大孤山水電站樞紐建筑物布置及優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉立昱

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 蘭州 730000)

1 工程概況

大孤山水電站位于黑河上游大峽谷中,甘肅省肅南裕固族自治縣境內(nèi),廠房距張掖市112km,為黑河流域規(guī)劃中的第5座梯級(jí)水電站,主要任務(wù)為發(fā)電,采用引水式開(kāi)發(fā)。

電站壩閘址處多年平均流量43.4m3/s,設(shè)計(jì)引水流量105m3/s,設(shè)計(jì)水頭74.5m,裝機(jī)3臺(tái),為適應(yīng)黑河峰貧流量變化大的特點(diǎn),布置2臺(tái)大機(jī)1臺(tái)小機(jī),總裝機(jī)容量65MW,多年平均發(fā)電量2.12億kW·h。由首部樞紐、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及升壓站等組成,屬三等中型工程。電站總工期36個(gè)月,于2009年6月全部完工,7月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電,8月3臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行。

2 樞紐布置選擇

2.1 閘壩址選擇

大孤山水電站開(kāi)發(fā)河段上接二子龍溝口的二龍山水電站廠房尾水 (正常尾水位2145.50m),下至四大龍溝口下游的小孤山水電站樞紐 (正常蓄水位2060.00m),開(kāi)發(fā)河道長(zhǎng)約 12km,平均縱坡7.04‰,可利用水頭85.5m。

開(kāi)發(fā)河段內(nèi)河流多呈 “S”型展布,谷寬變化較大,水流湍急,庫(kù)區(qū)兩岸岸坡高陡,大部分基巖裸露,右岸漫灘和河心灘發(fā)育,兩岸斷續(xù)分布有殘留的Ⅱ～Ⅳ級(jí)階地。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,在滿足建壩要求的基礎(chǔ)上擬定了上、下兩個(gè)壩址,進(jìn)行壩址、壩型比較。以充分利用水頭為基礎(chǔ),上壩址 (二子龍壩址)采用低閘壩引水開(kāi)發(fā),下壩址 (三子龍壩址)采用混合式開(kāi)發(fā)。兩方案特征水位相同,即正常蓄水位2144.00m,正常尾水位2061.00m。上壩址樞紐由擋水壩、泄洪沖沙閘及進(jìn)水閘組成,最大閘高21m,右岸進(jìn)水閘后接長(zhǎng)7536m的引水發(fā)電隧洞至廠房。下壩址樞紐由混凝土面板堆石壩、排砂洞、溢洪道、導(dǎo)流洞及進(jìn)水閘組成,左岸山梁布置泄洪建筑物,右岸山體布置排砂及引水發(fā)電系統(tǒng),最大壩高69m,引水發(fā)電隧洞長(zhǎng)3111m。

通過(guò)對(duì)兩壩址地形地質(zhì)條件、工程布置、施工交通條件、建設(shè)費(fèi)用等方面進(jìn)行綜合比較,上壩址無(wú)論在建設(shè)條件、技術(shù)難度、水庫(kù)淹沒(méi)、環(huán)境影響等方面均明顯優(yōu)于下壩址,雖然年發(fā)電量比下壩址少613萬(wàn)kW·h,但節(jié)約投資約12000萬(wàn)元,故最終選定上壩址方案。

2.2 樞紐建筑物布置

根據(jù)選定的二子龍壩址,可研階段初步擬定樞紐采用閘壩方案,正向擋水、排沙、泄洪,側(cè)向引水。閘壩基本垂直河道布置,從左到右依次為左岸混凝土擋水壩、混凝土溢流壩、泄洪沖沙閘,進(jìn)水閘置于河道右岸,與泄洪沖沙閘軸線夾角41.5°。

2.2.1 混凝土擋水壩段

混凝土擋水壩段長(zhǎng)14.0m,壩頂高程2148.00m,最大壩高22.0m,壩頂寬8.0m,壩底寬17.0m。

2.2.2 混凝土溢流壩段

溢流壩段長(zhǎng)30m,堰面型式采用WES實(shí)用堰,堰頂高程2144.00m,順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度 17.0m,后接長(zhǎng)16.5m的消力池,池深1.0m。

2.2.3 泄洪沖沙閘

泄洪沖沙閘共3孔,采用帶胸墻的水閘,孔口尺寸10m×9m(寬×高),閘室段垂直水流向總長(zhǎng)43.5m,順?biāo)鏖L(zhǎng)40.0m,從左至右分為單孔及雙孔兩個(gè)結(jié)構(gòu)分縫段。閘底板高程2129.00m,閘頂高程2148.00m,閘室總高度22.0m。閘后消力池長(zhǎng)45.0m,底板高程2126.50m,采用向下游擴(kuò)散式布置,擴(kuò)散角度為5°。消力池末端消力坎高2.5m,坎后布置深9.0m防沖沉井。

