天花板水電站樞紐布置研究

吳義航，鄧毅國(guó)，蘇 巖，王毅鳴

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)牛欄江上，為中下游兩庫(kù)十級(jí)開(kāi)發(fā)的第七個(gè)梯級(jí)，壩址位于魯?shù)榭h翠屏鄉(xiāng)與巧家縣鉛廠鄉(xiāng)境內(nèi)，距昭通市80 km，是一座以發(fā)電為主的水電工程。天花板水電站主要由碾壓混凝土拱壩、右岸引水隧洞及地面發(fā)電廠房等建筑物組成。水庫(kù)正常蓄水位1 071.00 m，死水位1 050.00 m，總庫(kù)容0.787億m3，最大壩高107.0 m。電站總裝機(jī)容量180 MW，保證出力43.5 MW，多年平均年發(fā)電量8.295億kW·h。工程為三等中型工程，主要建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

2 自然條件

2.1 水文氣象

牛欄江位于云南省滇東北地區(qū)，是金沙江右岸較大的一級(jí)支流，河流發(fā)源于云南省昆明市嵩明縣楊林鎮(zhèn)，流向大體為由南向北，在昭通市的麻耗村附近匯入金沙江。牛欄江干流全長(zhǎng)440 km，流域面積13 672 km2，天花板水電站壩址以上控制流域面積12 711 km2，多年平均流量143 m3/s，年徑流總量45.1億m3，多年平均懸移質(zhì)年輸沙量1 403萬(wàn)t，多年平均含沙量3.11 kg/m3。

牛欄江流域大部分屬于暖濕帶高原季風(fēng)氣候，年溫差大、日溫差小，干濕季節(jié)明顯，徑流主要由大氣降水補(bǔ)給，多年平均年降雨量881.8 mm。流域內(nèi)的洪水主要由暴雨形成，暴雨多集中在6月～9月，占全年的97.6%，以7月份出現(xiàn)暴雨的機(jī)會(huì)多、強(qiáng)度大。由于河流的走向?yàn)橛赡舷虮保┯曜呦虼蠖酁橛杀毕蚰?，因此下游水文站的洪峰出現(xiàn)時(shí)間有時(shí)會(huì)早于上游水文站。多年平均氣溫12.1℃，月平均氣溫以7月份最高，為20.1℃，1月份最低，為2.8℃，極端最高氣溫33.0℃，極端最低氣溫-11.5℃。多年平均相對(duì)濕度76%，多年平均風(fēng)速2.2 m/s，最大風(fēng)速21.3 m/s，風(fēng)向NE，多年平均年蒸發(fā)量1 780.9 mm。

2.2 工程地質(zhì)

天花板水電站樞紐區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。壩址位于天花板峽谷進(jìn)口段，兩岸地形陡峻，平均坡度為60°～80°， 河谷呈 “U” 形。 壩址基巖為震旦系東龍?zhí)督M粉晶白云巖和富藻粉晶白云巖，巖層平緩，傾向上游，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為36～70 MPa，屬中硬巖，滿足拱壩建基要求。右壩肩主要發(fā)育有陡傾角斷層f11、f15，對(duì)抗滑穩(wěn)定不利，需進(jìn)行工程處理；左壩肩巖體相對(duì)較完整，巖石為弱～微風(fēng)化，結(jié)構(gòu)面分布較少，主要為順河向垂直裂隙，主要斷層裂隙有f5、L27、L28等等，需進(jìn)行處理。引水系統(tǒng)位于牛欄江右岸山體內(nèi)，滿足上覆及側(cè)覆巖體厚度要求，圍巖巖性前半段為震旦系東龍?zhí)督M粉晶白云巖，后半段為震旦系澄江組長(zhǎng)石石英砂巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖，圍巖以Ⅳ類為主，滿足成洞要求。地面廠房位于牛欄江右岸38°～40°岸坡上，覆蓋層厚15～20 m，下伏基巖為震旦系澄江組長(zhǎng)石石英砂巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖，滿足廠房承載要求。

3 樞紐布置研究

天花板樞紐區(qū)位于牛欄江西坪村羅家梁子下游至曹家渡上游長(zhǎng)約5.5 km的河段內(nèi)，河底比降平均約為0.7%。上游河段長(zhǎng)1.8 km，為天花板峽谷，兩岸地形陡峻，岸坡平均坡度在60°以上，為 “U”形峽谷河段，地層巖性為震旦系東龍?zhí)督M粉晶白云巖和富藻粉晶白云巖；峽谷出口處左岸有較大支流清水河匯入牛欄江；下游河段長(zhǎng)3.7 km，河谷稍寬，兩岸岸坡平均坡度在40°左右，為 “V”形河谷，地層巖性為震旦系澄江組長(zhǎng)石石英砂巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖。

