1.4　下水库

1.4.1　拦沙坝设置的必要性

呼和浩特抽水蓄能电站下水库位于哈拉沁沟上，多年平均径流量2290万m3，悬移质输沙量60.5万t，侵蚀模数为857t/（km2·a）。预可行性研究阶段针对哈拉沁沟含沙量大的特点，推荐在拦河坝上游设拦沙坝及泄洪排沙洞的下水库布置方案。由于在距下水库拦河坝上游约2.6km处的哈拉沁沟上兴建了一座以防洪为主兼顾农业灌溉和供水具有多年调节性能的哈拉沁水库，改变了呼和浩特抽水蓄能电站下水库的水沙条件，因此有必要结合哈拉沁水库的调度运行方式，以满足呼和浩特抽水蓄能电站和哈拉沁水库安全运行为原则，重新研究呼和浩特抽水蓄能电站下水库的拦沙排沙措施。

通过不同的枢纽布置方案技术经济比较，分析相应的下水库补水方式、机组过机泥沙情况、电站运行方式等因素，并与类似工程进行对比。

（1）哈拉沁水库建成后，拦截了河道的大部分泥沙，但呼和浩特抽水蓄能电站下水库入库悬移质含沙量仍达15.3kg/m3。不设拦沙坝方案根据下水库来沙情况，采用了合理的泥沙处理措施以减少过机泥沙和上、下水库泥沙淤积，如采取在拦河坝上设置泄洪排沙底孔、上、下水库进/出水口设置沉沙池和挡沙坎、下水库蓄清排浑等措施，但在哈拉沁水库泄洪时，这些工程措施对减少过机泥沙作用不是很大。发生洪水时若电站采取不避沙运行方式，过机含沙量约为1.46～1.97kg/m3，远远超过0.15kg/m3的控制要求，对接近600m水头的呼和浩特抽水蓄能电站来说，其空蚀磨损应比常规电站严重得多，水泵水轮机本身的措施已难以解决泥沙磨损危害，估计转轮等过流部件大修周期不到2年，磨损相当严重。若采用洪水期机组停止运行，待哈拉沁水库停止泄洪，下水库沉淀一段时间后再投入运行，呼和浩特抽水蓄能电站又起不到日调峰、事故备用的作用，降低电站的经济效益。加之上、下水库进/出水口为双向水流，流态复杂，变化频繁，其附近沉淀的泥沙会被扬起，长期的过机泥沙造成对机组的严重磨损，导致机组频繁检修。

（2）虽然从列明的分项建筑物直接投资来看，下水库不设拦沙坝方案比设拦沙坝方案节省16549万元，但为解决过机泥沙机组磨损问题，采用“不避沙运行”方式除四台机50年增加更换转轮投资15000万元外，每年仅水泵水轮机大修一项至少也将造成调峰电量直接损失3500万kW·h左右，约1750万元；而采用“避沙运行”方式，即使哈拉沁水库建成后，每次洪水考虑泥沙沉淀时间，电站在4天内将无法运行，影响电站直接发电效益1339万元，最多一年可能多达上亿元。当然这还不包括对蒙西电网调度运行造成的间接损失，每年多出的24万～30万m3的补水费用以及下水库库盆范围深厚覆盖层下可能渗漏点处理将增加的费用。

由于泥沙问题较突出，必须采取拦沙、治沙、排沙等各种措施，尽量减少过机泥沙，并从枢纽布置及水库调度运行方式上来减少入库和过机含沙量。若不采取拦沙或主汛期停机避沙运行等措施，其过机泥沙问题将严重影响呼和浩特抽水蓄能电站机组选型、设计、制造和今后的运行，机组大修周期将远远小于8～10年的基本要求，机组将长期停机检修，否则水轮机效率严重下降，甚至无法停机，危及电站运行安全。下水库库区工程地形地质平面图如图1.4.1所示。

借鉴山西西龙池工程下水库岸边库的布置形式，从根本上解决多泥沙河流的泥沙问题。在呼和浩特抽水蓄能电站下水库设置拦沙坝，将下水库分隔为拦沙蓄水库和蓄能电站专用下水库，拦沙蓄水库负责拦洪排沙，蓄能电站下水库专职发电，可以彻底解决下水库的泥沙问题。

综上所述，呼和浩特抽水蓄能电站下水库设拦沙坝方案与不设拦沙坝方案相比，具有不可替代的优势，枢纽布置简单，电站建设和运行综合费用相对较低，运行安全，维护简单，管理方便，真正能承担电网调峰、事故备用的任务。呼和浩特抽水蓄能电站下水库设置拦沙坝是必要的。

1.4.2　下水库一个弯段和两个弯段方案选择

下水库库址，预可行性研究阶段推荐拦河坝位于大西沟出口上游约480m，拦沙坝位于西窑子下游约1km处，即一个弯段下水库方案。这样下水库可避开大西沟泥沙下泄的影响，库岸边坡相对稳定，泄洪排沙洞短，排沙效果好，有利于电站施工与安全运行。但下水库库盆开挖量较大。因此，根据拦河坝至哈拉沁挡水坝间的地形地质条件，保持拦河坝位置及形式不变，充分利用拦河坝上游的两个“S”形河曲作拦沙坝，即两个弯段下水库方案，再次进行比较，见表1.4.1。

从下水库工程建筑物布置分析，主要区别在于泄洪排沙洞，平面布置一个弯段方案泄洪排沙洞短且顺直，洞内水流流态较好，有利于排沙；两个弯段方案泄洪排沙洞长，有一弯段，洞内水流流态较为复杂，排沙效果不好，且洞身距下水库较近，库水通过NEE向陡倾角裂隙向洞内渗漏的可能性较大，需采取帷幕防渗措施。从土建可比投资来看，一个弯段比两个弯段下水库方案投资省2436万元，这还不包括两个弯段下水库方案充水、补水等建筑物规模应增加的投资，以及下水库内未清除的河床覆盖层可能过机对机组的磨损问题。经技术经济综合比较，下水库采用一个弯段方案。

