大藤峡水利枢纽工程勘测规划设计综述

马 军，王 谊，邓 森

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，130021，长春；2.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，530200，南宁）

大藤峡水利枢纽是国务院批准的《珠江流域综合利用规划》《珠江流域防洪规划》确定的流域防洪控制性枢纽工程，是广西内河航运发展规划航运主通道上的关键节点，是红水河水电基地的重要组成部分，也是《保障澳门、珠海供水安全专项规划》提出的流域重要水资源配置工程和广西水利发展“十二五”规划中的流域骨干枢纽工程。

自20 世纪50 年代大藤峡水利枢纽轮廓性规划提出起，不同时期根据相关要求开展了大量勘测设计科研工作。结合流域规划对工程防洪任务的总体要求，对枢纽总体布局进行了多方案比较研究，提出了可研和初设阶段的勘察设计报告。但是，围绕工程防洪规模与淹没问题，上下游相关部门存在分歧，工作未能顺利推进。21 世纪初，随着经济发展，大藤峡项目建设的必要性进一步显现。通过对项目建设任务和工程规模历时10 年的持续调整完善，相关部门基本达成共识，项目建议书编审完成，随后工程开发建设进入快车道。

项目建设期间，结合工程特点开展了超高水头船闸输水系统运行模拟与结构优化、船闸超大金属结构设备可靠性、综合调度及珠江流域水库群联合调度运用、大型轴流发电机组结构与性能优化、泄水弧门超大推力闸墩结构及安全、工程施工关键技术等六个方面专题研究，取得系列创新研究成果并用于工程设计。

一、前期勘察规划论证过程

1.1996年以前

大藤峡水利枢纽前期勘测设计工作始于20 世纪50年代末期。20世纪70年代，广东省在研究珠江三角洲防洪规划时，提出在西江上游兴建大藤峡水利枢纽调蓄洪水的要求。

1980年，广西壮族自治区水利电力规划小组办公室编制完成《红水河综合利用规划报告》，规划大藤峡防洪库容10亿m3。

1986 年，水利部珠江水利委员会（以下简称珠江委）编制完成《珠江流域综合利用规划报告》，规划大藤峡防洪库容20亿m3。

1979年至1995年，根据原水利电力部安排，原水利部东北勘测设计研究院开展大藤峡工程设计，结合珠江流域规划防洪要求，开展防洪、库区淹没实物调查、航运分期建设等专题论证，1995年编制完成可行性研究报告，水库正常蓄水位57.6 m，死水位53.6 m；电站装机容量1200 MW；通航规模为1000 t级船队；防洪库容20亿m3；灌溉规模175万亩（1亩=1/15 hm2，下同）。

1996年工程未能列入国家建设计划，设计工作暂停。

2.21世纪前期

（1）历时十年完成项目建议书

2001 年5 月，根据国家西部大开发的总体战略要求和水利部统一部署，珠江委组织重新启动了新一轮大藤峡工程项目建议书的编制工作。

2003年11月，中水东北勘测设计研究有限责任公司（以下简称“东北院”）提出项目建议书，工程开发任务为“以防洪为主，结合发电、航运、灌溉与水资源配置等综合利用”。水库正常蓄水位61 m，死水位53.6 m，防洪高水位64.2 m，防洪库容17.16亿m3；电站装机容量1200 MW；通航规模为1000 t级船队；设计灌溉面积152.7万亩。水库正常淹没征用耕地13.35万亩，需迁移人口4.93万人；防洪超蓄淹没耕地40万亩，影响人口14.89万人。因水库移民安置难度较大，制约着大藤峡工程的立项决策。

2005年春季，澳门及珠江三角洲饮水安全受到咸潮影响；同年6 月，西江发生特大洪水。这使得广东、广西及澳门对兴建大藤峡水利枢纽工程的需求日益迫切。按照“通过降低运行水位、减少库容规模、动态控制汛限水位、增加装机容量等措施，在确保防洪安全和减少水库征地移民的前提下，提高枢纽综合利用效益”的新思路，编制完成了2006年版项目建议书，开发任务修改为“以防洪为主，发电与水资源配置并重，兼顾航运、灌溉等综合利用”。水库正常蓄水位61 m，死水位47.6 m，防洪高水位61 m，防洪库容15亿m3。

