以其令人赞叹的雄姿跻身于世界巨型水利工程之列，为黄河的治理及黄河水资源的开发利用开创新的局面。
黄河小浪底水利枢纽以其在治黄中重要的战略地位、复杂的自然条件、严格的运用要求和巨大的工程规模成为世界坝工史上最具挑战性的工程之一。
1 工程重要的战略地位及其在治黄中的作用
小浪底工程位于黄河中游最后一个峡谷的岀口，上距三门峡水库130 km,回水直到三门峡坝下，下游是黄淮海平原。坝址控制黄河流域总面积的92.3%,坝址径流量和输沙量分别占全河总量的91.2%和近100%,处在承上启下控制黄河水沙的关键部位，和龙羊峡、刘家峡、大柳树、碛口、古贤和三门峡等水利枢纽一起组成治黄总体规划中的七大骨干工程。水库正常运用水位275 m,形成126.5亿m3的巨大库容。小浪底水利枢纽正是以其控制黄河水沙的优越的地理位置及其巨大的库容确定它“以防洪(包括防凌)、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电，蓄清排浑，综合利用，除害兴利”的开发目标。
小浪底工程建成后，可长期保持有效库容51亿m3,其中防洪库容40.5亿m3，除拦蓄三门峡—小浪底区间洪水外，还可拦蓄一部分三门峡以上来水，与三门峡、故县、陆浑三库联合运用以后,使黄河千年一遇洪水时的花园口流量不超过现在的大堤设防流量22 000 m3/s,百年一遇洪水时可不使用东平湖滞洪区,控制花园口流量不超过15 000 m 3/s。对岀现几率较多的中常洪水可相机控泄，减少滩区120万人、19.2万hm2耕地的受淹损失。同时减轻了三门峡水库的负担,使三门峡水库蓄洪运用机会由原20年一次改变为50～70年一次，从而减少潼关以上库区的淤积。在凌汛期可先由小浪底水库控制运用，拦蓄凌汛水量20亿m3,必要时再使用三门峡水库蓄水调节，两库联合运用可提供防凌库容35亿m3,基本解除下游凌汛的威胁。
小浪底水库建成后除保留40.5亿m3的长期防洪库容外，可拦蓄泥沙100亿t,并有10.5亿m3的库容供长期调水调沙运用，调节黄河的径流量及水沙关系，加大河流的输沙能力。在小浪底水库初期50年运用期内，不考虑非汛期人造洪峰冲刷，仅考虑水库拦沙及调水调沙的减淤作用相当于在20年内下游河床不淤积抬升。初期20年运用期仅水库拦沙可使花园口至艾山河段减少大堤加高1.63 m，使艾山至利津河段减少大堤加高约1 m。
小浪底水库40.5亿m3的防洪库容，汛期防洪，非汛期调节径流，平均每年可增加调节水量26亿m3。除保证向沿河城市供水和向中原、胜利两油田提供必要的生产生活用水外，非汛期还可向青岛市供水10亿m3,向华北供水20亿m3。同时，可适当增加下游引黄灌区的灌溉用水，尤其是提高灌溉用水的保证率，使灌区获得较高的灌溉效益。
河南电网基本是纯火电系统，按河南电网电力发展规划，2000年最大负荷1 250万kW,总装机容量1 600万kW,峰谷差437万kW。小浪底电站位于河南电网负荷中心，装机180万kW,保证出力35.4万kW,初期运用28年平均年发电量54.5亿kW·h,除1/5的电力和电量供山西外，将是河南电网理想的调峰电源，并可担负调频、调相及紧急事故备用任务。
按12%的社会折现率计算，小浪底水利枢纽工程建成后，在经济寿命期50年内，可取得经济效益现值144.94亿元(基准年为1992年，下同)，其中防洪31.77亿元，占21.90%；防凌2.66亿元，占1.8%；减淤10.06亿元，占6.90%；灌溉54.29亿元，占37.50%；发电46.16亿元，占31.80%。
