三門峽s
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2. 三門峽壩段的選定
姜達權
1955年第一屆全國人民代表大會第二次會議同意了國務院鄧子恢副總理的「關於根治黃河水害和開發黃河水利的綜合規劃」報告,並通過了「關於根治黃河水害開發黃河水利的綜合規劃」的決議。黃河綜合利用規劃技術經濟報告擬訂在黃河幹流青海省貴德縣龍羊峽以下直至海口的3774km之內修建四十六座攔河壩,成為梯級,以攔蓄洪水並發展灌溉、發電、航運。黃河綜合規劃選定三門峽及劉家峽為主要的第一期工程目標,其中三門峽水利樞紐經過一年多來的進一步勘察、設計和施工准備工作,在蘇聯的幫助下已於1957年1月完成初步設計,現在三門峽工程已於1957年4月13日正式開工,這是舉國歡慶的一件大喜事。以往幾年筆者曾參加黃河的一些工程地質勘察及為編制黃河綜合規劃而進行的部分查勘工作,茲就個人所了解的一些地質情況,對於三門峽壩段的選定過程作一概略的介紹。
一、黃河的主要特點
黃河是我國僅次於長江的第二條大河,發源於青海省巴顏喀喇山脈的拉達合澤山東南約30km的約古宗列渠,流經青海、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陝西、河南、山東等八省(自治區)而入黃海,全長為4845km,流域面積745000km2。
黃河是條善決、善徒、善淤的河流。從公元前2278年(禹治河)起至1946年止,四千二百餘年中,有記載的決口有1593次。北至天津大沽口,南經淮河入長江,均為黃河改道泛濫地區。嚴重的水災威脅著鄭州以東、天津以南、長江以北250000km2面積內約8000萬人民的生命財產。例如1117年滄州河決,淹死100 余萬人。1642年朱家寨河決,淹沒開封城,死34萬人。1933年下游決口共58處,受災人口約360萬人。1938年蔣介石政府在花園口挖堤決口,被淹面積約54000km2,受災人口達1250萬人,死亡89萬人。由這幾個主要的例子,又可說明黃河水災的嚴重性,說明黃河的亟需治理。
黃河流域絕大部分地區屬於半乾旱及乾旱地帶,年平均降雨量400mm,地表蒸發強烈,水面蒸發量約為1200~1700mm。黃河的流域面積雖僅次於長江為國內第二大河,但年平均輸水量僅470億m3,為長江年輸水量的二十分之一,就是較之珠江(年平均輸水量約3600億m3),松花江(年平均輸水量約630億m3),閩江(年平均輸水量約600億m3)也都少得很多。黃河水量並不算多,但在黃河流域內耕地面積,據1954年統計共有65600萬畝,佔全國耕地面積40%,廣大的農田需水灌溉。黃河流域地下礦藏豐富,有大量的煤、鐵、石油、銅、鉛等礦產,需要開發。黃河流域各省市的工業正在發展,新興的工業基地需要電力與水源。黃河本身在龍羊峽以下孕蓄水力約33000 kW。
以上這些情況說明黃河水量雖不大,幾千年來都危害著廣大面積內千百萬人民的生命財產,需要進行治理。地下礦藏的開發與工農業建設又需要使用為量不多的黃河水流,黃河的水利需要開發。
黃河造成災害的主要原因是洪水集中和泥沙過多。
黃河流量的分布極不均勻,蘭州平均流量為1019m3/s,年平均輸水量為322億m3/s,約為全河流量的68.3%;陝縣平均流量為1305m3/s,年平均輸水量422億m3,佔全河流量90%。
黃河流量以每年12月或1月為最小,3、4月間驟增而成桃汛,7~9月由於暴雨集中之故,出現最大流量,是為夏汛或秋汛,11月以後水位回落(見下表)。
陝縣、包頭、蘭州水文站年平均月流量(m3/s)變化情況
黃河最大洪水均出現於夏季,原因是夏季多暴雨,在中游日降雨量可以超過100mm,在下游可以超過150mm。根據陝縣水文站記錄。最大流量22000m3/s(1933年8月),根據洪水痕跡推算千年一遇供水流量為36000m3/s(1843年)。