在該河段內(nèi)，根據(jù)地形地質(zhì)條件和水文條件，進(jìn)行了壩址、壩型、泄洪方案、引水線路、廠址的樞紐布置比較研究。

3.1 壩址選擇

對(duì)天花板峽谷至銀槽子彎道中部3.8 km長(zhǎng)河段內(nèi)擬定的3個(gè)壩址進(jìn)行了比選。上壩址位于天花板峽谷進(jìn)口段，該處河谷狹窄，岸坡陡峻，兩岸坡基本對(duì)稱，平均坡度在65°以上，河床高程為989～991 m，河床寬30～40 m，河谷底寬約60 m，正常蓄水位高程河谷寬110 m，寬高比1.363，巖性為東龍?zhí)督M富藻白云巖、粉晶白云巖，巖層傾向上游，雖斷層、裂隙發(fā)育，但巖石完整性好，以拱壩為代表性壩型，采用混合式開(kāi)發(fā)方式。中壩址位于天花板峽谷出口段，該處河谷稍寬，兩岸坡不對(duì)稱，左岸陡峭，平均坡度在65°以上，右岸下緩上陡，平均坡度在50°以上，河床高程在985～988 m之間，河床寬約40～70 m，河谷底寬約100 m，正常蓄水位河谷寬約220 m，寬高比2.39，壩肩為富藻白云巖、粉晶白云巖，壩基為澄江組長(zhǎng)石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥質(zhì)頁(yè)巖，位于白云巖和石英砂巖角度不整合接觸帶上，且壩基砂巖傾向下游，為減少工程量，以右岸重力墩接拱壩為代表性壩型，采用混合式開(kāi)發(fā)方式。下壩址位于銀槽子彎道中部，該處河谷較寬，左岸平均坡度43°，右岸平均坡度53°，河床高程955.20 m，河床寬約30～50 m，河谷底寬約100 m，正常蓄水位河谷寬320 m，寬高比2.61，壩肩壩基均為長(zhǎng)石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥質(zhì)頁(yè)巖，巖體較破碎，以重力壩為代表性壩型，采用壩式開(kāi)發(fā)方式。經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，上壩址地質(zhì)地形條件、工程量和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯優(yōu)于中、下壩址，故上壩址為推薦壩址。

3.2 壩型選擇

上壩址河床狹窄呈 “U”形，河床寬度僅30～40 m，正常蓄水位河谷寬約110 m，山體雄厚，岸坡陡峻，兩岸無(wú)布置溢洪道的有利地形條件，并且牛欄江洪水較大，校核洪峰流量為5 650 m3/s，若采用當(dāng)?shù)夭牧蠅巫鳛閾跛ㄖ铮瑢?duì)工程工期和工程投資等方面明顯不利，因此對(duì)混凝土拱壩與混凝土重力壩進(jìn)行了比較。上壩址雖兩壩肩斷層、裂隙發(fā)育，右壩肩還存在對(duì)壩肩穩(wěn)定不利的較大陡傾角斷層f11、f15，但經(jīng)工程處理后能夠滿足拱壩壩肩穩(wěn)定要求。從安全性分析，由于該地區(qū)多地震，拱壩作為一種特殊殼體結(jié)構(gòu)超載安全度大，抗震性能較好，安全性高。雖然拱壩壩肩處理工程量大，但土建投資仍低于重力壩方案8 574.2萬(wàn)元，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。經(jīng)綜合比較，推薦拱壩壩型。

考慮到天花板壩址兩壩肩持力巖體不甚雄厚，尤其是左壩肩下游側(cè)卸荷裂隙較發(fā)育，地形呈倒喇叭形，為使拱端推力更好地向山里偏轉(zhuǎn)，應(yīng)選擇較小的拱端推力角，使拱形偏扁平化，讓壩肩能獲得更好的穩(wěn)定性和不敏感性。經(jīng)對(duì)拋物線、橢圓、對(duì)數(shù)螺旋線三種拱壩拱圈形式進(jìn)行比選，最終采用拋物線拱。

