第二节 高混凝土重力坝枢纽
据不完全统计，中国已建、在建的装机容量在15MW以上的水电站中，高、中、低混凝土重力坝达149座。目前已建的三峡大坝是最高的混凝土重力坝的代表，坝高181m，也是装机容量最大的水电站枢纽，首批机组在2003年投产，已经于2009年年底完工。
选择重力坝坝型，主要是中国大多数河流的径流在年际和年内分布不均匀，洪水洪峰量大，需设置泄洪能力大的泄水、排沙和导流设施，并妥善解决其消能防冲问题。混凝土重力坝抵御洪水和地震等自然灾害的能力较强，施工质量较易保证，结构安全度较明确，又易于在坝体内布设泄洪表孔、深孔和导流底孔，以及灵活的布置型式的电站厂房，从而使建设者较多地倾向于采用这种坝型。
随着筑坝技术的进步和发展，高拱坝和高土石坝的发展也很快，但是重力坝坝型仍具有竞争优势。在已建的大型电站中，重力坝坝型比重最大，例如，已建的三峡（181m）、向家坝（162m）、江垭（131m）、大朝山（115m）、棉花滩（111m），已建的漫湾、宝珠寺、安康、岩滩、潘家口、水口等大型水电站，均是坝高在100m以上的重力坝枢纽。
一、高混凝土重力坝枢纽布置的分类
从已建和在建的100m以上的重力坝枢纽的布置来看，如以泄洪和电站厂房布置为中心，大致可以分为以下几种型式。
1.坝后厂房、厂顶（或厂前）挑流泄洪
以20世纪60年代建成的新安江、80年代初建成的乌江渡和90年代初建成的漫湾水电站等重力坝枢纽为例，它们的共同特点如下：
（1）大坝泄洪和电站厂房等建筑物重叠布置，占据整个河床。除新安江为宽缝重力坝外，其余均为实体重力坝。
（2）采用坝顶表孔从坝后厂房顶泄洪或跨越厂房挑流泄洪，单宽泄量均较大。
（3）电站厂房的进水口设在表孔的闸墩内。
（4）施工导流分别采用坝内设导流底孔、河床分期截流或采用导流洞导流。大坝和厂房混凝土均采用大型缆机浇筑。
这种枢纽布置非常紧凑，整体安全性能好，工程量省，建设周期短，经济效益显著。由于受峡谷地形的制约，为减少两岸岩质边坡的开挖，采取挑流入河床消能型式。60年代以来，这种枢纽布置型式积累了不少成功的经验，在大中型水电站中被广泛运用。
2.坝后（地下）混合式厂房、岸边溢洪道及深孔泄洪
以20世纪70年代初建成的黄河刘家峡水电站大坝枢纽为例，布置特点如下：
（1）在峡谷河床中布置147m高的重力坝，两岸基岩较低，布设混凝土副坝和黏土心墙土石坝。
（2）在峡谷河床和岸坡陡岩内坝后地下混合式厂房，地下电站和安装厂布设呈窑洞式，以缩短引水道系统长度。厂房内安装有4台225～250MW和一台300MW大型机组，总装机容量1225MW。
（3）泄洪排沙建筑物分散布置，以改善峡谷的消能冲刷。利用右岸垭口地形布设溢流溢洪道，在左右岸布设坝内底孔和深孔隧道。最大泄洪量9220m3/s。
（4）由于黄河为多泥沙河流，年均输沙量为8700万t，左右岸底孔和泄洪洞主要用来泄洪排沙，控制库内泥沙淤积面，排除机组进水口前泥沙，并考虑人防安全，对枯水位进行有效控制。
（5）220kV、330kV开关站和出线建筑物均分别利用左右岸导流隧洞及其施工支洞布设成地下式。
刘家峡水电站是我国第一座1000MW以上的大型水电站，枢纽特点布置紧凑。
3.岸边坝后厂房，河床泄洪
以20世纪80年代末建成的安康、90年代初建成的岩滩及20世纪末建成的万家寨水电站大坝枢纽等为例，它们的共同特点如下：
（1）采用实体重力坝，坝体内不同高程布有大直径泄洪孔或进水口。坝后厂房在河床右岸岸边；河床及左侧为泄洪坝段，布设有表、中、底孔，进行泄洪和排沙。
（2）选用大容量机组以缩短厂房进水口前沿长度，减少两岸边坡的开挖。泄洪量很大时，采取开挖两岸边坡，力求不另设地下厂房的方法。如安康、岩滩电站，靠岸边的机组段，是在岩基上开挖成的，大坝、厂房基础形成“高、低腿”。
