三门峡s
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2. 三门峡坝段的选定
姜达权
1955年第一届全国人民代表大会第二次会议同意了国务院邓子恢副总理的“关于根治黄河水害和开发黄河水利的综合规划”报告,并通过了“关于根治黄河水害开发黄河水利的综合规划”的决议。黄河综合利用规划技术经济报告拟订在黄河干流青海省贵德县龙羊峡以下直至海口的3774km之内修建四十六座拦河坝,成为梯级,以拦蓄洪水并发展灌溉、发电、航运。黄河综合规划选定三门峡及刘家峡为主要的第一期工程目标,其中三门峡水利枢纽经过一年多来的进一步勘察、设计和施工准备工作,在苏联的帮助下已于1957年1月完成初步设计,现在三门峡工程已于1957年4月13日正式开工,这是举国欢庆的一件大喜事。以往几年笔者曾参加黄河的一些工程地质勘察及为编制黄河综合规划而进行的部分查勘工作,兹就个人所了解的一些地质情况,对于三门峡坝段的选定过程作一概略的介绍。
一、黄河的主要特点
黄河是我国仅次于长江的第二条大河,发源于青海省巴颜喀喇山脉的拉达合泽山东南约30km的约古宗列渠,流经青海、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东等八省(自治区)而入黄海,全长为4845km,流域面积745000km2。
黄河是条善决、善徒、善淤的河流。从公元前2278年(禹治河)起至1946年止,四千二百余年中,有记载的决口有1593次。北至天津大沽口,南经淮河入长江,均为黄河改道泛滥地区。严重的水灾威胁着郑州以东、天津以南、长江以北250000km2面积内约8000万人民的生命财产。例如1117年沧州河决,淹死100 余万人。1642年朱家寨河决,淹没开封城,死34万人。1933年下游决口共58处,受灾人口约360万人。1938年蒋介石政府在花园口挖堤决口,被淹面积约54000km2,受灾人口达1250万人,死亡89万人。由这几个主要的例子,又可说明黄河水灾的严重性,说明黄河的亟需治理。
黄河流域绝大部分地区属于半干旱及干旱地带,年平均降雨量400mm,地表蒸发强烈,水面蒸发量约为1200~1700mm。黄河的流域面积虽仅次于长江为国内第二大河,但年平均输水量仅470亿m3,为长江年输水量的二十分之一,就是较之珠江(年平均输水量约3600亿m3),松花江(年平均输水量约630亿m3),闽江(年平均输水量约600亿m3)也都少得很多。黄河水量并不算多,但在黄河流域内耕地面积,据1954年统计共有65600万亩,占全国耕地面积40%,广大的农田需水灌溉。黄河流域地下矿藏丰富,有大量的煤、铁、石油、铜、铅等矿产,需要开发。黄河流域各省市的工业正在发展,新兴的工业基地需要电力与水源。黄河本身在龙羊峡以下孕蓄水力约33000 kW。
以上这些情况说明黄河水量虽不大,几千年来都危害着广大面积内千百万人民的生命财产,需要进行治理。地下矿藏的开发与工农业建设又需要使用为量不多的黄河水流,黄河的水利需要开发。
黄河造成灾害的主要原因是洪水集中和泥沙过多。
黄河流量的分布极不均匀,兰州平均流量为1019m3/s,年平均输水量为322亿m3/s,约为全河流量的68.3%;陕县平均流量为1305m3/s,年平均输水量422亿m3,占全河流量90%。
黄河流量以每年12月或1月为最小,3、4月间骤增而成桃汛,7~9月由于暴雨集中之故,出现最大流量,是为夏汛或秋汛,11月以后水位回落(见下表)。
陕县、包头、兰州水文站年平均月流量(m3/s)变化情况
黄河最大洪水均出现于夏季,原因是夏季多暴雨,在中游日降雨量可以超过100mm,在下游可以超过150mm。根据陕县水文站记录。最大流量22000m3/s(1933年8月),根据洪水痕迹推算千年一遇供水流量为36000m3/s(1843年)。