3.3 泄洪方案比較

天花板水電站壩址處兩岸山體雄厚，岸坡陡峻，無(wú)布置岸邊泄洪建筑物的地形條件，汛期洪水只能通過(guò)壩體宣泄；壩址處河谷狹窄，正常蓄水位的河谷寬約110 m，水庫(kù)調(diào)蓄后最大下泄流量為5 046 m3/s，泄洪最大水頭69.57 m，泄洪功率約3 500 MW，具有典型的窄河谷、大流量特點(diǎn)；僅靠布置表孔難以滿足泄洪要求，還需要考慮布置其他泄洪設(shè)施。

因擋水建筑物采用碾壓混凝土拱壩，為避免壩體開(kāi)孔較多，影響壩體快速澆筑，結(jié)合壩址處地形地質(zhì)條件，首先考慮壩身表孔和壩外布置泄洪洞的泄洪方案。該方案有導(dǎo)流洞和岸邊泄洪洞兩種布置方式。通過(guò)分析比較，采用導(dǎo)流洞方式存在保庫(kù)排沙效果不好、改造后的導(dǎo)流洞檢修困難、出口消能布置復(fù)雜、導(dǎo)流洞封堵施工壓力大、工程風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題；岸邊泄洪洞方式雖然采取分流措施，對(duì)減輕下游消能負(fù)擔(dān)有一定作用，但泄洪洞進(jìn)口遠(yuǎn)，保庫(kù)沖沙效果差，且工程量增加較多，不經(jīng)濟(jì)。因此選擇壩身集中泄洪方案。

經(jīng)多方案比選，采用 “3個(gè)表孔＋2個(gè)中孔相間布置”方案。該方案水流分散，有利于泄洪消能布置，鼻坎形式相對(duì)簡(jiǎn)單，泄洪沖沙運(yùn)行較方便，對(duì)下游沖刷程度低，防護(hù)工程量小，壩體應(yīng)力好。通過(guò)水工模型試驗(yàn)，選定中孔采用窄縫使水流縱向拉開(kāi)，表孔采用前后高低錯(cuò)落及不同的挑角橫向擴(kuò)散但不沖刷兩岸的泄洪方式，很好地解決了天花板壩址河谷狹窄、單位消能功率較大的問(wèn)題。

攔河壩采用雙曲拱壩，由于受河谷地形條件影響，拱壩中心線與主河道中心線不重合，存在4.3°夾角，選擇泄洪中心線走向與河道走向一致，為NW300°。泄洪軸線半徑取為311.5 m，并且定位于1、2號(hào)表孔堰頂處。

3.4 引水線路選擇

天花板壩址峽谷段雖然巖性為東龍?zhí)督M富藻白云巖、粉晶白云巖，巖石條件較好，但兩岸斷層、裂隙發(fā)育，左壩肩發(fā)育的斷層裂隙主要有f5、L27、L28等，右壩肩主要有f11、f15等，不適合布置地下廠房；并且兩岸山勢(shì)陡峻，河谷狹窄，無(wú)布置地面廠房的合適位置。天花板樞紐區(qū)河谷平均比降為0.7%，有利于混合式開(kāi)發(fā)。

對(duì)于選定壩址，進(jìn)行了左、右岸引水線路的比較。左岸引水線路總長(zhǎng)3 186 m，由于左岸岸坡陡峻，進(jìn)水口只能布置在距壩較遠(yuǎn)的上游，排沙廊道較長(zhǎng)，運(yùn)行管理不方便；跨過(guò)左岸較大支流清水河時(shí)，上覆巖體厚度不夠，需明挖，存在兩側(cè)高邊坡及清水河河底斷層破碎帶處理問(wèn)題，工程量大；廠房處邊坡較緩、較低，但地下水埋藏淺，施工難度較大。右岸引水線路可 “裁彎取直”，總長(zhǎng)2 732 m，進(jìn)水口距壩較近，僅35 m，排沙廊道短， “門(mén)前清”效果好，運(yùn)行管理方便；引水線路全線滿足上覆巖體及側(cè)覆巖體厚度要求；廠房處邊坡較陡、較高，但地下水埋藏較深，施工方便。右岸引水線路方案投資比左岸引水線路方案低5 707.74萬(wàn)元。因此，推薦右岸引水線路。