黃河流域范圍以內,黃土分布面積約為370000km2,因植被遭受破壞,黃土被沖刷隨波逐流,使得黃河所含泥沙特多,水流為之黃濁,故名黃河。黃河含砂量居世界各國河流中第一位,每一立方米水的年平均含砂量,埃及尼羅河為1kg;蘇聯阿姆河為4kg;美科羅拉多河為10kg;黃河陝縣為34kg,陝縣最大含砂量摺合重量百分比為42.14%。年平均輸砂量為13.8億t。陝縣泥沙的來源約有10.9%來自包頭以上,49%來自包頭龍門之間,40%來自支流涇、洛、渭、汾河。涇河年平均含砂量約為161kg,最大含砂量為978kg,無定河平均含砂量為145kg,最大含砂量竟達1518kg,摺合重量百分比為78%,已成泥糊,為世界所絕無僅有情況。水流攜帶著這些巨量的砂泥抵下游鄭州以後,因地勢平緩,流速減低、泥沙沉澱,現在平均每年河床增高10~30cm。海口堆積向海推進約3km,河床日高,河水漫流,不得不在兩岸築堤束水,河床增高後,堤防亦須加高,日久而成地上河,高出地面數米至十餘米,成為了海河水系與淮河水系的分水嶺。
由上述情況可知黃河的水需要攔蓄,方可以減除下游洪水泛濫之災,並利用蓄水進行灌溉、發電及改善航運。由於黃河水量的逐年和年內分布均極不平衡,若要充分利用黃河的水量,就需要進行多年調節,就需要大容積的水庫。為了避免下遊河床的日益增高,建成攔蓄水的水庫以後,大量的泥沙亦應攔截沉積於水庫中,這樣雖避免了下遊河床的增高,卻要佔用相當大的庫容,因而減少了水庫的調節能力。為了蓄水攔砂,就更需要大容積的水庫。
黃河上游為延續約200km的連串的湖泊群,人煙稀少,又無水災,目前亦無興修水利的必要。
中游自青海龍羊峽至河南孟津長2922km,流域面積607000km2,其工程地質條件可以分段簡述如下:
1.龍羊峽—青銅峽段:本段長約979km,總落差1307m。黃河在這一段穿過19個峽谷及17個山間盆地,成為峽谷與山間盆地相間地形。劉家峽以上峽谷深刻,谷寬50~70m,以下則河谷較寬,約為100~200m。
本段黃河所穿過的19個峽谷系由變質岩、花崗岩、石灰岩及砂岩組成,以南山系變質岩及皋蘭系變質岩所成峽谷最為陡峻,岩石亦較堅固,如龍羊峽、劉家峽等,均適建築高壩。花崗岩所組成的公伯峽等亦為良好築壩地段。白堊紀六盤山系紅色岩層組成的鹽鍋峽也可以築壩。
山間盆地主要系由第三紀紅色岩層或黃土組成,面積均較小。
本段雖然峽谷與山間盆地相間,富有良好的築壩地段,但是水庫容積較小,只能解決蘭州等地的防洪、發電問題,不能控制大量的洪水與泥沙。
2.青銅峽—拐上段:本段長868km,總落差146m,坡降平緩,河道寬闊,兩岸沖積物廣布,而且河道遷移不定,築壩頗有困難。
3.拐上—龍門段:本段長717km,總落差612m。黃河切割寒武紀、奧陶紀石灰岩,石炭二疊紀煤系及二疊-三疊紀砂岩頁岩成為峽谷,並有第三紀及第四紀地層組成的山間盆地。峽谷與山間盆地相間,石灰岩地區多成U形峽谷,兩岸陡峭,河寬100~200m,可以築壩的地段有小沙灣、龍口及龍門等地。砂岩與頁岩分布地區河谷較寬,邊坡較緩,岩層易被沖蝕,因而形成落差十餘米的壺口瀑布。此等地區雖不適於建築高壩,但在拐上、壺口等地仍可築壩。
本段石灰岩分布地區喀斯特作用頗為發育,既不適於建築高壩,亦乏較大容積的水庫,而且在龍口以上建築較高水壩將淹沒巨量煤田。在蓄洪攔砂方面作用亦有限。
4.龍門—潼關段:本段長135km,總落差54m。這一段黃河流經山西、陝西黃土高原,河面寬3~10km,兩岸地層為黃土,極易被水流沖刷崩坍,枯水季節,水流分枝,時合時分,河灘棋布。河底沉積物主要為細砂、中砂及少量礫石,在這一段建築高壩實有困難。
5.潼關—桃花峪段:本段長223km,總落差228m。黃河過潼關後切過由震旦紀石英岩、寒武紀奧陶紀石灰岩、石炭二疊紀煤系、二疊三疊紀砂岩、頁岩、閃長玢岩所組成的太行山、熊耳山及崤山,而在中游最下游形成岩石峽谷。河谷寬120~300m。第三紀紅色岩層及煤系分布地區河谷稍寬。閃長玢岩組成的三門峽,石英岩組成的任家堆,石灰岩組成的八里胡同及砂岩頁岩組成的小浪底均可築壩。小浪底以下兩岸又為黃土,不適於建築高壩。