2.2.4 電站進(jìn)水閘

進(jìn)水閘位于樞紐上游山坡巖體上,距壩軸線50m左右,順?biāo)鞣较蜷l室段長(zhǎng)36.7m,為防止泥沙進(jìn)入引水系統(tǒng),閘底板高程為2131.00m,高出泄洪排沙閘底板2.0m,閘頂高程2148.00m。進(jìn)水閘設(shè)攔污柵、事故檢修門,閘后接長(zhǎng)引水發(fā)電隧洞。

3 樞紐建筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 擋水建筑物

初步擬定的擋水建筑物由混凝土擋水壩段和混凝土溢流壩段組成,布置在左岸。溢流壩無(wú)閘門控制,堰頂高程為正常蓄水位2144.00m,較二龍山水電站正常尾水位2145.50m低1.50m。為了合理搭接上一級(jí)電站尾水,充分利用水頭發(fā)電,經(jīng)充分論證后,將大孤山水電站正常蓄水位抬高至2145.50m,在樞紐其他特征水位不改變的情況下,原壩頂高程2148.00m滿足調(diào)整后正常蓄水位的超高要求,無(wú)需加高。

正常蓄水位抬高后,繼續(xù)利用無(wú)閘溢流壩調(diào)節(jié)發(fā)電棄水來(lái)控制樞紐水位必然對(duì)二龍山水電站正常尾水位有較大的抬升,影響其發(fā)電出力。同時(shí)黑河峽谷夏、秋季漂浮物較多,冬季寒冷、流冰期長(zhǎng)(11月中旬開(kāi)始流冰,1月初到2月底封凍,春季流冰一般到3月底結(jié)束)。為了更好的控制樞紐水位,避免運(yùn)行時(shí)因發(fā)電棄水頻繁開(kāi)啟泄洪沖沙閘,同時(shí)滿足排漂和排冰的要求,將擋水壩段和溢流壩段合并為一個(gè)擋水壩段,在靠近泄洪沖沙閘側(cè)設(shè)置一孔排漂排冰閘,閘后接排漂排冰渠引至泄洪沖沙閘消力池。

調(diào)整后混凝土擋水壩段長(zhǎng)22.0m,壩頂高程2148.00m,壩頂寬5.0m,壩底寬18.0m。排漂排冰閘寬4.0m,堰面型式采用WES實(shí)用堰,堰頂高程為2143.50m,下游側(cè)坡度1∶0.6,反弧段后接縱坡1∶50的排漂排冰渠。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證,排漂和排冰效果良好。

圖1 混凝土擋水壩段排漂排冰閘橫斷面圖

3.2 泄水建筑物

初步擬定的泄水建筑物為3孔泄洪沖沙閘。考慮到黑河屬多泥沙河流,電站進(jìn)水口受工程總體布置、樞紐地形條件限制,只能布置于河道右岸的凸岸引水,為保證電站進(jìn)水口盡可能避開(kāi)凸岸淤積區(qū)而在主河道取水,同時(shí)縮短擋水壩段減少工程投資,經(jīng)比較后將泄洪沖沙閘整體向河道左側(cè)平移近20m。

原方案泄洪沖沙閘的結(jié)構(gòu)分縫段是結(jié)合施工分期導(dǎo)流方案設(shè)置的,由于泄洪沖沙閘整體左移后,原一期導(dǎo)流先圍護(hù)右河床施工、由左岸束窄河床過(guò)流的方案,因斷面過(guò)窄而無(wú)法滿足施工期全年渡汛和泄洪的要求,必須對(duì)分縫位置進(jìn)行調(diào)整,即從左至右分為雙孔及單孔兩個(gè)分縫段。根據(jù)樞紐地形條件,施工導(dǎo)流與調(diào)整后的泄洪沖沙閘永久布置相結(jié)合,仍采用河床分期導(dǎo)流方式,整個(gè)工程分期兩段施工。一期枯、汛圍堰先后圍護(hù)右河床,由左岸束窄河床過(guò)流,進(jìn)行右岸1孔泄洪沖沙閘及進(jìn)水閘的施工;二期利用已完建的1孔泄洪沖沙閘過(guò)水,在平、枯水圍堰的圍護(hù)下修建剩余2孔泄洪沖沙閘及左岸的混凝土擋水壩段,并將閘室混凝土澆筑至胸墻以上高程,汛期由3孔閘聯(lián)合泄流,汛后在圍堰圍護(hù)下進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)的安裝。