在此过程中，广西西江黄金水道建设规划要求大藤峡按Ⅱ级航道标准建设船闸。东北院提出2009年版项目建议书，工程任务为“防洪、发电、水资源配置为主，结合航运，兼顾灌溉等综合利用”。水库正常蓄水位61 m，死水位47.6 m，防洪高水位61 m，防洪库容15亿m3；电站装机容量1600 MW；规划灌溉面积136.66万亩；船闸最大船舶吨位2000 t；船闸尺寸250 m×23 m×5.0 m。在大藤峡峡谷出口选择三个坝址进行比较，推荐下坝址方案。

2011 年2 月，国家发展改革委批复大藤峡水利枢纽工程项目建议书。

（2）可研和初步设计

2011年1月，广西方面提出船闸建设规模按3000 t 级标准设计和建设。东北院开展船闸3000 t 级标准设计及船闸布置方案比较，2012年12月完成可研报告，工程任务调整为“防洪、航运、发电和水资源配置为主，结合灌溉等综合利用”。船闸有效尺度为280 m×34 m×5.8 m，采用左岸单级集中布置方案。

2014年10月，可研报告获国务院批准批复。2015年5月，水利部批复大藤峡水利枢纽工程初步设计。

二、枢纽布置及工程特点、难点

大藤峡水利枢纽工程由黔江主坝、黔江副坝和南木江副坝组成。黔江主坝布置有电站厂房、泄水闸、船闸、鱼道及重力坝段，单级船闸布置在左岸，河床式厂房分设两岸，左岸布置3台机组，右岸布置5台机组，26孔泄水闸（2个高孔和24个底孔）布置在河床中部纵向围堰坝段两侧，鱼道靠右岸布置。黔江副坝和南木江副坝均采用黏土心墙石渣坝。施工导流分两期，一期围左岸，二期围右岸，利用二期围堰挡水发电。

枢纽位于大藤峡峡谷与桂平盆地之间的低山丘陵地带，出露的地层主要为第四系和泥盆系下统那高岭组及郁江阶，泥岩、泥质粉砂岩和可溶岩均有分布。基岩构造发育，主要为弩滩褶曲，受其影响，断层、软弱夹层、裂隙、层理等构造也相对发育。岩层走向与坝轴线交角不大，倾向下游偏左岸，倾角20°～22°。软弱夹层密度大、厚度薄、延伸范围广、强度低，引起的坝基深层抗滑稳定问题及顺层边坡稳定问题突出。左岸船闸上闸首和闸室基础为灰岩和白云岩，岩溶沿岩层面溶蚀强烈，有较多岩溶孔洞，存在与江水连接的岩溶管道，基坑开挖可能产生大量涌水。

工程坝址洪水峰高量大，黔江主坝按1000年一遇洪水设计、5000年一遇洪水校核，5000年一遇校核洪水峰值达66 200 m3/s，泄洪底孔单宽流量176 m3/(s·m)，受闸上游淹没限制，宣泄5 年一遇至20 年一遇洪水时，所有闸门敞开泄洪，但泄水闸宣泄5000 年一遇洪水（校核洪水）时，闸门仍需要控制泄流，而不是敞泄。下游消力池最小水深6 m，最大水深35 m，非汛期小洪水上下游最大水头差34 m，收缩断面水流佛氏数（Fr）为2.7和3.1，泄洪消能参数均属于典型的单宽流量大、佛氏数低的弱水跃消能，且都在消能率较低的弱水跃（Fr=1.7～2.5）和颤动水跃（Fr=2.5～4.5）范畴内。加之河床岩石抗冲能力较弱，使得消能形式的选择受到较多限制因素影响，泄水闸布置及消能问题非常复杂。