3.5 廠址方案選擇

在清水河與牛欄江交口下游3.6 km長(zhǎng)河段內(nèi)，選擇了上、下兩個(gè)廠址方案。因清水河以下主要為石英砂巖夾粉砂質(zhì)泥質(zhì)頁(yè)巖，巖石破碎，完整性差，故采用岸邊地面廠房形式。

經(jīng)對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較認(rèn)為，上廠址方案引水線路短，水頭損失小，施工支洞短，工程量省，調(diào)壓井施工難度小，投資比下廠址方案低5 260.94萬(wàn)元；并且因兩廠址間河道比較平緩，落差小，雖然下廠址裝機(jī)容量增加了1萬(wàn)kW，但年發(fā)電量?jī)H增加0.336億kW·h，且總費(fèi)用現(xiàn)值比上廠址方案高390.16萬(wàn)元。因此，推薦上廠址方案。

3.6 推薦的樞紐布置方案

天花板水電站樞紐布置采用混合式開(kāi)發(fā)方式，大壩采用拋物線型碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1 076.80 m，最低建基面高程969.80 m，最大壩高107.0 m，壩軸線長(zhǎng)159.87 m，拱冠梁頂寬6.005 m，拱壩最大中心角93.3°，拱冠梁底寬22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。

泄洪建筑物采用壩身泄洪方式，表孔、中孔和排沙孔相間布置，3個(gè)開(kāi)敞式溢流表孔堰頂高程1 062.50 m，WES堰型，孔口寬度10.0 m；2個(gè)泄洪中孔進(jìn)口底板高程1 020.00 m，孔口尺寸5 m×6.5 m（寬×高）；表孔采用挑流消能方式，壩后設(shè)混凝土短護(hù)坦。泄洪軸線處溢流前沿總長(zhǎng)度67.50 m。為保證電站進(jìn)水口 “門(mén)前清”，在3號(hào)表孔右側(cè)設(shè)置了1個(gè)排沙孔，接進(jìn)水口前的排沙廊道，排沙孔進(jìn)口底板高程為1 025.00 m，孔口斷面尺寸為2 m×4 m（寬×高），采用挑流消能方式。

發(fā)電引水建筑物采用一洞兩管式布置，由岸塔式進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道等組成。引水隧洞全長(zhǎng)2 514 m，引用流量232.4 m3/s，圓形斷面，內(nèi)徑8.2 m，采用鋼筋混凝土襯砌，隧洞縱坡為0.5%。調(diào)壓井采用露天阻抗式，圓形斷面，內(nèi)徑23 m，井筒高72.32 m。壓力管道主管長(zhǎng)137.24 m，支管長(zhǎng)分別為36.58、25.24 m，采用鋼板襯砌；主管內(nèi)徑6.7 m，支管內(nèi)徑4.3 m。壓力管道主管與廠房斜交，采用一管兩機(jī)引用方式，鋼岔管為 “Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋板形式。

發(fā)電廠房采用地面廠房布置形式，主廠房尺寸為 68.5 m×22.2 m×47.5 m (長(zhǎng)×寬×高)， 其中主機(jī)間長(zhǎng)43 m，安裝間長(zhǎng)25.5 m，安裝場(chǎng)高程974 m，發(fā)電機(jī)層高程968 m，安裝2臺(tái)90 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組；副廠房布置于主廠房右端，主變室及運(yùn)輸軌道布置在主機(jī)間上游側(cè)，GIS和出線塔架位于主變室屋頂；廠區(qū)地坪高程為974.00 m。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）天花板水電站根據(jù)樞紐區(qū)實(shí)際地形地質(zhì)條件和水文條件，通過(guò)科學(xué)分析計(jì)算和水工模型試驗(yàn)，對(duì)壩址、壩型、泄洪方案進(jìn)行了詳細(xì)研究，選擇了拋物線型碾壓混凝土雙曲拱壩，和 “三表兩中”的壩身泄洪消能方案，使首部樞紐布置更好地適應(yīng)工程特點(diǎn)。

（2）引水發(fā)電系統(tǒng)避開(kāi)不利的跨溝布置，巧妙地利用河流彎道 “裁彎取直”，有效縮短了引水線路長(zhǎng)度，并根據(jù)廠址處實(shí)際地質(zhì)條件，選擇了岸邊地面廠房，起到縮短工期、降低施工難度、確保工程安全的重要作用。

（3）天花板水電站于2007年底實(shí)現(xiàn)大江截流，2010年底主體工程完工，2011年3月正式并網(wǎng)發(fā)電。