黑河屬多泥沙河流,根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析,電站多年平均含沙量為1.49kg/m3,多年平均懸移質(zhì)和推移質(zhì)輸沙量分別為204×104t、31.0×104t。黑河輸沙量年內(nèi)分配很不均勻,主要集中在汛期6～9月間,占年輸沙量的95.0%以上,因此電站在汛期運(yùn)行時(shí)必須及時(shí)拉沙。靠近右岸進(jìn)水閘的單孔泄洪沖沙閘在汛期會(huì)頻繁開(kāi)啟拉沙排沙,因此適當(dāng)降低其底板高度非常有利于保證電站進(jìn)水口 “門前清”。原方案 3孔泄洪沖沙閘底板高程均為2129.00m,經(jīng)優(yōu)化后將右岸的1#閘底板高程降至2128.00m,其余2孔高程不變,隨結(jié)構(gòu)分縫相應(yīng)調(diào)整的閘前導(dǎo)墻 (兼做縱向圍堰)也起到了很好的束水束沙作用。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證排沙效果良好。

圖2 泄洪沖沙閘閘壩橫斷面圖

3.3 引水建筑物

樞紐引水建筑物為電站進(jìn)水閘。由于采用了凸岸引水的布置方案,進(jìn)水口的排沙非常重要,除采用1#泄洪沖沙閘、閘前導(dǎo)墻、進(jìn)水閘前導(dǎo)沙坎組成的常規(guī)主排沙系統(tǒng)外,結(jié)合泄洪沖沙閘優(yōu)化,充分利用1#泄洪沖沙閘與進(jìn)水閘底板形成的3.0m高差,又對(duì)進(jìn)水閘的布置進(jìn)行了優(yōu)化。在攔污柵進(jìn)口底板下面增設(shè)排沙底孔、控制球閥和通向下游的排沙管組成副排沙系統(tǒng),同時(shí)該系統(tǒng)也是樞紐下游脫流河道段生態(tài)流量的下泄通道,利用長(zhǎng)期穩(wěn)定下泄生態(tài)流量的同時(shí)進(jìn)行閘前排沙。

圖3 進(jìn)水閘平面及剖面圖

根據(jù)模型試驗(yàn)驗(yàn)證,主、副排沙系統(tǒng)聯(lián)合使用,電站取水排沙效果好,降低了 “凸岸引水”的不利影響,實(shí)現(xiàn)了電站進(jìn)水口的 “門前清”,較好地解決了樞紐泥沙入洞問(wèn)題,使電站效益得到最大發(fā)揮。

排沙底孔布置在進(jìn)水閘攔污柵底板下部,底高程為2128.50m,孔口高度由1.6m通過(guò)圓弧漸變?yōu)?.0m,進(jìn)口共設(shè)置3孔,同于攔污柵孔數(shù),寬度與攔污柵一致均為5.0m,3個(gè)排沙底孔在平面上經(jīng)導(dǎo)流墩及流線型漸變段匯總至排沙管后排入1#泄洪沖沙閘下游,排沙管直徑1.0m,中間設(shè)控制球閥和檢查井。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大孤山水電站樞紐工程黑河漂浮物多、流冰期長(zhǎng)、含沙量高的水情、冰情和泥沙特點(diǎn),結(jié)合地形地質(zhì)條件,在常規(guī)水電站樞紐建筑物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,采取了合理有效的優(yōu)化措施,從而較好的解決了上述問(wèn)題。

(1)采用在右岸混凝土擋水壩段設(shè)置排漂排冰閘的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,解決了靜水區(qū)漂浮物、浮冰滯留問(wèn)題。

(2)運(yùn)用將3孔泄洪沖沙閘底板高程錯(cuò)落布置的方案,改善了進(jìn)水閘前拉沙效果。

(3)在主排沙系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,采用在進(jìn)水閘底板以下設(shè)置排沙底孔等措施以布置副排沙系統(tǒng),利用下泄生態(tài)流量進(jìn)行閘前排沙,較好的解決了樞紐泥沙入洞問(wèn)題。

上述各項(xiàng)優(yōu)化措施在工程運(yùn)行中已取得良好的效果,該電站自2009年7月建成發(fā)電至今,經(jīng)歷了兩個(gè)汛期和兩個(gè)冬季,排漂、排冰和排沙等問(wèn)題都已得到了良好的解決。因此該工程對(duì)于其他類似樞紐工程的設(shè)計(jì)也具有很好的借鑒價(jià)值。

1 楊捷.小孤山水電站方案布置及設(shè)計(jì)特點(diǎn) [J].中國(guó)水利,2010,(18)

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