2 工程复杂的自然条件及挑战性课题
复杂的自然条件是造成小浪底工程技术复杂的主导因素。小浪底水利枢纽属国家一等工程，按千年一遇洪水设计，洪峰流量为40 000 m3/s(三门峡水库不控制的情况下)。按汛期降低水位敞泄排沙要求，在非常死水位220 m时要有不低于7 000 m3/s的泄流能力。
小浪底枢纽2000年水平年设计多年平均年径流为277.6亿m3,设计年均输沙量13.5亿t,平均含沙量48.6 kg/m3，1972年实测最大含沙量达941 kg/m3在天然情况下汛期7、8、9月来沙量占85%。从地质条件看，河床有70多米深的覆盖层。两岸岩层中有缓倾角10°左右的软弱泥化夹层，在枢纽建筑物区有右岸顺河F1及左岸F28、F236和F238等大的断裂构造。坝址基本地震烈度为7度,要求按8度地震烈度设防，并要考虑在坝址区10 km范围内发生6.25级水库诱发地震的可能。此外，沿河谷右岸有不稳定倾倒变形体及上游2～3 km处总体积达1 500万m3的1号、2号两个大滑坡体。坝址左岸山体沟道切割，相对比较单薄。
工程设计者面对上述复杂的自然条件，要达到枢纽的开发目标，必然要面临以下挑战性的课题。
2.1 工程泥沙是小浪底工程设计必须妥善解决的特殊课题
工程泥沙问题主要表现为泄水建筑物进口淤堵，随高速水流而产生建筑物流道、闸门门轨、水轮机和过流部件的磨蚀，附加泥沙压力以及库区和下游河道的冲淤变化。工程泥沙问题能否解决好，是工程设计成败的最关键因素之一，也是电站能否保证在汛期正常发电的致命点，且无足够现成的经验可以借鉴。
2.2 高速水流问题的处理是枢纽建筑物总体布置和泄洪排沙建筑物设计的关键
小浪底枢纽采用土石坝挡水，最大坝高154 m。鉴于要求在非常死水位220 m时有不小于7 000 m3/s的泄流能力，因而形成了以隧洞泄洪排沙为主的特点，9条泄洪洞的泄洪能力占枢纽总泄洪能力的78%,最高运用水头近140 m。小浪底枢纽面临的高速水流问题不同于其他的清水河流，是高含沙的高速水流。高速含沙水流不仅对水工建筑物流道产生冲蚀破坏，而且也给消能设计及闸门的设计带来困难。
2.3 洞室群围岩稳定是工程设计的另一难题
为防止引水、泄水建筑物进口泥沙淤堵并考虑坝址区的工程地质条件，小浪底水利枢纽泄洪排沙及引水发电建筑物集中布置在左岸相对单薄山体中较厚实的T型山梁，并采用了进水集中、洞线集中、岀口消能集中的布置方式。9条泄洪排沙洞、6条发电引水洞、地下厂房系统及灌溉洞、交通洞、灌浆洞、排水洞等地下工程总开挖量达270万m3。地下厂房开挖跨度26.2 m,高57.9 m ,采用喷锚支护柔性结构作为永久支护。导流洞开挖断面直径为17 m,其中闸室及龙抬头段的开挖跨度均超过20 m,有3条导流洞穿越断层影响带的Ⅳ、V类围岩段的长度超过600 m。洞室群的围岩稳定不仅与人身、设备及工程的安全有关，也是控制截流进度的制约因素。此外，泄洪建筑物进口110 m高边坡(平均坡度1∶0.3)和岀口顺坡向60 m高边坡的处理也是影响进度的控制因素。
2.4 深覆盖层的防渗处理是大坝设计的重点
小浪底枢纽154 m高的斜心墙堆石坝坐落在最深达70余米的覆盖层上，覆盖层的防渗处理是大坝设计的重点。岸边坝基岩层含10°左右的缓倾角泥化夹层，摩擦系数0.25,控制坝的稳定。此外，地震可能引起的坝基砂卵石层的液化及坝体附加孔隙压力等都需在设计中认真考虑，采取相应的工程措施妥善解决。
2.5 移民安置是工程的重要组成部分