1.4.3　下水库地形地质条件

一个弯段下水库区谷底宽150～240m，高程为1358.00～1372.00m，河谷纵坡降约为1.85%，库区左岸地形坡度为34°～40°，发育有Ⅰ级阶地，库岸长约700m；右岸35°～50°，上部较缓，库岸长约885m。两岸冲沟共有六条，左岸一条，右岸五条，其中右六号、右八号沟规模较大，沟内多有洪积和崩坡积物分布，总量约20万m3，山洪暴发时易带入库内，增加水库的泥沙淤积。库区两岸均为吕梁期（γ）片麻状黑云母花岗岩，片麻理产状不稳定，但总体为NW300°～350°SW∠40°～75°，柔皱较发育，局部有斜长角闪岩残留体，其中以脉状斜长角闪岩数量居多，产状一般为NW315°～325°SW∠70°～90°，宽3～5m。河床为冲积洪积砂卵砾石漂石层，泥质含量高，厚度20～22m，最深31m，两岸坡脚分布有崩坡积土夹碎石，厚度1～3m。库区大的构造不发育，地表未见断层出露，仅在探洞中有所揭露，规模不大。裂隙主要发育NE向和NW向两组，高陡倾角，NEE组走向NE60°左右，以倾向SE为主；NW组走向NW320°～NW330°，以倾向SW为主。局部有一组NE60°～70°NW∠12°～30°的缓倾裂隙，延伸较短。

河床第四系孔隙水水位与地表水水位基本一致，纵坡降2.4%。覆盖层渗透系数13.4～21.0m/d。两岸地下水水力坡降变化较大，左岸由上游至下游横向坡降为28.5%～40.6%，右岸坡降为12.5%。透水率小于1Lu的岩体埋深差异较大，两岸相对不透水层埋深大于70m，河床部位埋深为70～90m，部分地段100m左右未见相对隔水带。钻孔揭露库底为弱和极弱透水带，到达一定深度后，透水性将变得极微弱，可视为隔水带，下水库不存在向库底的永久性渗漏。水库渗漏主要通过单薄分水岭向大西沟、坝下游、哈拉沁沟渗漏，以及向泄洪排沙洞、地下厂房等地下洞室渗漏。

下水库两岸地形较为陡峻，岸坡基本稳定，地下水对边坡影响较小。物理地质现象主要有卸荷、风化作用及小范围的崩塌。卸荷主要发生于凸出陡坡及小山梁地段，两岸卸荷带发育，左岸水平向卸荷深度为5～10m，右岸为5～19m。基岩弱风化带下限垂直深度河床部位一般为5～10m，两岸深度相近，左右岸分别为25～45m和25～50m。全强风化较浅，一般为1～2m，部分地段没有全强风化带。NE和NW向陡倾裂隙和卸荷裂隙在地表水侵蚀、风化等长期共同作用下，发生崩塌失稳。崩塌体一般以小规模零星分布，为近代崩塌形成的碎块石堆积体。

拦沙坝位于西窑子下游约1km处，右岸为一突出的山脊，较单薄，岩石风化破碎；左岸左四沟为一深切冲沟。拦河坝位于大西沟出口上游，右岸靠近大西沟沟口的凸岸，由于凸岸风化破碎，坝肩突出的山脊单薄，地形条件较差；左岸左五沟下游有一塌滑体，坝肩条件较差。

1.4.4　坝线选择

下水库正常蓄水位为1400.00m时，水位消落深度达45.0m，其运行水头/扬程的变幅为1.215，相对较大，对机组稳定运行有一定影响，坝线选择应考虑进一步降低水位消落深度的可能性。另外下水库一个弯段方案库盆左岸边坡石方开挖量较大，仅挖出调节库容就达130万m3左右，对山体扰动较大。因此下水库拦沙坝和拦河坝坝线选择，应考虑坝线位置与库容大小和泄洪排沙洞的直接关系，综合分析下水库地形地质、施工导流、设计水头等条件，在下水库一个弯段布置方案基础上向库外扩，即拦沙坝坝线向上游移动，拦河坝坝线向下游移动，达到降低下水库正常蓄水位和水位消落深度、减少库盆左岸边坡开挖量的目的。

根据拦沙坝和拦河坝两坝线的位置泄洪排沙洞布置尽量短且成直线，受两岸冲沟、地形地质条件影响，拦沙坝和拦河坝坝线位置可调范围较小。根据拦沙坝、拦河坝坝址处的地形、地质条件，拦沙坝和拦河坝各拟定可合理进行布置下水库各建筑物的两条坝线。为减少冲沟内处理工程量，拦沙坝下坝线（预可研推荐坝线）左坝肩布置于深切冲沟左四沟下游侧，右坝肩避开凸岸的风化破碎带，坝轴线与哈拉沁沟交角为43°。上坝线左坝肩布置于左四沟上游侧，右坝肩同样避开凸岸的风化破碎带。两条坝线的工程地质条件基本一致，差别不大。拦河坝上坝线（预可研推荐坝线）左坝肩布置于左五沟上游侧，右坝肩沿凸岸上移，避开风化破碎带，坝轴线垂直于哈拉沁沟。下坝线左坝肩布置于左五沟下游侧，右坝肩位置与上坝线相同，坝轴线与哈拉沁沟交角为45°。两条坝线的工程地质条件基本一致，无大的差别。