（3）采用坝内导流底孔和明渠导流，明渠成为泄洪坝段的底流消能护坦。
（4）设有不同型式的排沙（或冲沙）底孔，排泄厂房进水口前的淤沙，控制淤积面。
（5）有通航要求的岩滩、安康水电站，利用导流明渠专设为下游引航道，设置垂直升船机。
（6）大坝、厂房的混凝土均采用大型缆机浇筑。
这种型式的枢纽布置紧凑，结构不复杂，施工较方便。设计、施工中广泛地吸取了国内重力坝建设中的经验和教训，特别是在泄洪、排沙建筑物的布置中，均较妥善地选用表、中、底孔相结合的泄洪消能布置型式，较好地对机组进水口前进行“门前清”排沙。20世纪70年代以来，已较广泛地采用这种枢纽布置，尤其是1980—2000年建成的坝高100m上下的重力坝枢纽，基本上都是这种布置型式。实践经验说明，其工程量较少，投资造价较低，施工较简便，建设周期短，技术经济指标优越，可以边施工、边蓄水、边发电，有利于提前发挥效益。
4.河床坝后厂房、两岸河床泄洪
以20世纪90年代建成的白龙江宝珠寺水电站大坝枢纽为例，最大坝高132m，水库总库容25.5亿m3，最大泄量16060m3/s。这种类型枢纽布置基本上和前述坝后电站相似，但另具特色：
（1）由于峡谷为U形河床，装有4台175MW机组电站厂房占据河床中部，左右两岸布设表、中孔泄洪建筑物，底孔分设在电站厂房的两侧。大坝和厂房岩基开挖量以及混凝土总量均较其他布置方案为少。
（2）利用右岸基岩出露的河滩地形布设导流明渠和表孔溢流坝，明渠底流消能，泄槽挑流消能，泄槽挡墙又起护岸作用。
（3）电站厂房左右侧两个泄洪排沙底孔，其泄量占总泄洪量的1/4。底坎高程低于机组进水口约15m，可有效地排除进水口前的泥沙淤积，也有利于水库排沙，增加有效库容。
（4）导流底孔和泄洪底孔组合成分期施工导流，导流标准较高，可全年施工。大坝和厂房混凝土采用4台大容量缆机（20t）浇筑，建设周期较短，截流后5年首台机组投产。
5.两岸坝后电站厂房、河床泄洪
以已建的长江三峡工程为代表，工程建设目标是防洪、发电和航运，最大坝高181m，是我国最高的重力坝，水库总库容393亿m3，最大泄洪量98800m3/s（千年一遇）。总装机容量18200MW，年均发电量847亿kW·h，是当今世界举世瞩目的水利枢纽工程。
6.河床泄洪、地下厂房
以澜沧江上已建的大朝山水电站大坝枢纽为例。最大坝高115m，总库容9.4亿m3，最大泄洪量23800m3/s。枢纽总布置特点如下：
（1）峡谷坝址泄洪量大，河床全部设溢流坝表孔和排沙底孔，分别采用宽尾墩戽式消力池底流和挑流消能。安装有6台225MW机组的厂房设在右岸地下，机组进水口沿右岸坝肩缓坡地形，与大坝轴线构成紧凑的引水泄洪前沿。
（2）厂房和引水发电系统为地下工程，坝体内仅有表、底孔少数大孔口，河床溢流坝和左岸非溢流坝约130万m3大体积混凝土就可以依托大吨位缆机，采取碾压混凝土（RCC）施工方法进行浇筑，取消了坝体内的纵缝，加强了大坝的整体性，大大简化了施工工艺。
（3）采用15m×17m断面的隧洞导流，采用碾压混凝土高拱围堰挡水，可保证河床大坝全年施工。
（4）右岸地下厂房和引水道系统规模甚大：6条内径为8.5m的压力管道，233.5m长的地下厂房（宽26m，高62.33m）和2条1250～1350m长、内径15m的尾水隧洞，以及阻抗式尾水调压室等地下结构，总开挖量达160余万m3。与河床大坝混凝土施工，形成两套互不干扰的施工工艺系统，构成相互制约而又非常明确的建设工期。
（5）由于以上枢纽布置的格局以及库容不大，争取边蓄水、边发电，1997年11月截流，2001年首批机组发电，建设速度很快。
7.左岸坝后厂房及右岸地下厂房、河床泄洪