大藤峡水轮发电机组单机容量200 MW，为国内单机容量最大的轴流式机组。大藤峡水轮机转轮直径达10.4 m，水轮机制造难度系数高达4100，在同类同水头段的机组中为国内外之最。发电机定子机座外径20.2 m，外形尺寸巨大，推力负荷3800 t，与大型混流式机组处于同一水平，为轴流机组中最大。机组发电水头变化范围为10.07～12.91～37.79 m，水头变幅大。该级别机组的国内设计、制造和运行实践经验相对较少。

为满足西江“黄金水道”运输要求，推荐的单级船闸方案，设计水头40.25 m，为国内外已建单级水头最大的Ⅰ级船闸。单次充泄水量达42万m3，为满足通过能力要求，闸室充泄水输水时间不长于15 min，输水系统最大充泄水流量达900 m3/s，闸室水位最大上升速度达4.5 m/min。闸室停泊条件与进入闸室的水流能量及消能方式关系密切，独特的水力学指标对输水系统布置提出更高的要求。下闸首人字闸门高47.5 m，宽20.2 m，最大挡水高度46.05 m，单扇门叶重达1295 t，人字门结构采用单吊点设计，静水启闭，最大淹没水深26.29 m，人字门的设计、制造及安装面临巨大挑战。

大藤峡水利枢纽分二期导流施工。二期土石围堰保护基坑的同时还承担防洪、通航、发电及补水压咸等任务，最大挡水高度48.8 m，拦蓄库容达16.94亿m3。由于堰体大部分为水下抛填施工，围堰安全至关重要。大江截流安排在2019年11月下旬，截流处最大水深约26 m，截流设计流量达2430 m3/s，截流难度大。

三、关键技术研究成果

1.复杂地质条件下的基础处理

针对坝基软弱夹层问题，通过钻探、物探、平洞、竖井、原位剪切和变形试验等勘探手段，查明了软弱夹层的空间分布和工程特性。对岩溶基础进行了专题研究，在常规勘察手段的基础上增加了孔间CT探测、声纳探测、瞬变电磁、高密度电法等勘探手段，基本查明岩溶发育特征和分布范围。

（1）挡水建筑物深层滑动问题

坝基岩层主要为细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩，岩层倾向下游，沿水推力方向视倾角8°～13°，单层厚度以30～50 cm为主。受构造影响，硬岩与软岩发生相对错动，致使层间软弱夹层发育，产状与岩层一致，厚度一般小于10 mm，组成物多为泥夹碎屑型，结合现场原位试验确定其力学指标为f’=0.26，c’=0.015 MPa；软弱夹层与断层、节理裂隙等结构面组合后，形成以软弱夹层为底滑面的坝基抗滑不利组合。

深层滑动模式为剪切滑移，即沿软弱夹层滑动时受到下游岩体的抵抗，剪断下游岩体或沿下游岩体中倾向上游的陡倾角节理面滑出。泄水闸闸门推力较大，下游抵抗岩体较薄，发生深层滑动的可能性较大。为准确模拟泄水闸坝段稳定条件，通过三维裂隙网络统计以获取坝基岩体内裂隙的连通率和等效力学参数，进而运用数值模拟（离散单元法）和物理模型相结合的方法对泄水闸典型坝段基础的稳定性进行定量分析，推荐在泄水闸坝段上下游设置深齿槽，同时采用封闭式帷幕和抽排系统，降低坝基扬压力，有效解决了坝基深层抗滑稳定问题。

（2）船闸闸室地基岩溶处理

船闸闸室地基位于泥盆系下统那高岭组碎屑沉积岩和郁江阶下段的碳酸盐岩接触带上部碳酸盐岩区域内，区域地下水通过碳酸盐岩侧排泄到黔江，加上断裂、节理等构造破坏，碳酸盐岩体岩溶发育强烈，岩溶成因复杂。按岩溶发育形态，共发育有4条较大的溶槽，沿线分布大小不一的溶洞、溶沟及溶隙等，多数充填黏土和块石。由于岩溶发育位置低于黔江最低排泄基准面，部分岩溶出现持续涌水现象。