从降低下水库水位消落深度分析，估算得拦沙坝上坝线较下坝线可增加调节库容62.4万m3，约可降低下水库正常蓄水位2.6m；拦河坝下坝线较上坝线可增加调节库容30.6万m3，约可降低水位1.4m；同时外扩两坝坝线可降低水位4m。随着拦沙坝和拦河坝坝线向库外移动，在保持库盆开挖范围不变的前提下，下水库消落深度可降低，能相应降低机组的水头/扬程的绝对变幅，但各方案水头/扬程的绝对变幅和Hpmax/Htmax比值（1.2025～1.2123）都相差甚少，对水头/扬程的影响有限。由于水泵水轮机技术进步较快，可通过采取其他措施来解决由于水头/扬程的变幅较大带来的困难，如降低安装高程解决气蚀性能的问题、特殊导叶可解决低水头空载运行稳定的问题，都已取得了成功的经验。从库盆开挖分析，拦沙坝上坝线和拦河坝下坝线所围成的下水库与预可推荐下水库相比，可减少左岸边坡石方明挖约55万m3，降低开挖边坡高度，但需增加河床覆盖层明挖44万m3。虽然土石方开挖总量有所减少，但主要带来以下三个问题：①影响泄洪排沙洞和拦沙坝上游、拦河坝下游导流围堰的布置，泄洪排沙洞需往山体内移动使洞长增加，且洞线有转弯段，进口水流条件、洞身水流条件及排沙条件较差，施工工期较长；②拦沙坝左坝肩位于深切冲沟左四沟上游，拦河坝左坝肩位于左五沟下游，增大了支沟处理工程量，且两处山脊均较为单薄，对坝肩稳定不利；③上坝线拦沙坝坝基覆盖层平均厚度比下坝线厚约8m，会增大坝基覆盖层开挖量和坝体混凝土量。

经综合比较认为，坝线外扩降低下水库水位消落深度对机组稳定运行影响不大，拦河坝和拦沙坝布置影响泄洪排沙洞和上、下游导流围堰的布置，坝肩稳定条件较差，工程量相对较大。因此采用拦沙坝下坝线和拦河坝上坝线所围成的下水库方案作为可研阶段下水库布置方案。

1.4.5　拦沙坝坝型比较

拦沙坝位于拦河坝上游约740m处，河床高程为1374.00～1375.00m，纵坡降1.41%，宽度近60m。坝址区地表为第四系松散堆积物（Q4），两岸分布有一级阶地、二级阶地和左四沟洪积扇。阶地主要为冲积洪积砂卵砾石、漂石层和崩积坡积物壤土夹碎石、块石，一级阶地展布于河床右侧，宽度为15～40m，地面高程为1377.00～1379.00m；二级阶地宽度为5～60m，地面高程为1385.00～1387.00m。左四沟洪积扇洪积崩积物主要成分为次棱角及次圆状碎石、块石及壤土，位于河床左岸，分布高程为1375.00～1389.00m，纵坡降20%。坝址区大范围出露吕梁期片麻状黑云母花岗岩（γ），局部出露中细粒钾长花岗岩岩脉（ξ），斜长角闪岩、角闪片岩和黑云母角闪斜长片麻岩（N），在片麻状黑云母花岗岩中以脉状、团块状残留体形式产出。地质构造表现为小断层、节理密集带和长大裂隙等，物理地质现象主要有卸荷、风化作用及小范围的崩塌。拦沙坝区哈拉沁沟上游流向由SE向转折为SW向，之间的小山梁构成拦沙坝的右坝肩，该山梁走向NW307°，坝轴线处最高高程为1487.00m，两侧坡角差别不大，下游一侧平均坡比1∶1.37，局部为陡壁。拦沙坝区左侧岸坡高程为1385.00～1500.00m，山势陡峻，坡比1∶1.75，地表多有植被覆盖。

分析拦沙坝地形地质条件、下水库2000年一遇及以下洪水不过坝的运行特点、拦沙坝双向挡水情况，结合工程区附近的料源情况，拦沙坝坝型拟定碾压混凝土重力坝和沙砾石心墙坝两种坝型方案进行比选。碾压混凝土重力坝方案：坝顶宽度为5.0m，坝顶高程为1401.00m，河床坝基坐落在片麻状黑云母花岗岩弱风化中部，建基高程为1344.00m，最大坝高为57.0m。坝顶长度为228.0m，全为非溢流坝段。上、下游坝坡取1∶0.5，上、下游起坡点均为1395.00m。沙砾石心墙坝方案：坝顶高程为1403.50m，坝基坐落在冲积洪积砂卵砾石漂石层上，至混凝土垫层基础处最大坝高为49.5m，坝顶长度为200m，坝顶宽度为8.0m。参考哈拉沁水库沙砾石壤土斜墙坝坝坡计算成果，上、下游坝坡均取1∶3，坝身为碾压沙砾石，表面采用1.0m厚铅丝石笼护坡，在1385.00m高程设置2.0m宽马道。沙壤土心墙上、下游坡均为1∶0.25，与上、下游沙砾石填筑体间采用0.3m厚粗砂作为过渡层，底部设1.0m厚混凝土垫层。

拦沙坝碾压混凝土重力坝方案和沙砾石心墙坝方案综合比较。①碾压混凝土重力坝与沙砾石心墙坝方案相比，土建可比投资省1455.85万元；②碾压混凝土重力坝料源充足，沙砾石心墙坝近坝区无足够储量、质量可靠的混合坝防渗心墙天然建材；③碾压混凝土重力坝库盆左岸边坡石方开挖方量已达约130万m3，沙砾石心墙坝为满足调节库容要求库盆左岸边坡石方开挖还需增加16.8万m3，对山体扰动加大；④由于下水库采用哈拉沁水库下泄洪水和拦沙库区洪水叠加，当实际发生洪水大于设计洪水或哈拉沁水库溃坝时，碾压混凝土重力坝可以漫坝，而沙砾石心墙坝漫坝会破坏；⑤呼和浩特抽水蓄能电站气候严寒，下水库最冷月平均气温为-12.2℃，极端最低气温为-32.8℃，从坝体出现裂缝漏水检修条件分析，重力坝方案优于沙砾石心墙坝方案。下水库拦沙坝剖面图如图1.4.2所示。