以金沙江的向家坝水电站为例。最大坝高162m，水库总库容51.63亿m3，最大泄洪量49800m3/s（P=0.02%）。枢纽总布置特点如下：
（1）坝址处金沙江流向为110°，河谷呈U形，枢纽工程由混凝土重力坝、右岸地下厂房及左岸坝后厂房、通航建筑物和两岸灌溉取水口组成。
（2）泄水建筑物布置在河中偏右岸，由中孔和表孔组成，中孔共7孔，孔口尺寸为7m×11m（宽×高），进口孔底高程305m；表孔共5孔，单孔宽19m，堰顶高程354m。
（3）左岸布置坝后式厂房、右岸布置地下厂房，各安装4台单机容量80万kW的水轮发电机组。升船机布置在河中偏左岸，采用一级垂直升船机，最大提升高度为114.20m，可以通过2×500t一顶两驳船队，或者1000t级一顶一驳船队，设计单向年过坝货运量254万t。灌溉取水口分别布置在两岸坝段。
（4）工程施工采用分期导流方式。第一期围左岸，在左岸滩地上修建一期围堰，由束窄后的右侧主河床泄流及通航；二期围右岸进行主河床截流，由左岸非溢流坝段内设置的6个10m×14m（宽×高）导流底孔及高程280m、宽115m的缺口泄流。
（5）由于向家坝紧邻城市建设，也由于金沙江的松软地质条件，向家坝不能采用三峡大坝那样简单的挑流消能方式而被迫选用技术难度更大、维护成本更高的底流消能方式，为此向家坝建设了世界上最大的两个大型洪水消力池。
（6）为解决砂石骨料供应问题，向家坝工程特地建立了世界上最长的砂石骨料输送带长达40余km。
二、高重力坝枢纽布置特点
新中国成立以来，建成了很多混凝土重力坝枢纽，有不少的经验和教训。随着科学技术的发展，筑坝技术的进步和创新，在高重力坝枢纽布置上形成以下特点：
（1）高重力坝坝型趋向实体重力坝。
（2）坝体断面更趋经济合理。
（3）坝体结构的变化，促进重力坝枢纽布置的创新和发展。
（4）高重力坝枢纽设置大孔口深（底）孔进行泄洪排沙和控制库水位的发展趋势十分明显。
（5）高重力坝水电站枢纽广泛采用大容量水轮发电机组。
（6）工程导流与重力坝枢纽布置紧密结合。
（7）施工布置已是重力坝枢纽的重要组成部分。
三、挡水发电为主的水利枢纽
以三峡水利枢纽工程（图1-2）为例，三峡主体工程混凝土重力坝最大坝高181m，坝轴线全长2309m。水库总库容393亿m3，在校核洪水位下的最大泄洪流量达102500m3/s，采用坝身22个表孔（8m宽）、23个深孔（7m×9m）和电站机组联合泄洪，是目前世界上布置坝身泄洪规模最大的工程；初期电站装机1820万kW（26×70万kW），年发电量847亿kW·h，是世界上装机容量最大的水电站；枢纽左岸布置有双线五级船闸（单级尺寸：280m×34m×5m），最大阀门水头45.2m，最大提升高度113m，最大过闸船舶吨位3000t，是目前世界上规模最大的船闸，现已正式投入运行。三峡工程是集防洪、发电、航运综合效益为一体的世界级特大型水利枢纽工程。
图1-2 三峡工程建设时期的面貌
三峡工程在枢纽布置上有如下显著的特点：
（1）泄洪坝段居河床中部，两侧为厂房坝段和非溢洪坝段。大坝混凝土总量1480万m3。大坝在枢纽布置中有三大特点：①泄洪设备多，设有22个表孔，23个深孔，3个泄洪排漂孔和7个排沙孔；②导流设备多，除右岸岸边宽达350m的导流明渠外，在泄洪坝段内尚设有23个大孔径导流底孔；③坝后式电站装机容量大，机组共有26台（700MW），左右两侧厂房坝段总长1106m。泄洪坝段加上排漂孔前缘总长583m。这两种主要坝段总长为1690m，已超过原河道宽度（约1300m）。因此，左、右两侧电站的部分厂房是在岸坡内深挖而成。
（2）工程导流设计标准为百年一遇，泄量为73800m3/s。坝体深底孔未形成前由右岸导流明渠宣泄；明渠封堵建设右岸坝后厂房时，由坝内导流底孔和永久泄洪深孔联合宣泄。