对建基范围内的岩溶充填物采取置换混凝土后进行固结灌浆的处理方式。对于强烈溶蚀区以及溶槽溶洞发育且连通性好、岩溶涌水量大的部位，采用“分区分块浇筑，井点水泵抽排，管道减压引排，混凝土覆盖，反灌回填”方案进行处理。

2.大泄量泄洪消能及“钢梁+预应力闸墩”结构

大藤峡泄水闸规模主要受20年一遇洪水下的泄洪能力控制。为减少对厂房和船闸布置的影响，在满足泄洪、排沙和排漂需求的同时，应尽量减小溢流前缘宽度，泄水建筑物采用高孔、底孔组合的布置方案，设2个高孔和24个底孔。高孔采用开敞式实用堰，满足泄洪和排漂要求；底孔采用带胸墙宽顶堰，堰顶高程与河床高程相同，满足泄洪要求并兼顾排沙。针对水库水位变幅较大时底孔从堰流过渡到孔流时存在气蚀的可能，对比了单胸墙、双胸墙方案，由于双胸墙对进闸水流有较长距离的导流作用，水流和胸墙底缘贴合较好，可有效缓解底缘脱空和负压问题，且结构整体性好，成为首选。

大藤峡水利枢纽工程为日调节水库，泄洪概率较高，为解决大流量泄洪消能问题，前期结合大藤峡水力学整体模型试验对平底消力池、逆坡消力池、宽尾墩+消力池、逆坡消力池+“T”形墩和“工”字形差动尾坎等多种消能型式进行比选，“工”字形差动尾坎方案消能效果较好。在初设审查阶段，考虑到闸门调度运行较复杂，将泄水底孔闸门型式全部由平板闸门改为弧形闸门。弧形闸门支铰采用支撑钢梁结构，但下游水位剧烈变动可能拍打钢梁，且左侧部分底孔泄水闸堰顶高程低于滩地高程，汛期低水位运行期间推移质和施工围堰拆除的残留石渣过闸时可能冲击和磨蚀消能工。高水位泄洪时，消能工附近流速较高，存在空蚀的风险。因此，进一步研究了二级消力池布置形式，通过对比试验，推荐“一级消力池设尾坎+二级逆坡消力池”的方案，同时将闸室水平段向下游适当延伸，详见图1。推荐方案将水跃完全限制在一级池内，在有效解决消能问题的同时，避免了水跃进入闸室拍打弧门底缘及支撑钢梁的问题。

图1 推荐方案泄水底孔（右区）剖面

泄水闸底孔为两孔一联带胸墙的坝身泄水孔，孔口尺寸9 m×18 m（宽×高），边墩厚4.00 m，中墩厚5.30 m。泄水闸底孔弧门尺寸较大，正常蓄水位时闸墩所承受的弧门推力标准值为68 200 kN，弧门总推力设计值为72 576 kN。弧门支承体采用简支钢梁型式替代常规混凝土锚块方案，支承钢梁为箱型结构，两端通过预应力锚索将闸墩与钢梁连接成一体，有效减小了闸墩宽度。弧门支臂推力全部由预应力锚索承担，主锚索设计采用后张法施工，单根锚索永存吨位为4600 kN。

3.大型轴流转桨式水轮发电机组参数及结构研究

初步设计阶段，按照装机容量1600 MW，共进行了六个方案的技术经济比选，包括6、7、8、9台机组，左岸布置3台或4台机组对应的不同机组台数组合等。8台机组（左岸3台机组、右岸5台机组）方案充分利用了地形地质条件，机组制造难度适中，发电效益合理，综合经济指标最优。

水轮机参数既标志着机组技术水平，也决定着机组造价，关系到电站的投资效益和安全稳定运行。根据工程运行条件，结合国内外制造厂家的征询意见，对水轮机参数选择进行了系统研究。初选大藤峡机组的额定转速为68.2 r/min，此时额定比转速为551.2 m·kW，高于国内外类似工程的统计曲线；比速系数为2756，此值与银盘、桐子林、乐滩等电站机组相当。转轮直径10.4 m对应的单位转速范围为115.4～223.5 r/min，额定水头对应的单位流量1.679 m3/s，空化安全系数符合要求，各方面参数匹配较为合理。