碾压混凝土重力坝具有投资省、料源充足、便于检修等优点，因此拦沙坝坝型采用碾压混凝土重力坝方案。

1.4.6　拦河坝坝型比较

拦河坝位于大西沟沟口上游约480m，地面高程为1357.00～1358.00m，纵坡降1.85%，谷底宽约150m。坝址区地表为第四系松散堆积物（Q4），左岸分布有一级阶地和左五沟洪积扇。一级阶地宽度为20～30m，地面高程为1360.00～1363.00m，主要为冲积洪积砂卵砾石、漂石层和崩积坡积物壤土夹碎石、块石。一级阶地后缘左侧被左五沟沟口洪积扇覆盖，洪积崩积物主要成分为次棱角及次圆状碎石、块石及壤土，地面高程为1363.00～1385.00m，纵坡降12.2%。坝址区大范围出露吕梁期片麻状黑云母花岗岩（γ），局部还出露中细粒钾长花岗岩岩脉（ξ），斜长角闪岩和黑云母角闪斜长片麻岩（N），在片麻状黑云母花岗岩中以脉状、团块状残留体形式产出。地质构造表现为小断层、节理密集带和裂隙等，物理地质现象主要有卸荷、风化作用及小范围的崩塌。拦河坝区哈拉沁沟右岸距河谷310m为邻谷大西沟，两沟之间的小山梁构成拦河坝的右坝肩，该山梁走向NW290°，坝轴线处最高高程为1485.00m，平均坡比1∶1.68，可分为两段，下段高程为1360.00～1381.00m，坡比1∶1，局部为陡壁；上段高程为1381.00～1485.00m，山势较缓，坡比1∶2。哈拉沁沟左侧岸坡左五沟洪积扇以上，高程为1385.00～1500.00m，基岩裸露，山势陡峻，坡比1∶1.1。

分析拦河坝地形地质条件和库盆左岸岸坡开挖情况，考虑充分利用左岸岸坡开挖石料、地下厂房系统和尾水隧洞等开挖石料，结合工程区附近的料源情况，拦河坝坝型拟定碾压混凝土重力坝、混凝土面板堆石坝、沙砾石心墙坝三种坝型方案进行比选。碾压混凝土重力坝方案：坝顶宽5.0m，坝顶高程为1401.00m，河床坝基坐落在片麻状黑云母花岗岩弱风化中部，建基高程为1332.00m，最大坝高为69.0m。坝顶长度为264.0m，全为非溢流坝段。上游坝坡上部直立，高程1355.00m以下采用1∶0.1；下游坝坡为1∶0.7，起坡点高程为1395.00m。混凝土面板堆石坝方案：坝顶高程为1403.50m，最大坝高为66.5m，坝顶长度为232.0m，坝顶宽度为8.0m，上、下游坝坡均为1∶1.4，下游在1375.00m高程设置2.0m宽的马道。坝体分区从上游至下游分别设置石渣盖重区、黏土铺盖区、钢筋混凝土面板厚0.4m、垫层水平宽度为3m、过渡层水平宽度为3m、主堆石区、下游堆石区和下游干砌块石护坡厚0.5m。沙砾石心墙坝方案：坝顶高程为1403.50m，坝基坐落在冲积洪积砂卵砾石漂石层上，至混凝土垫层基础最大坝高为69.0m，坝顶长度为223.0m，坝顶宽度为8.0m。上游坝坡为1∶3，表面采用1.0m厚铅丝石笼护坡，在1380.00m高程设置2.0m宽马道。下游在1380.00m和1365.00m高程处设置2.0m宽马道，1365.00m高程以上坝坡为1∶2.25～1∶2.5，表面采用0.4m厚干砌石护坡；1365.00m高程以下设排水堆石棱体，其上游坡为1∶1，下游坡为1∶1.5，在排水棱体的上游面和基础表面设0.5m厚反滤层。沙壤土心墙上、下游坡均为1∶0.25，与沙砾石填筑体间采用0.3m厚粗砂作为过渡层，底部设1.0m厚混凝土垫层。

拦河坝碾压混凝土重力坝、混凝土面板堆石坝和沙砾石心墙坝方案综合比较如下：①从土建可比投资分析，混凝土面板堆石坝方案最省，沙砾石心墙坝最大，碾压混凝土重力坝方案比混凝土面板堆石坝方案增加1187.03万元，而比沙砾石心墙坝省2739.74万元；②碾压混凝土重力坝方案料源充足，面板堆石坝方案可采用下水库库盆左岸山体及地下洞室开挖的弱～微风化、新鲜的片麻状花岗岩和斜长角闪岩作为堆石料料源，沙砾石心墙坝方案近坝区无足够储量、质量可靠的混合坝防渗心墙天然建材；③碾压混凝土重力坝方案库盆左岸边坡石方开挖方量已达约130万m3，混凝土面板堆石坝和沙砾石心墙坝方案为满足调节库容要求，库盆左岸边坡石方开挖分别还需增加24.9万m3、41万m3，对山体扰动加大，开挖边坡高度增大；④由于下水库采用哈拉沁水库下泄洪水和拦沙库区洪水叠加，当实际发生洪水大于设计洪水或哈拉沁水库溃坝时，碾压混凝土重力坝方案可以漫坝，而混凝土面板堆石坝和沙砾石心墙坝方案会因漫坝洪水而产生破坏；⑤从坝体抗冻抗裂性能及出现裂缝漏水检修条件分析，重力坝优于沙砾石心墙坝和混凝土面板堆石坝。下水库拦河坝剖面图如图1.4.3所示。

为方便下水库施工组织、施工场地布置，加快施工进度，拦河坝和拦沙坝应尽量选用同一种坝型。碾压混凝土重力坝具有投资省、料源充足、便于检修等优点，因此拦河坝坝型也采用碾压混凝土重力坝方案。