小浪底水库库区及施工涉及到河南、山西8县(市)17万人的迁安。进行开发性移民安置政策性强，涉及面广，难度很大，又无现成的经验可循，是小浪底枢纽工程重要的组成部分，也是极具挑战性的课题。
此外,33 000多吨金属结构的设计及新型抗磨水轮机设备的研制都有各自的难题，这些难题又都与泥沙有关。
3 严格的运用要求
小浪底水库是一个不完全年调节水库，水库的运用方式是按这样的原则制定的，即在保证重点开发目标的前提下最大限度地发挥枢纽多目标开发的综合经济效益。按此原则，运用要求如下：
(1)汛期以防洪为主导，必须保证水库在任何时期都有不少于40.5亿m3的有效防洪库容，最高运用水位254 m。非汛期12月至翌年2月以防凌为主导，凌汛前必须保证有20亿m3的防凌库容，并在凌汛期控制平均下泄流量不超过300 m3/s。
(2)初期运用28年，以充分发挥水库的减淤效益为核心，为此，限制汛期初始运用水位为205 m,相应库容17.5亿m3,3年内淤满，成为初期运用的第一阶段，即蓄水拦沙阶段。从运用的第4年到第14年随着淤积的发展逐渐抬高汛期运用水位直到254 m,平均每年抬高水位4.5m,成为初期运用的第二阶段。从第15年到28年汛期库水位在254～230 m之间往复变化，淤滩刷槽，直到滩面高程达254 m,槽底高程到226 m,全部75.5亿m3的槽库容淤满，在高程254～226 m之间形成10.5亿m3的槽库容供调水调沙运用。水库运用28年后进入正常运用期,10.5亿m3的调水调沙库容可调节汛期径流及下泄水流的水沙关系，提高下游河道的输沙能力，继续发挥水库的减淤作用。
(3)非汛期3—6月以灌溉为主导，按下游灌溉要求放水，一般年份在6月底预留10亿m3水，防止7月上旬的卡脖子旱。
(4)城市及工业供水保证率不低于95%,发电保证率为90%,灌溉保证率为75%。在上述原则下尽量发挥电站的电力和电量效益。
(5)初期运用10年的最高蓄水位控制不超过265 m,在保证不影响水库效益的前提下，以适应分期移民的要求。
4 小浪底水利枢纽的设计思想及设计特点
小浪底水利枢纽的设计任务就是根据既定的开发目标、设计标准、相应的工程规模和运用要求,妥善地处理和协调解决水文、泥沙、地形、地质、人文、环境等方面的矛盾，优选出技术可行、运行上安全可靠、经济上合理的枢纽建筑物设计方案。面对前述的那些挑战性的课题，黄委会设计院前后进行了300余项科学试验研究,其中包括现场70 m深的混凝土防渗墙造墙试验，直径15 m的大洞室现场开挖试验，利用碧口排沙洞改建的孔板消能泄洪洞中间试验，堆石级配和山体自振频率的现场爆破试验,现场旋喷浆成幕试验，现场大型抽水试验，灌浆试验，室内1∶1排沙洞后张法预应力混凝土张拉试验，进口泥沙浑水模型试验，以及抗磨水轮机机型的试验研究等。大量的科学试验研究为设计提供了坚实的基础。此外，通过各种方式广泛吸取了国内外的工程实践经验。近10年来，除了通过专题论证会、研讨会和调研等广泛听取国内各有关方面专家的意见外,还请法国科因贝利埃咨询公司及挪威、加拿大等国的专家进行过咨询，和美国柏克德公司进行了小浪底工程联合轮廓性设计。1989年，由水利部系统最有经验的专家组成了小浪底咨询专家组，1990年7月通过国际竞争性招标，选择了加拿大国际工程管理集团黄河联营体(CYJV)作为工程招标设计的咨询伙伴。聘请世界上第一流的专家组成了特别咨询专家组。派人赴加拿大、瑞士、意大利和美国进行专题技术考察。国内外专家的咨询弥补了我们经验的不足，为设计决策提出了重要的参考意见。