针对低水头大容量、推力负荷大、水头变幅高的特点，综合考虑制造安装等因素，对机组总体结构、水轮机发电机主要部件结构及推力轴承进行了系统研究，水轮机全通道几何模型见图2。推荐采用半伞式结构，转子的上方设有上导轴承，下方设有下导轴承和推力轴承，推力轴承设置在下机架，下机架的基础为机墩混凝土结构，有利于控制和减少机组振动，减小顶盖水力振动对整个机组运行的影响。水轮机座环是机组最基础和最重要的受力传力部件，采用上下环板加固定导叶的双平板结构，从制造工艺以及工地安装方式考虑，此种制造工艺好，刚强度好，能有效改善低水头大尺寸流道的受力条件，且安装调整简单，对保障机组整体安装进度和质量控制极为有利。

图2 水轮机全通道几何模型

对比初设阶段推荐的水轮机参数和机组招标定厂并通过水轮机模型验收试验后核定的真机参数，二者基本一致，表明大藤峡的大型轴流转桨式水轮机参数及结构选择是合适可行的，同时具备技术先进性。

截止到2023 年9 月，左右岸8 台机组已相继投产发电，机组运行安全、稳定、高效，各项指标均能较好地满足设计及规范要求。

4.高水头船闸输水系统及金属结构研究

（1）自分流输水系统

船闸通过闸室充泄水系统实现船舶过闸。高水头船闸的输水系统既要满足船舶快速过闸需求，又要保证闸室内船舶在各种水流作用下的系泊安全，因此在输水廊道流量大、流速高的前提下，输水阀门段廊道、第一分流口、第二分流口等输水系统关键部位的水力学问题非常突出，同时还要力求进入闸室的水流均衡、平稳，出水口的消能布置至关重要。国内外已建较高水头船闸均采用4区段等惯性输水系统，第一、第二分流口多采用立体分流，消能方式有盖板消能和明沟消能两种方式。鉴于大藤峡船闸进入闸室的水流能量更大，简单照搬已有输水系统布置不能解决问题。经多次试验研究，创新提出了自分流全闸室出水输水系统，该方案将第二分流口由复杂的立体分流体型修改为大空腔自分流体型，增加了出水支廊道长度，将出水孔区域的闸室占比由60%左右提高至90%，闸室出水更均衡，出水孔消能也得到明显改善。闸室输水时间及充泄水过程3000 t船舶最大系缆力均有较大富余。

（2）金属结构研究

船闸下闸首人字闸门及输水系统反弧门体型巨大、运行频繁。围绕船闸金属结构设备开展了十余项专题研究，其中人字闸门漂移特性及对策、底枢及润滑结构、底枢结构智能监测及人字闸门抗疲劳技术等4项技术研究为行业内首次开展。

人字闸门以其受力简洁、运行灵活成为船闸最广泛采用的闸门型式，船闸正常工作情况下，每年开关近10 000次。为了最大程度改善大藤峡下闸首人字闸门低周高应力疲劳问题，经优选，闸门主体结构采用Q390GJD 钢材，可有效降低结构应力集中水平，提高闸门的抗疲劳使用寿命。人字闸门底枢是闸门旋转状态下的唯一支撑，采用球瓦承结构，由“蘑菇头”和轴承组成滑动摩擦副。国内已建大型人字闸门底枢基本采用固体润滑剂类自润滑轴承，“蘑菇头”多采用锻钢表面堆焊不锈钢或34CrNi3Mo合金钢进行调质处理。人字闸门的使用频率很高，底枢承受的荷载巨大，检查底枢磨损情况或更换底枢轴承时，需要船闸断航并顶升整个人字闸门，维修费用高且影响巨大。针对大藤峡船闸人字闸门特点，推荐底枢摩擦副“蘑菇头”材料采用高碳高铬不锈轴承钢G102Cr18Mo，轴承材料为铜合金镶嵌无铅PTFE类固体润滑剂，通过研磨试验，其正常使用50年后磨损值仍小于2.0 mm，极大降低了人字闸门运行期的故障率，确保通航安全及通航效率。