1.4.7　下水库设计布置

下水库由拦河坝和拦沙坝围筑形成，拦河坝位于大西沟沟口上游约480m，拦沙坝位于西窑子下游约1km，距拦河坝约740m，泄洪排沙洞及下水库进/出水口布置在左岸。

拦沙坝和拦河坝均采用碾压混凝土重力坝，坝顶高程系由下水库库面内降雨形成的洪水标准经坝顶超高计算确定，均采用1401.00m高程，并设置1.2m高防浪墙。左岸泄洪排沙洞采用有压短管进口接明流泄洪隧洞的形式，按宣泄拦沙坝址处2000年一遇洪水设计，能够保证拦沙库洪水及泥沙不进入下水库。下水库正常蓄水位为1400.00m，死水位为1355.00m。为避免下水库泥沙对机组的磨损，库盆采用封闭形式，对库内固体径流进行防治，将右岸库坡表面不稳定的覆盖层进行清理，并将库盆内在高程1340.00m以上部分的河床覆盖层全部清除。由于清理后的库盆仍不能满足电站所需调节库容的要求，还需对下水库左岸山体进行开挖。在开挖过程中，经开挖揭露实际地质条件，拦沙/河坝建基面均有不同程度降低。加之左岸1409出线场开挖对左岸进/出水口位置地质条件进一步复查，调整进/出水口位置。开挖处理后的下水库总库容为733.91万m3，调节库容为666.10万m3，死库容为60.79万m3。

为满足下水库补水的要求，在拦沙坝上设置自流补水钢管。当下水库需放空检修时，在拦河坝前放置潜水泵，将排水管与预埋在拦河坝上的放空钢管连接，使下水库库水排往下游。

（1）拦沙坝布置。

采用碾压混凝土重力坝坝型，坝轴线方位NE7°29'45″。其主要作用为挡水挡沙，需保证上游来沙及2000年一遇的非常运用洪水不进入下水库。拦沙坝全为非溢流坝段，除左右岸部分高度较小为常规混凝土重力坝外，其余坝段为碾压混凝土重力坝，采用金包银方式修筑。坝顶高程为1401.00m，坝顶宽度为6.0m，在坝顶下游设置防浪墙，上游设置栏杆，防浪墙和栏杆顶高程均为1402.20m。拦沙坝河床坝基坐落在片麻状黑云母花岗岩弱风化中部，建基高程为1343.00m，最大坝高为58.0m，对应坝底宽度为58.0m，上、下游坝坡根据双向挡水要求经稳定应力计算确定为1∶0.5，起坡点高程为1395.00m。坝顶长200.0m，坝体不设纵缝，只设横缝，共分12个坝段，横缝间距除右岸端头1个坝段和左岸端部3个坝段宽度为14.0m外，其余坝段宽度采用18.0m。拦沙坝在上、下游常态防渗混凝土后设竖向排水管，坝基进行固结灌浆，陡坡部位还进行接触灌浆，坝基上、下游设防渗帷幕，并在防渗帷幕后及坝基中间位置设排水孔，坝基设置完全抽排系统。为满足灌浆、排水、观测和交通要求，坝体内设上、中、下三层廊道，各层廊道间通过廊道、电梯或竖井互相连通，并设通向坝顶的出口。

（2）下水库补水设施。

呼和浩特抽水蓄能电站地处干旱地区，哈拉沁沟流域多年平均降水量仅为368mm，水量缺乏。电站的上、下水库均是完全封闭的，地表天然径流无法进入上、下水库，在电站运行初期，需要采取人工措施，对上、下水库进行充水；在电站投入正常运行后，由于上、下水库以及水道系统的蒸发、渗漏，损失一部分水量，还需对电站进行长期补水。电站充水、补水水源取自下水库上游约2.6km处在建的哈拉沁水库，其总库容为6730万m3，死库容为1300万m3，调节库容为1986万m3，具有多年调节能力，可以调蓄哈拉沁沟的径流。

下水库补水措施考虑了三种方案：①拦沙坝坝体内埋管自流补水，在拦沙坝坝体内水平埋设一根钢管，钢管内径为1.0m，壁厚16mm，钢管中心线高程为1385.50m，钢管长14.5m，并在管道中间部位设置两道阀门，以便进行充水操作；②利用下水库放空潜水泵进行补水，由于补水和检修、放空工况不可能同时发生，利用放空配备的5台潜水泵进行下水库补水，设计补水强度为4620m3/h；③考虑从哈拉沁水库通过管道直接引水至下水库。

通过综合比较认为，方案①结构设计简单，操作较方便，节省运行费用；而方案②所需的潜水泵下水库放空时安装在拦河坝坝前，补水时安装在拦沙坝坝前，安装搬运及操作较为困难，且运行费用较高；方案③投资和运行费用较高，线路长管理不方便。因此，下水库的补水方案采用拦沙坝坝内埋管自流方式。下水库补水钢管设在拦沙坝河床中部（5号坝段）坝体内埋管自流补水，埋管进口中心线高程为1385.50m，埋管设1%纵坡。控制阀门比较了电动蝶阀、电动闸阀和电动旋切阀，由于电动蝶阀体积小，重量小，可减少对坝体的削弱，且价格低，因此在管道中间部位设置两道电动蝶阀。阀门操作室长4.0m、宽4.0m、高3.5m，为维修方便，还在上层廊道布置了设备吊物孔，其尺寸为1.5m×2.0m。