黄河流域范围以内,黄土分布面积约为370000km2,因植被遭受破坏,黄土被冲刷随波逐流,使得黄河所含泥沙特多,水流为之黄浊,故名黄河。黄河含砂量居世界各国河流中第一位,每一立方米水的年平均含砂量,埃及尼罗河为1kg;苏联阿姆河为4kg;美科罗拉多河为10kg;黄河陕县为34kg,陕县最大含砂量折合重量百分比为42.14%。年平均输砂量为13.8亿t。陕县泥沙的来源约有10.9%来自包头以上,49%来自包头龙门之间,40%来自支流泾、洛、渭、汾河。泾河年平均含砂量约为161kg,最大含砂量为978kg,无定河平均含砂量为145kg,最大含砂量竟达1518kg,折合重量百分比为78%,已成泥糊,为世界所绝无仅有情况。水流携带着这些巨量的砂泥抵下游郑州以后,因地势平缓,流速减低、泥沙沉淀,现在平均每年河床增高10~30cm。海口堆积向海推进约3km,河床日高,河水漫流,不得不在两岸筑堤束水,河床增高后,堤防亦须加高,日久而成地上河,高出地面数米至十余米,成为了海河水系与淮河水系的分水岭。
由上述情况可知黄河的水需要拦蓄,方可以减除下游洪水泛滥之灾,并利用蓄水进行灌溉、发电及改善航运。由于黄河水量的逐年和年内分布均极不平衡,若要充分利用黄河的水量,就需要进行多年调节,就需要大容积的水库。为了避免下游河床的日益增高,建成拦蓄水的水库以后,大量的泥沙亦应拦截沉积于水库中,这样虽避免了下游河床的增高,却要占用相当大的库容,因而减少了水库的调节能力。为了蓄水拦砂,就更需要大容积的水库。
黄河上游为延续约200km的连串的湖泊群,人烟稀少,又无水灾,目前亦无兴修水利的必要。
中游自青海龙羊峡至河南孟津长2922km,流域面积607000km2,其工程地质条件可以分段简述如下:
1.龙羊峡—青铜峡段:本段长约979km,总落差1307m。黄河在这一段穿过19个峡谷及17个山间盆地,成为峡谷与山间盆地相间地形。刘家峡以上峡谷深刻,谷宽50~70m,以下则河谷较宽,约为100~200m。
本段黄河所穿过的19个峡谷系由变质岩、花岗岩、石灰岩及砂岩组成,以南山系变质岩及皋兰系变质岩所成峡谷最为陡峻,岩石亦较坚固,如龙羊峡、刘家峡等,均适建筑高坝。花岗岩所组成的公伯峡等亦为良好筑坝地段。白垩纪六盘山系红色岩层组成的盐锅峡也可以筑坝。
山间盆地主要系由第三纪红色岩层或黄土组成,面积均较小。
本段虽然峡谷与山间盆地相间,富有良好的筑坝地段,但是水库容积较小,只能解决兰州等地的防洪、发电问题,不能控制大量的洪水与泥沙。
2.青铜峡—拐上段:本段长868km,总落差146m,坡降平缓,河道宽阔,两岸冲积物广布,而且河道迁移不定,筑坝颇有困难。
3.拐上—龙门段:本段长717km,总落差612m。黄河切割寒武纪、奥陶纪石灰岩,石炭二叠纪煤系及二叠-三叠纪砂岩页岩成为峡谷,并有第三纪及第四纪地层组成的山间盆地。峡谷与山间盆地相间,石灰岩地区多成U形峡谷,两岸陡峭,河宽100~200m,可以筑坝的地段有小沙湾、龙口及龙门等地。砂岩与页岩分布地区河谷较宽,边坡较缓,岩层易被冲蚀,因而形成落差十余米的壶口瀑布。此等地区虽不适于建筑高坝,但在拐上、壶口等地仍可筑坝。
本段石灰岩分布地区喀斯特作用颇为发育,既不适于建筑高坝,亦乏较大容积的水库,而且在龙口以上建筑较高水坝将淹没巨量煤田。在蓄洪拦砂方面作用亦有限。
4.龙门—潼关段:本段长135km,总落差54m。这一段黄河流经山西、陕西黄土高原,河面宽3~10km,两岸地层为黄土,极易被水流冲刷崩坍,枯水季节,水流分枝,时合时分,河滩棋布。河底沉积物主要为细砂、中砂及少量砾石,在这一段建筑高坝实有困难。
5.潼关—桃花峪段:本段长223km,总落差228m。黄河过潼关后切过由震旦纪石英岩、寒武纪奥陶纪石灰岩、石炭二叠纪煤系、二叠三叠纪砂岩、页岩、闪长玢岩所组成的太行山、熊耳山及崤山,而在中游最下游形成岩石峡谷。河谷宽120~300m。第三纪红色岩层及煤系分布地区河谷稍宽。闪长玢岩组成的三门峡,石英岩组成的任家堆,石灰岩组成的八里胡同及砂岩页岩组成的小浪底均可筑坝。小浪底以下两岸又为黄土,不适于建筑高坝。
黄河过桃花峪后即入下游平原,河流作用以沉积为主,泥沙沉积,河道迁移不定。自古以来两岸筑堤,河床不断增高,河床中为细砂层,无论在地形或地质方面,均缺乏建筑较高水坝的条件。