针对传统人字闸门在更换门轴柱与闸门底部衔接处异形橡胶止水时极为不便、耗时耗力的情况，研究开发一种新型止水结构，通过增加一道活动底槛，不仅继承了传统设计在止水严密性方面的优点，同时从结构上为人字闸门检修更换密封止水提供条件，大大节省了船闸检修时间，减少了人机消耗。

5.二期截流及围堰结构研究

大藤峡水利枢纽施工分二期导流。一期导流先围左岸，江水由束窄后的右岸河床过流，在一期围堰的保护下，施工左岸21孔泄水闸、左岸厂房等建筑物。二期导流围右岸，江水由一期建成的21 孔泄水闸过流，在二期围堰的保护下，施工右岸5 孔泄水闸、右岸厂房及挡水坝等建筑物。二期围堰保护基坑的同时还承担防洪、通航、发电及补水压咸等任务，围堰持续高水位挡水运行。经比选，二期上下游均采用土石围堰，上游围堰长约350 m，最大高度50.30 m，最大挡水高度48.8 m，土石方总填筑量115 万m3，混凝土防渗墙6000 m2，拦蓄库容达16.94 亿m3。为保证在一个枯水期内完成围堰填筑，2019 年10 月初开始围堰进占，围堰水下抛填深度约26 m，水下填料无法碾压密实。实施过程中为降低工程投资，围堰填筑料源采用坝基开挖石渣料，其中泥质粉砂岩和泥岩等软岩料占比达50%，对围堰安全运行造成不利影响。

针对围堰填筑料源差、深水抛填、高水头运行等特殊情况，创新提出了围堰施工新技术。结合模型试验及数模分析，准确预测陡变河床深水抛填围堰料与不同防渗体间的变形规律，对水下抛填料进行合理分区控制，减少抛填料变形不均匀性；根据塑性混凝土防渗墙深度的变化，调整防渗墙两侧填筑料振冲加密范围，改善了防渗墙的受力条件，降低高水头作用下防渗墙开裂风险；创新提出了土工膜与防渗墙、混凝土纵向围堰及岸坡结构连接型式，确保土工膜与周边建筑物紧密连接。围堰剖面详见图3。

图3 二期上游围堰剖面图

大江截流安排在2019 年11 月下旬，相应设计流量2430 m3/s。截流戗堤抛填量18.64 万m3，受施工条件限制只能从右岸一侧单戗堤进占。由于右岸主河槽深切，河床底高程4.00 m，用于分流的泄水闸底板高程22.00 m，分流落差高，截流难度大。

针对截流流量大、龙口段河床主河槽深切、分流条件差、抛投料流失严重等问题，提出了截流戗堤轴线与水流呈最佳交角的方案，改善了堤头水流条件，减少了戗堤进占抛投料流失量。在龙口区设置两道钢筋石笼拦石坎，对河床进行加糙，龙口段采用堤头偏上游呈45°的上挑角法抛投进占，并采用钢筋石笼（1.5 m×1.5 m×1.5 m）与混凝土四面体（单重20 t）相结合的人工抛投料，大大减少龙口抛投料流失。

四、结 语

大藤峡水利枢纽工程前期工作历时近60年。随着国民经济的飞速发展，不同发展时期对工程的任务和规模有不同的要求，回顾前期工作调整过程，可进一步了解大藤峡水利枢纽在西江流域的重要作用。设计团队在不同时期分别开展了大量的分析、研究和论证工作，解决了复杂地质条件基础处理、大流量泄洪消能、大容量轴流转桨机组选型及结构型式、高水头单级船闸输水系统及金属结构设备制造安装和大流量截流及围堰填筑等诸多技术难题，为工程顺利实施提供了技术保障。2022年9月工程通过了水利部主持的二期蓄水（61 m高程）阶段验收，2023年9月2日最后一台机组投产发电，运行初期工程拦蓄洪水、通航、发电及补水压咸等功能已得到充分发挥，监测资料表明工程各项指标良好。