（3）拦河坝布置。

采用碾压混凝土重力坝坝型，坝轴线方位NE57°31'4″。主要作用为挡水，与拦沙坝联合围筑形成蓄能电站下水库。拦河坝全为非溢流坝段，除左右岸部分高度较小为常规混凝土重力坝外，其余坝段为碾压混凝土重力坝，采用金包银方式修筑。坝顶高程为1401.00m，坝顶宽度为6.0m，在坝顶上游设置防浪墙，下游设置栏杆，防浪墙和栏杆顶高程均为1402.20m。拦河坝河床坝基坐落在片麻状黑云母花岗岩弱风化中部，建基高程为1328.00m，最大坝高为73.0m，对应坝底宽度为52.6m，坝坡根据挡水情况经稳定应力计算确定，上游坝坡上部直立，下部为1∶0.1，起坡点高程为1355.00m；下游坝坡为1∶0.7，起坡点高程为1395.00m。坝顶长236.0m，坝体不设纵缝，只设横缝，共分14个坝段，右岸端部3个坝段和左岸端部1个坝段宽度为14.0m，其余坝段宽度为18.0m。拦河坝在上游常态防渗混凝土后设竖向排水管，坝基进行固结灌浆，陡坡部位还进行接触灌浆，坝基上、下游设防渗帷幕，并在防渗帷幕后及坝基中间位置设排水孔，坝基设置完全抽排系统。为满足灌浆、排水、观测和交通要求，坝体内设上、中、下三层廊道，各层廊道间通过廊道或竖井互相连通，并设通向下游坝面的出口。下水库放空钢管设在河床中部，采用闸阀控制。

（4）下水库放空设施。

下水库库盆未设防渗衬护，考虑进/出水口、库岸检修，以及库内排洪清淤，需设放空设施。为减少下水库放空后补水和放空建筑物尺寸，将调节库容放在上水库，只需放空死库容，按放空时间为7天设计。如采用河床中部坝身开孔方案，由于下游原地面高于下水库死水位，无法放空库水，比较了泵排水和放空洞两个方案。

泵排水方案包括坝前式、坝顶式和坝后式三种。坝前式采用潜水泵，泵直接放入下水库，在坝体内设排水管及阀门；坝顶式采用深井泵，在泵房的下方设泵坑，排水管道及阀门明敷；坝后式采用离心泵，在坝后设泵房，通过引水管道把水引出后经水泵加压排出。放空洞方案为预可推荐的下水库放空方案，放空洞沿左岸下游山体穿左岸拦河坝坝基布置，采用有压洞，洞径3.0m，洞长1300.0m，进口高程为1345.00m，出口高程为1340.00m，纵坡0.385%，在坝基下的廊道内设两道高压闸门，洞身采用0.5m厚混凝土衬砌，初估土建投资达1150万元。

经技术经济比较，采用坝前式泵排水无需泵房，土建工程量小，造价低，且避免了放空洞方案与地下厂房的交通洞存在交叉的问题，故采用坝前式泵排水放空方案。排水流量按4620m3/h设计，潜水泵为五台，其中四台工作，一台备用。型号为Q=800～1900m3/h，H=45～34m，W=280kW。在拦河坝8号坝段中间1366.00m高程预埋5根放空钢管，钢管直径40cm、壁厚10mm、间距2.5m。采用两道闸阀控制，放空阀操作室在中层交通兼排水廊道下游局部扩宽，长16.0m、宽4.0、高2.5m。当下水库需要放空时，可临时租用汽车吊或采取其他措施将潜水泵放入下水库，将潜水泵软管与坝体预埋钢管连接牢固，使库水通过坝体钢管排往下游。

（5）泄洪排沙洞布置。

泄洪排沙洞为1级建筑物，为确保洪水回水不淹哈拉沁水库挡水坝坝脚，正常运用洪水标准为2000年一遇，其洪峰流量为737m3/s，消能防冲正常运用洪水标准为100年一遇。泄洪排沙洞具有放空拦沙库及泄洪拉沙功能。

泄洪排沙洞兼施工导流洞，利用河道左岸凸曲段，洞线裁弯取直布置在山体内，洞长552.754m，洞轴线方向NE30°33'18″，岩性主要为吕梁期片麻状黑云母花岗岩和黑云母斜长角闪岩，均为坚硬岩石，片麻理倾角较陡。推测与隧洞相交的小断层和裂隙密集带有13条（表1.4.2），其破碎带宽度最宽2m，一般小于1m，断裂与洞线夹角均大于30°。隧洞区岩体发育两组裂隙，一组走向NE60°左右，以倾向SE为主，少数倾向NW，倾角60°～90°，面平直，无充填物，贯通性较强，延伸长度可达30～50m，密度1～3条/m；另一组走向NW320°～NW330°，以倾向SW为主，少数倾向NE，倾角60°～85°，面平直，贯通性好，无充填物。隧洞上覆岩体厚度大于40m，洞线与库岸人工开挖坡之间的侧向山体厚度120～250m，渗透性较弱，成洞条件较好。泄洪排沙洞结构及地质纵剖面图如图1.4.4所示。

进口位于左四沟上游侧，距拦沙坝约210m，进口前沿正对河道流向，水流平顺；出口布置在左六沟上游侧，距拦河坝约160m，进/出口与大坝的距离均满足施工围堰布置要求。进/出口高程应略高于河床，根据泄洪排沙洞的地形地质条件，综合比较进/出口高程对泄洪能力、施工导流围堰、拦沙库泥沙淤积、洞线纵坡、洞断面尺寸等的影响，确定进口高程为1380.00m，出口高程为1358.00m。

根据拦沙库运用要求，考虑到泄洪隧洞洞线长、流速高、属急流陡坡等特点，为避免出现明满流过渡段，采用有压短进口接明流泄洪隧洞的形式，由引渠、进水塔、明流隧洞、挑坎段和出水渠组成。