小浪底水利枢纽的设计思想及设计特点简要叙述如下。
4.1 合理拦排，综合兴利
在枢纽的工程规划上广泛吸取了三门峡水库的经验教训。三门峡水库在设计思想上过于乐观地估计水土保持的作用，拦沙配套工程没跟上，面对并未锐减的黄河泥沙，形成了以有限库容对无限来沙的孤军作战的局面。在设计上未留足够的排沙设施，在运用上水位一次抬得很高，故使库容很快淤填,库尾抬高，渭河入流不畅，下游也造成了较严重的冲刷。经三次改建，加大了低水位泄洪能力，采取蓄清排浑的运用方式，成功地降低了潼关高程,保持一定的库容供汛期防洪、非汛期防凌兴利之用。三门峡水库作为治黄总体规划中的七大骨干工程之一，在治黄中正起着并将长期发挥其重要的作用。
小浪底水库具有基本上和三门峡水库相同的水沙条件,具有同一量级的库容，但属于河道型水库，不会出现类似潼关淤积翘尾巴造成不利影响的情况，也利于宣泄水沙。借鉴了三门峡水库蓄清排浑运用的成功经验，合理地规划了小浪底水库126.5亿m3的总库容，既能发挥下游河床20年不淤积抬升的减淤效果,又可保持51亿m3的长期有效库容，汛期防洪调水调沙，非汛期蓄水兴利。这其中关键之点有二，一是在非常死水位220 m时枢纽有7 000 m3/s的泄流能力，在汛期降低水位运用时,可保证一般洪水不壅水，敞泄。其二是汛期运用水位从205 m逐年抬高,最终在库内形成一个高滩深槽的新河道，滩面高程254 m,滩面以上有40.5亿m3的防洪库容，深槽底部高程226.3 m，高程226.3～254.0 m是10.5亿m3的调水调沙槽库容，在汛期可合理调节水沙,使小浪底电站在汛期也具备一定的调节能力。
4.2 集中流道、互相保护、保持进口冲刷漏斗
泄水及引水建筑物防泥沙淤堵是工程泥沙最主要的研究课题，也是枢纽建筑物总布置必须首先解决的课题。
根据黄河的水沙特性及坝址区的地形、地质条件，并通过大量的试验研究，形成了小浪底水利枢纽建筑物集中布置的鲜明特点。所有泄洪排沙及引水发电建筑物集中布置在北岸，总进口前缘约270多米，以一字型排列的高达113 m的10个进水塔集中布置在风雨沟内，最好地利用了相对单薄山体中最厚实的部分集中布设洞线，出口集中消能。在进水塔立面上尽量把排沙洞进口放低,形成低位排沙、高位排污溢洪、中间引水的布置格局。在平面上排沙、泄洪均匀分布，力求在整个270 m的进水前缘能互相保护。对各泄水、排沙建筑物的泄流规模及泄流方式合理调配，以适应不同的泄流运用要求。小浪底枢纽建筑物采用了侧向进流的布置，并设置必要的导墙，来水沿枢纽建筑物前缘可形成一个反时针向回流，对不同量级的来水均可保持一个以排沙洞和孔板洞进口(175 m)为底，前坡1 ∶1.4～1∶ 3.3的冲刷漏斗，并可望形成异重流排沙的条件。
为保证进口冲刷漏斗，在设计中还采取了水下淤积地形的观测及闸门前附设高压水枪等辅助措施。当水下淤积体由于地震、淘刷、水位骤降等原因出现突然坍塌封堵闸门时,可在高压水的帮助下,提起闸门泄流排沙。由于泄水口分层布置，可从高到低依次提门，保证极限最大淤堵深度不超过20 m,由此引起的附加泥沙压力在启闭机的设计范围之内。
4.3 多级孔板消能泄洪洞——为解决高速水流开创了新路