（3）为解决工程施工期长江不断航，枯水期由导流明渠通航；另在左岸非溢流坝段布设垂直升船机和临时船闸，汛期通航。永久船闸建成通航后，临时船闸改建为泄洪冲沙闸。
（4）在坝址左岸山体内开挖双向五级大吨位船闸，可通航万吨级船队，年过坝运输量单向可达5000万t。上下游引航道总长4835m，航道底宽180m。引航道和口门均远离上下游的泄洪区，出口口门距坝轴线4.5km。
三峡工程建设克服了一系列技术难题，在长江防洪系统研究、泥沙与航运问题、库坝区地质和地震问题、工程施工关键技术、电力系统规划及关键技术、三峡工程对生态环境的影响和对策、工程枢纽建设关键技术等研究课题上取得了大量突破性的成果，为保障工程建设的顺利实施提供了坚实的科学基础。
四、通航河流上大坝枢纽布置
1.已建和在建有通航建筑物大坝枢纽布置
有通航要求的大坝和大型水电站，通航建筑物在枢纽布置中所处的地位，取决于它的航运规模和运输量。已建和在建的大坝枢纽中大致可分成两类：
第一类是航运规模相对较小，一般都采用垂直升船机的方式，在枢纽总布置中升船机的工程量组成较易于调整。例如表1-2中的丹江口、隔河岩、岩滩等工程，都是布设有大型升船机的大坝枢纽。
第二类是航运规模相对较大，有全年通航要求的河流上建设大型或特大型的水电站大坝枢纽，其通航建筑物的布置占有极为重要的地位，则就要设置大型的通航船闸。例如表1-3中长江上的葛洲坝、三峡，闽江上的水口，沅江上的五强溪等水利枢纽工程。
表1-2 设置有大型升船机的大坝枢纽
注 括号中的数据为远景设计数据。
表1-3 设置有大型通航船闸的大坝枢纽
2.大坝枢纽布置特点
（1）坝址河谷较宽，坝型都采用混凝土实体重力坝。
（2）泄洪流量很大，泄洪建筑物是重力坝枢纽的主体，占据河床的中部。
（3）电站机组台数多，厂房布设在河床的两侧或一侧，为坝后式电站或河床式电站（葛洲坝）。
（4）大吨位船闸占据有利地形，上、下游引船道保持有良好的水力学条件。
（5）工程都有施工期通航的要求，从枢纽布置上结合施工导流，施工期通航得到较完善的解决。
3.通航建筑物枢纽大坝的代表工程——葛洲坝水利枢纽
葛洲坝水利枢纽是长江干流上20世纪80年代建成的最大的水利枢纽工程，电站装机容量271.5MW，最大坝高48m。坝址区河道宽2200m，江中有葛洲坝、西坝两座小岛，自右至左把长江分隔为大江、二江和三江，对枢纽总体布置极为有利。坝轴线全长2595.1m，枢纽布置中将泄洪、发电、航运三类建筑物作为主体，整体协调统筹规划，解决好排冲沙、防淤等复杂的技术问题。
（1）在河床中部、长江的主河道上布设泄水闸，是枢纽中的主要建筑物。闸共27孔，挡水前沿总长498m，最大泄流量83900m3/s。每个闸孔宽12m、高24m，设上下两扇闸门（上为平板门，下为弧形门），底流消能的一级消力池，池长180m，护坦上设两道隔墙，将27孔泄水闸分隔成三个区。
（2）在泄水闸左、右两侧的大江、二江上，各布设两座电站厂房，其中左侧二江电厂装机7台共965MW（2×170MW，5×125MW）；右侧大江电厂装125MW机组14台共1750MW，总装机达2715MW，是20世纪内建成的最大水电站之一。在河床中的西坝和大江右岸台地上，布设220kV和550kV开关站。在泄水闸和左右侧两座电站厂房之间设纵向导流墙分隔。而在纵向导流的上游、在机组进水口的前沿各设拦漂设施，将库内的漂浮物由泄水闸泄出。
（3）依托河道中葛洲坝、西坝两岛和右岸岸边各布设3道大吨位船闸。以上、下游引航道为隔流堤，与长江泄洪、发电主河道分离。
（4）为防止航道淤积，在大江电厂和1号船闸右侧设9孔冲沙闸；在三江航道2号、3号船闸间设6孔冲沙闸，并在西坝岛的迎水面建有三江防淤堤，对1号、2号船闸和二江电厂的防淤、冲沙起积极作用。