进水塔前布置引渠，引渠宽10.7m，底板以1∶3放坡与原河床相接，左岸护坡长10.0m，顶高程为1391.00～1387.67m，从进水塔前直立渐变为1∶0.3。进水塔下部为有压短管进口，进口采用三向收缩，上唇和两侧边墩均采用1/4椭圆，椭圆方程分别为。事故平板门孔口尺寸为7.0m×9.0m，门后压板斜率1∶4。弧形工作门孔口尺寸按拦沙坝挡水水位1400.00m、隧洞下泄2000年一遇洪水737m3/s确定为7.0m×8.0m，在汛期开启泄洪排沙，非汛期下闸蓄水。进水塔底板建基于花岗岩弱风化带中下部，底板厚为2.0m，建基高程为1378.00m，底板长27.3m，宽度为12.0m。闸门检修平台设在塔内1401.00m高程处，下游侧与3号公路连接。启闭机平台位于1416.50m高程，布置一套闸门2×800kN和一套闸门2000kN固定卷扬式启闭机，启闭机室屋顶高程为1421.70m。

明流隧洞长525.437m，断面为7.0m×9.0m（宽×高）的城门洞形，隧洞底坡i=0.0414，洞顶拱中心角110°，保证泄流时水面线在洞身直墙内。洞身大部分在微风化岩石中，围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主。由于洞内流速较大，采用混凝土衬砌。隧洞衬砌内力采用边值计算解法，计算得Ⅱ、Ⅲ类围岩隧洞衬砌厚度为0.6m，Ⅳ～Ⅴ类围岩隧洞衬砌厚度为0.9m。在顶拱范围内进行回填灌浆，回填灌浆孔深入岩石10cm，并对Ⅳ～Ⅴ类围岩裂隙密集带洞段侧壁和顶拱进行固结灌浆，孔深4.0m，孔距4.0m，排距3.0m。为减小洞身外水压力，利用顶拱回填灌浆孔设排水孔，孔深3.0m，孔距4.0m，排距3.0m。水平出口段及挑坎段长23.0m，边墙直立，墙顶高程为1367.00m。水平出口段宽为7.0m，挑坎段两侧以5°向外扩散，挑坎反弧半径为40.0m，挑射角采用20°，挑坎顶高程为1360.41m，末端宽度为9.625m。出水渠向下游两侧仍以5°扩散，上游端长10.0m段设混凝土护坦。

（6）库盆处理。

根据推荐的坝线与坝型，拦沙坝和拦河坝所围的天然库容仍不够，要开挖库岸才能满足下水库调节库容要求。下水库左右库岸岩体条件差别不大，岩性均为片麻状花岗岩，局部有斜长角闪岩残留体；库岸地表未见断层出露，仅在探洞中有所揭露，规模不大，主要结构面为NEE向和NW向两组高陡倾角裂隙，局部有一组NE60°～NE70°缓倾角裂隙，延伸较短；地表岩体一般为弱风化，两岸卸荷裂隙发育，卸荷带水平向深度左岸5～10m，右岸5～19m；地下水对边坡影响较小。下水库两侧库岸岩体可能破坏的形式均为崩塌，NEE和NW向陡倾节理和卸荷裂隙在地表水侵蚀、风化等共同作用下逐渐变宽倾斜，从而失稳。由于库区右岸陡峻，边坡开挖对山坡的扰动大，对山体稳定不利。左岸山梁有一平缓山腿，边坡开挖扰动对山体稳定影响较小，挖出的有效库容和挖方量比比值较大，可部分开挖以增加库容。因此下水库采用左岸开挖以满足调节库容、右岸表面不稳定的覆盖层进行清理和库盆内在高程1340.00m以上部分的河床覆盖层全部清除的方式，以避免下水库泥沙对机组的影响。

为利于开挖边坡和坝肩的稳定，左岸开挖区布置主要考虑上游开挖边界距拦沙坝左坝肩50m以上，要求开挖坡与岸坡节理、裂隙走向大角度相交，对库盆下游原地形坡与岸坡节理、裂隙走向交角较小部位，尽量少挖或不挖。

左岸从环库公路以下采用1∶0.75坡度开挖至1355.00m高程平台，环库公路以上采用1∶0.5开挖坡，总开挖方量为185万m3，其中从正常蓄水位1400.00m至死水位1355.00m之间开挖方量为130万m3，形成了近45m的人工高边坡，根据左岸边坡稳定分析，库岸边坡整体稳定，局部不稳定块体需加强支护。边坡支护形式整体采用挂网（ϕ8@20×20cm）、喷混凝土（C20，厚度10cm）、打系统锚杆（ϕ22，L=5m，间距3m×3m），局部采用锚索（200t，长40m）加强支护。

右岸从拦沙坝右坝肩—拦河坝右坝肩不稳定的覆盖层全部清理，局部危岩体清除，下水库内水位变动区的边坡设置随机锚杆（ϕ22，L=5m）。右岸环库公路以上采用1∶0.5开挖坡，公路边坡采用喷锚挂网打系统锚杆的支护形式。

下水库位于哈拉沁沟河曲段，该段哈拉沁沟谷宽度为90～120m，高程为1358.00～1372.00m，现河床常年有水流通过，覆盖层厚度为18～31m，下伏片麻状花岗岩和斜长角闪岩等，钻孔揭露库底为弱和极弱透水带，到达一定深度后，透水性将变得极微弱，可视为隔水层，因此下水库不存在向库底的渗漏。下水库进/出水口底板高程为1343.00m，为增加调节库容，避免泥沙对机组的磨损，将库盆内在高程1340.00m以上部分的河床覆盖层全部清除。高程1340.00m以下部分的河床覆盖层在库盆内零星分布，高程较低，挖除较为困难，增加的全为死库容，考虑到其高程已低于下水库进/出水口底板3.0m，往复水流不会将细颗粒泥沙带入机组，因此不予清除。对出露的导致库水外渗的断层、长大裂隙等采用混凝土塞进行处理。