泄洪方式的选择是小浪底枢纽总布置的核心。由于水位在220 m时枢纽要有7 000 m3/s的泄流能力，采用堆石坝挡水,形成了以隧洞泄洪的必然格局，而最大运用水头近140 m,这样隧洞高速水流问题就难以避免。鉴于小浪底左岸地形。采用常规压力洞泄洪可控制洞内流速，但绝不允许高压水渗逸至山体，影响山体的稳定。就目前技术水平,对于大直径高水头压力洞必须采取钢板衬砌，这样即限制了洞内流速不得超过10 m/s,以防止泥沙磨蚀破坏，但工程投资将大幅度上升。而低位布置的常规明流泄洪洞将必须对付45 m/s左右的洞内高速含沙水流，远远超岀了现有工程的实践经验，经大量的科学试验论证，小浪底水利枢纽采取组合泄洪方案。初期3条直径11.5 m的导流洞导流，后期封堵并加设三级孔板，进口抬高175 m,设龙抬头段与导流洞相连，孔板后设中间弧形控制门室。在最高运用水位时，三级孔板可消煞50多米水头能量,经中间闸室后形成壅水的明流泄水流态。不仅充分利用了导流洞，使最大流速控制不超过34 m/s,一般洪水不超过30 m/s。另设置3条进口高程分别为195、209、225 m的高位明流泄洪洞,充分发挥了明流洞泄流能力大、结构简单的特点。由于设置高程高也降低了洞内流速，1号明流洞的最大流速也不超过33 m/s。此外，为了经常排沙和调节径流，保持进口冲刷漏斗,在发电引水口下方设3条进口高程175 m的排沙洞，并首次在国内水工隧洞设计中采用了后张法预应力混凝土衬砌技术,代替了昂贵的钢板衬砌并提高了抗磨流速，缩小了洞径。在小浪底枢纽泄洪方式的选择中，孔板消能泄洪洞的采用使一盘看来难寻出路的死棋走出困境，也为水利水电建设闯出了一条新路。大家对于多级孔板消能泄洪洞所担心的洞内消能、空蚀、震动、脉动等问题经大量的科学试验论证逐渐消除，取得了共识。但这毕竟是一个开创性的设计，除了在设计中考虑一定的余地外,还需不断通过实践运用积累经验，逐步完善。
4.4 综合解决小浪底水电站的汛期发电问题
小浪底水电站处于黄河最不利的多沙河段。泥沙对库容的淤填、进水口的淤堵以及对建筑物流道、闸门门轨和水轮机过流部件的磨蚀给电站的运用带来一系列不利的影响。此外，电站的技术供水、污物处理也较清水河上的电站复杂,泥雾影响是随之而来的独特问题。因此，不少人对小浪底电站汛期能否正常发电，发挥其预期的经济效益存有疑虑。多年来，在认真总结黄河上已建电站经验教训的基础上，通过大量的科学试验研究，逐渐完善了小浪底电站采用综合措施保证汛期正常发电的设计思想。
4.4.1 在规划思想上，合理拦排,综合兴利
如前所述，小浪底水库将保留10.5亿m3的有效调水调沙库容并采用逐步抬高水位、蓄清排浑的运用方式，初期运用28年，大量泥沙淤于库内，在减轻下游河床淤积的同时也大大减少了过机含沙量，汛期1～3年的过机含沙量为7.4 kg/m3，第4～10年的过机含沙量为2.1 kg/m3，是电站发挥效益的最好时机。
预计小浪底水库投入运用28年后进入正常运用期，多年平均岀库含沙量将会增加至42.5 kg/m3,实际过机沙量都小于上述数字，并都在已建电站实际运用发电的经验范围之内。
4.4.2 枢纽布置充分考虑了防沙排沙的要求
如前所述,枢纽泄洪、排沙及发电引水进口采用了集中布置的方式，不仅可在进水口保持稳定的冲刷漏斗,而且由于排沙洞进口直接位于发电引水口下15～20 m,为减少过机泥沙,特别是粗沙创造了极有利的条件。此外，采用了双道拦污栅，适当加大了拦污栅的间距。在主拦污栅前设置了压污、清污导槽和齿耙，两台机6个进水口采用了通仓式布置，并设置有拦污栅压差监测仪和高压水枪，这样可确保发电引水不受泥污淤堵的影响。
4.4.3 综合解决水轮机过流部件的磨蚀