从黄河龙羊峡以下各段地质条件比较,以在潼关—桃花峪段选择筑坝地段最为有利,可以控制流域面积的绝大部分,既可拦蓄大量洪水,又可截阻泥沙。
二、黄河中下游各坝段工程地质条件概要
黄河中下游潼关至桃花峪间可能筑坝的地段计有潼关、三门峡、任家堆、八里胡同、小浪底及邙山桃花峪等坝段,兹将各坝段的主要工程地质条件简述于下,以资比较。
潼关坝段:潼关坝段两岸均为黄土,除夹有卵石层及在底部有少量第四纪红色土外,均为现代河流沉积物,黄土中似喀斯特现象极为普遍,河岸遭受水流冲刷极易崩坍,如选择此处建筑高坝,甚为不利。
三门峡坝段:三门峡水利枢纽的天然地基是呈岩床状的闪长玢岩,黄河在最窄处宽仅120m,河床中有两个岩岛,分河水为三支。岩层倾向上游。闪长玢岩的抗压强度一般为1000~1800kg/cm2,闪长玢岩为一不透水层,除有裂隙外,地面15m以下,单位吸水量小于0.1L/min。
在此筑坝不但地基良好,而且有广大的腹地可作水库。河中岩岛矗立,亦利于施工。
任家堆坝段:位于三门峡下游约40km,地基为震旦纪石英岩夹薄层红色或绿色板岩。岩层倾向上游,两岸岩层走向不一致,可能有断层存在。在这一段可以建筑高坝,但水库位于峡谷中,容积有限。
八里胡同坝段:八里胡同位于山西垣曲县黄河下游25km。黄河切过寒武纪及奥陶纪石灰岩成为峡谷,河宽300余米。峡谷入口有斜切河床的断层,石灰岩中喀斯特现象甚为普遍,最大溶洞直径可达2m,河床中覆盖层厚度约25m。在此段筑坝不但水库容积小,而且坝基以下及两侧溶洞等的处理甚为费事。
小浪底坝段:位于八里胡同下游25km,河宽300~400m,地基及两岸均为二叠三叠纪石千峰系红色砂岩及页岩,夹有粘土薄层。不适于建筑高坝。
桃花峪坝段:两岸地层为黄土或现代冲积物,河床中为细砂、淤泥及少量砾石,河道宽广,不适于建筑高坝。
由上述各坝段概略的地质条件比较,可知在潼关至桃花峪之间,以三门峡坝段的地质条件最适于建筑高坝。
三、三门峡坝段的选定
三门峡在地理位置上位于黄河最下游岩石峡谷的入口,控制流域面积达90%以上。在地形上河谷亦较窄,河床中有岩石小岛,便于施工。在地质条件方面,有厚达90~130m的坚硬而且基本上不透水的闪长玢岩岩床,可以作为高水头水坝的地基。如果在此建筑正常高水位为标高360m的水坝,则总库容为640亿m3,为其他任何一个坝段所不能比拟的。由于有这样巨大的水库调节水量,可以使千年一遇的洪水由35000m3/s削减到不超过6000m3/s。当下游伊、洛、沁河发生巨大洪水时,三门峡水库还可以调节水量,仅泄放1000m3/s的流量,使干流与支流的洪不相遭遇,以保证下游的安全。
在三门峡建筑水库,有巨大的库容拦蓄泥沙,如80%的泥沙淤留于水库中,则50年后水库中可能淤积泥沙340亿m3,仍有足够的库容可以蓄水,而50年以后水土保持工作已有成效,砂泥减少了来源,更可保证水库的巨大效果。
如在三门峡建筑巨大水库,水电站的设置容量为110万kW,每年可以发电60亿度,可以供应山西、陕西、河南、河北等省工矿企业及生活用电。同时由于水库调节水量而可以使下游航运水深不小于1m,有利于航运的畅通。
因此,只有在三门峡修筑高水头的坝才能达到蓄水拦砂,除弊兴利,综合开发的目的。经勘察过100多个坝段的地质条件,反复研究,三门峡最后被选定为治理与开发黄河的第一期工程地段。
主要参考文献
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14.汪胡桢:黄河三门峡水库应以防洪拦砂为主要任务。中国水利,1957年第8期。
15.李赋都:我对于黄河三门峡水库蓄水拦泥综合开发的认识和意见。中国水利,1957年第8期。
16.贾福海:三门峡坝址工程地质条件。水文地质工程地质,1957年第12期。
(本文原载于《水文地质工程地质》1957年第12期)
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