（7）下水库固体径流防治措施。

下水库内出露的支沟有六条，其中右岸五条，从上游至下游分别为右五沟、右六沟、右七沟、右七-1沟和右八沟，覆盖层方量约20万m3；左岸一条，为左五沟。支沟内大量的覆盖层如果不进行处理，在发生暴雨等情况下易将固体径流带入下水库，除淤积侵占下水库的调节库容以及堵塞下水库进/出水口外，固体径流挟带的泥沙可能对机组造成磨损。拦沙库内出露的左三沟、左四沟出口距泄洪排沙洞进口和拦沙坝较近，有可能影响泄洪排沙洞正常运行和拦沙坝施工期的安全。因此必须采取措施对这八条支沟进行处理。

下水库内六条支沟的处理基本原则为减少固体径流入库，各支沟处理措施如下：

右五沟谷底出露崩洪积卵砾石夹块石，两侧地表出露坡洪积土夹碎石，下伏崩洪积卵砾石夹块石，以下同为强风化片麻状花岗岩。支沟两侧岸坡基岩裸露，为弱风化片麻状花岗岩，无大的构造，仅发育NW和NE向两组裂隙，岩体较完整，局部有一些危岩和碎石，规模较小。右五沟1500.00m高程以上沟谷开阔，植被较发育，属洪流的形成区，1500.00m高程以下沟谷狭窄，属流通区，上部形成的洪流极易将该处的卵砾石带入库内，因此将高程1500.00m以下的覆盖层全部清除。

右六沟是下水库支沟中规模最大的一条，分四条支沟，流域面积较大，主沟内谷底出露崩洪积卵砾石夹块石，谷底两侧及各支沟中地表出露坡洪积土夹碎石，下伏崩洪积卵砾石夹块石，覆盖层方量多，全部清除较为困难，根据地质可研阶段勘察结果，该沟具备修建透水坝的条件，在沟口上游170m处建一座透水堆石副坝，对透水坝下游的覆盖层进行清理。副坝坝顶高程为1450.00m，坝顶长56.5m，坝顶宽3.0m，最大坝高31.0m，上、下游坝坡均采用1∶1.5，坝坡表面采用1.0m厚铅丝石笼护坡。

右七沟沟底覆盖层方量不大，支沟两侧岸坡及沟后缘基岩裸露，为弱风化片麻状花岗岩夹斜长角闪岩，无大的构造，仅发育NW和NE向两组裂隙，岩体比较完整，局部有一些危岩和碎石，规模较小。因此将覆盖层和危岩全部清除。

右七-1沟为右七沟、右八沟之间的一条小支沟，沟坡陡沟宽，不具备筑坝条件，且覆盖层方量较少，采用全部清除方式进行处理。

右八沟裸露的卵砾石层仅分布于高程1400.00m以下，高程1400.00m以上只有少量的危岩和碎石，大量的覆盖层展布于右侧岸坡，地表以土夹碎石为主，植被较发育，地表径流不易将其带入库内，因此只对裸露的卵砾石层和危岩进行清除。

左五沟位于推荐的拦河坝左坝肩，是一条规模较小的顺岩脉发育的支沟。随着拦河坝坝基开挖和上坝3号公路的修建，左五沟沟口堆积的卵砾石洪积扇、沟内谷底出露的强风化斜长角闪岩和零星崩洪积卵砾石、块石将被挖除，仅保存上半部分弱风化的片麻状黑云母花岗岩，由于岩体结构比较完整，仅局部存在少量的危岩，因此只对上半部分的危岩进行清理。

拦沙库内两条支沟的处理基本原则为在施工期不影响拦沙坝的施工安全，运行期能保证固体径流入库不影响泄洪排沙洞正常泄流。各支沟处理措施如下：

左三沟大部分分布于阴坡，地表植被发育，洪水不易将覆盖层带入库内影响泄洪排沙洞的正常运行，但沟左岸的崩积物及危岩崩塌后比较容易进入库内，由于块石较大，易堵塞泄洪排沙洞，因此将左三沟的崩积物、危岩、沟口附近的卵砾石予以清理。

左四沟沟口有少量裸露的卵砾石，覆盖层展布区植被发育良好，且成分以悬移质为主，发生泥石流造成拦沙坝破坏的可能性不大，因此除沟口裸露的卵砾石外，其余地段覆盖层不需清理。为避免施工期因雨水冲刷等原因引起坍岸危及拦沙坝安全，左四沟沟口1384.00m高程以下的河床覆盖层应予清除，并在岸边采用1.0m厚铅丝石笼护岸。

（8）下水库防洪措施。

下水库位于哈拉沁沟，含沙量大，为保证上游洪水和泥沙不入库，同时确保拦河坝上游2.6km处哈拉沁水库砂砾石挡水坝的安全，采用在拦沙坝上游设置泄洪排沙洞的方式，泄洪排沙洞按宣泄拦沙坝址处2000年一遇洪水设计，当拦沙库水位达1400.00m时，其最大下泄量为737m3/s。

下水库支沟发育，暴雨时汇流会挟带固体径流入库，除对两岸支沟内可能入库的固体径流进行清理、沿库边采用浆砌石防护、并对规模较大的右6沟上部固体径流采用铅丝石笼护面透水堆石副坝防护外，还设置了相应的防洪措施。库区左右岸库顶均设有三级公路，公路宽8.0m，左岸库顶公路长约349m，右岸库顶公路长约1135m。公路靠山侧设置浆砌石排洪沟，过流最小尺寸为0.4m×0.5m，沿环库公路内侧、拦河坝上游侧及拦沙坝下游侧设置封闭的防浪墙，防浪墙高出路面1.2m。库顶以上边坡开挖后进行混凝土喷护处理，每隔20m高程设一马道和排水沟。暴雨时山洪漫流由边坡上的排水沟及库岸公路内侧的排洪沟排洪，遇特大暴雨时，库岸公路参与汇流排洪，排往拦沙库或拦河坝下游，确保两岸洪水不入库。