泥沙磨蚀与流速关系密切，故合理选择水轮机参数,降低水轮机过流部件的相对流速是减少泥沙磨蚀的有效途径之一。小浪底水电站设计水头112 m，较三门峡水电站设计水头35 m大得多。经长期论证研究,小浪底30万kW机组拟采用同步转速107.1～115.4 r/min,岀口相对流速w=34.6 m/s，基本同三门峡水电站相对流速值。此外，在电站布置上降低了安装高程，以保证电站无气蚀运用；加大了导叶中心节圆直径，以减少导叶的磨损;并采用筒形阀以减少汛期停机时间隙射流的磨蚀。除在结构上作上述考虑外，拟先用抗磨性能好的转轮材质，力求好的加工工艺，保证设计叶形,并采用抗磨保护涂层以延长水轮机寿命。6台机组设有可互相置换的备用转轮，并加强运用监测，以方便检修。
4.4.4 其他措施
为保证电站汛期正常发电，拟采用地下水源作为发电机冷却用的技术供水水源。非汛期从压力钢管取水,并设置自动切换滤水器，冷却水管路设置双向反冲装置。电站尾水岀口尽量靠近泄水建筑物岀口,以利用泄洪冲刷尾水渠，同时，在尾水出口设防淤闸，以防止停机时泥沙淤积尾水洞。本电站采用地下厂房，变压器也位于地下，主要电气设备不受泥雾影响。地面开关站尽量远离泄水建筑物岀口，高差大并避开了夏季主导风向，室外电气设备采用二级污秽下限进行设计。
预计小浪底电站采用上述综合措施后，在一般情况下均可保证正常发电,遇特殊不利的水沙条件，尚有短时间停机的可能(平均每年1～3天)。小浪底水电站投入运用后，河南电力系统总容量将达1 500万kW以上。小浪底电站的工作容量将不会超过电力系统的事故备用容量，而且在汛期系统负荷处于一年中的较低值,系统中有较多的剩余容量可供利用。再者，小浪底工程出现不利的水沙条件主要来自三门峡以上，可以提前预报做好防范。
4.5 适应黄河特点的带内铺的斜心墙堆石坝
小浪底枢纽154 m高的土石坝将坐落在厚达70 m的覆盖层上，大坝防渗措施的选择是在土石坝型既定情况下大坝设计的核心。黄河多沙给枢纽建筑物设计带来复杂的工程泥沙问题,但库区大量的淤积必然形成一个天然防渗铺盖,对大坝防渗稳定极为有利。多年来，在小浪底大坝的设计中对如何利用这天然防渗铺盖进行了不同方案的研究。而小浪底大坝断面的设计又必须考虑初期拦洪运用的条件，考虑施工截流堰的施工进度及施工要求，考虑不利的地震组合荷载可能引起的地基及坝体液化和附加孔压，自然还必须考虑当地材料，特别是防渗土料的物理力学性质和目前的施工技术水平。综合上述各方面的考虑，最终确定了以混凝土防渗墙垂直防渗为主，并充分利用淤积铺盖作为辅助防渗措施的设计思想。混凝土防渗墙插入斜心墙形成主要的垂直防渗体系，斜心墙通过坝内短铺盖与作为坝体一部分的主围堰的斜墙防渗体连接，然后与坝前泥沙淤积铺盖形成一个辅助的水平防渗线。坝内短铺盖沿主围堰下游坡上爬，并用掺砾的防渗材料以增强其强度。这样的设计思想既反映和考虑了黄河多沙的特点，又可保证初期施工及运用的安全。大坝的稳定性将随着淤积的发展而加强，同时也便于组织施工，易于导截流期抢进度。
5 结 语
黄河小浪底水利枢纽的全面开工只是揭开了建设的序幕，无论对工程的设计者还是建设者都任重道远。由于工程部分利用世界银行贷款，主体土建工程采用国际竞争性招标方式选择了以世界一流的国外承包商为责任方的联营体进行施工，并正在接受“1997年截流”第一个关键里程碑的检验。随着工程的进展以及工程投入应用，设计思想及设计方案必然要不断接受实际的检验，必要时要求设计作岀相应的变更。在这个过程中，无论是经验抑或教训均会对我国水利水电事业的发展作岀贡献。
(本文原载于《人民黄河》1995年第6期)