黃河過桃花峪後即入下游平原,河流作用以沉積為主,泥沙沉積,河道遷移不定。自古以來兩岸築堤,河床不斷增高,河床中為細砂層,無論在地形或地質方面,均缺乏建築較高水壩的條件。
從黃河龍羊峽以下各段地質條件比較,以在潼關—桃花峪段選擇築壩地段最為有利,可以控制流域面積的絕大部分,既可攔蓄大量洪水,又可截阻泥沙。
二、黃河中下游各壩段工程地質條件概要
黃河中下游潼關至桃花峪間可能築壩的地段計有潼關、三門峽、任家堆、八里胡同、小浪底及邙山桃花峪等壩段,茲將各壩段的主要工程地質條件簡述於下,以資比較。
潼關壩段:潼關壩段兩岸均為黃土,除夾有卵石層及在底部有少量第四紀紅色土外,均為現代河流沉積物,黃土中似喀斯特現象極為普遍,河岸遭受水流沖刷極易崩坍,如選擇此處建築高壩,甚為不利。
三門峽壩段:三門峽水利樞紐的天然地基是呈岩床狀的閃長玢岩,黃河在最窄處寬僅120m,河床中有兩個岩島,分河水為三支。岩層傾向上游。閃長玢岩的抗壓強度一般為1000~1800kg/cm2,閃長玢岩為一不透水層,除有裂隙外,地面15m以下,單位吸水量小於0.1L/min。
在此築壩不但地基良好,而且有廣大的腹地可作水庫。河中岩島矗立,亦利於施工。
任家堆壩段:位於三門峽下游約40km,地基為震旦紀石英岩夾薄層紅色或綠色板岩。岩層傾向上游,兩岸岩層走向不一致,可能有斷層存在。在這一段可以建築高壩,但水庫位於峽谷中,容積有限。
八里胡同壩段:八里胡同位於山西垣曲縣黃河下游25km。黃河切過寒武紀及奧陶紀石灰岩成為峽谷,河寬300餘米。峽谷入口有斜切河床的斷層,石灰岩中喀斯特現象甚為普遍,最大溶洞直徑可達2m,河床中覆蓋層厚度約25m。在此段築壩不但水庫容積小,而且壩基以下及兩側溶洞等的處理甚為費事。
小浪底壩段:位於八里胡同下游25km,河寬300~400m,地基及兩岸均為二疊三疊紀石千峰系紅色砂岩及頁岩,夾有粘土薄層。不適於建築高壩。
桃花峪壩段:兩岸地層為黃土或現代沖積物,河床中為細砂、淤泥及少量礫石,河道寬廣,不適於建築高壩。
由上述各壩段概略的地質條件比較,可知在潼關至桃花峪之間,以三門峽壩段的地質條件最適於建築高壩。
三、三門峽壩段的選定
三門峽在地理位置上位於黃河最下游岩石峽谷的入口,控制流域面積達90%以上。在地形上河谷亦較窄,河床中有岩石小島,便於施工。在地質條件方面,有厚達90~130m的堅硬而且基本上不透水的閃長玢岩岩床,可以作為高水頭水壩的地基。如果在此建築正常高水位為標高360m的水壩,則總庫容為640億m3,為其他任何一個壩段所不能比擬的。由於有這樣巨大的水庫調節水量,可以使千年一遇的洪水由35000m3/s削減到不超過6000m3/s。當下游伊、洛、沁河發生巨大洪水時,三門峽水庫還可以調節水量,僅泄放1000m3/s的流量,使幹流與支流的洪不相遭遇,以保證下游的安全。
在三門峽建築水庫,有巨大的庫容攔蓄泥沙,如80%的泥沙淤留於水庫中,則50年後水庫中可能淤積泥沙340億m3,仍有足夠的庫容可以蓄水,而50年以後水土保持工作已有成效,砂泥減少了來源,更可保證水庫的巨大效果。
如在三門峽建築巨大水庫,水電站的設置容量為110萬kW,每年可以發電60億度,可以供應山西、陝西、河南、河北等省工礦企業及生活用電。同時由於水庫調節水量而可以使下游航運水深不小於1m,有利於航運的暢通。
因此,只有在三門峽修築高水頭的壩才能達到蓄水攔砂,除弊興利,綜合開發的目的。經勘察過100多個壩段的地質條件,反復研究,三門峽最後被選定為治理與開發黃河的第一期工程地段。
主要參考文獻
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(本文原載於《水文地質工程地質》1957年第12期)
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