土賢莊水電站工程設計與優(yōu)化

左燕霞

（河北省石津灌區(qū)管理局，石家莊050051）

土賢莊水電站位于石津總干渠土賢莊村，是石津總干渠規(guī)劃的第3座梯級水電站，上游有杜童和田莊2座水電站，下游有規(guī)劃中的紫城水電站。電站利用黃壁莊水庫經總干渠的灌溉放水、汛前泄水和南水北調中線供水（以下簡稱引江供水）在跌水處形成的落差發(fā)電。黃壁莊水庫除險加固工程的完成使灌區(qū)的灌溉用水得到有效保證，而南水北調中線工程的實施，又把引江水同灌溉放水相結合，使石津總干渠水量調配更加合理化和科學化。

該電站的興建將使水力資源得到充分利用，增大水電在電網中的比重，同時擴大總干渠在市區(qū)內的水域面積，對提高灌區(qū)及引江綜合利用效益，改善市區(qū)小氣候，美化市容等至關重要。因此，電站的設計合理與否，將直接影響工程的運行、管理和效益的發(fā)揮。

1 自然條件

本站地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多年平均降水量507.2mm，降水量年內分配不均，多集中在6～8月，占全年降水量的70%左右，并且多以暴雨形式出現(xiàn)。年蒸發(fā)量1000～1200mm。年平均氣溫12 ℃～13 ℃，1月份平均最低氣溫-9 ℃，7月份平均最高氣溫32 ℃。年最大凍土深47cm。全年無霜期190～200d。年日照總時數(shù)為2629.5h，最大風速5m/s。

總干渠渠首多年平均放水量5.23億m3，引江水經田莊分水樞紐到趙陵鋪進入石津總干渠，常年通水，日平均流量20m3/s。從渠首到電站33.3km，區(qū)間無徑流。

2 樞紐工程布置

電站采用河道旁側式布置方式，工程規(guī)模為小（Ⅱ）型。石津總干渠為灌溉興利渠道，基本不存在防洪問題。設計流量89.02m2/s，毛水頭5.63m，總裝機容量4800kW，安裝2臺2000kW豎井貫流式機組，1臺800kW軸伸貫流式備用小機組。多年平均年發(fā)電量1298.60萬kW·h，裝機年利用3247h，水能利用率0.938。

該工程包括攔污柵、前池、進水閘、泄水閘、壓力管道、主副廠房、尾水閘、尾水池等建筑物，全長139.975m，總寬度47.73m。泄水閘布置在右岸，3臺機組并排布置在左岸，進水閘閘室段和壓力管道，長16.9m，上部為電站的事故流道和3層副廠房，事故流道底高程66.313m，副廠房地面高程70.813m；下游主廠房和尾水段，長40.94m，機組的安裝高程59.54m，在其上部為事故流道和敞開式安裝間，安裝間的高程70.103m。

該電站以一回10kV線路并入上游670m處紅光變電站，電纜線埋入渠道南岸距離石家莊市二環(huán)快速路3.33m處，埋深1.0m，并網線路1.4km，輸送容量

5630kV·A。

電站與外界連接方便，北側距二環(huán)快速路13.27m，南側距二環(huán)快速路4.43m，副廠房、安裝間和3號機組的大門均布置在北側與進場公路和東二環(huán)相連接。

整個電站的布置，除副廠房在地面以上，其余工程布置在地面以下，放水發(fā)電期間只能看到大面積的水域和副廠房，將成為石家莊市二環(huán)路的一道風景。

3 工程設計優(yōu)化

進入施工圖階段，受石家莊市二環(huán)路提升工程的影響，電站的站址向上游移動170m，對電站設計進行了優(yōu)化，兩側布置改為單側布置方式。優(yōu)化后建筑物結構和布置更為合理，工程量減少，便于施工，節(jié)省了工期和投資，同時運行和管理更加方便，尤其為二環(huán)快速路的建設提供了位置保障。

3.1 裝機方案優(yōu)化

初設方案僅選用2×2000kW的豎井貫流式機組，考慮在來水量不能使機組進行滿發(fā)的情況下，發(fā)1臺機和2臺機出力相同，多余的水只夠建立另1臺機的空載，或只能維持另1臺機在極低效率區(qū)運行，會造成這段時間單擊容量的功率損失，出現(xiàn)棄水現(xiàn)象造成水源浪費，使電站無法正常發(fā)電。

經分析，若選用大小裝機匹配，可以克服以上缺陷，因此，重新增加1臺功率800kW的軸伸貫流式機組作為備用小機組，這樣既可以應對灌溉期來水量不穩(wěn)定的情況下流量和水頭的變化，又可以在非灌溉期利用小流量的引江水進行長期發(fā)電，提高機組平均效率，增加發(fā)電量。

3.2 擋水建筑物優(yōu)化

3.2.1 初步設計階段

擋水建筑物為橡膠壩，設計壩長14.40m，寬8m，壩高3m。

3.2.2 施工圖設計階段

經多方面對比，將橡膠壩改為平面鋼閘門。鋼閘門具有以下優(yōu)點：

（1）鋼閘門使用壽命為50～60年，而橡膠壩10～15年就必須更換1次壩袋，壩袋更換必將增加投資。

（2）橡膠壩運行過程中壩體的振動、壩與河床及兩岸的摩擦，以及漂浮的各種垃圾都可能導致壩袋的摩損。發(fā)生微小的漏氣易于修復，若漏氣面積很大，修復起來比較困難，投資大。

（3）橡膠壩需要2～3h才能完全升壩或塌壩，而鋼性閘門采用啟閉機，運行速度可達1～2m/min。該電站要求不超過2min即完成開閘和閉閘，才能有效地保證突發(fā)洪水時及時泄洪。

（4）橡膠壩一般須建1座供氣站或水泵房，管路多且復雜，占地也多，而鋼閘門僅僅配套2臺卷揚式啟閉機，結構簡單，操作方便，啟閉機配備手動裝置，若發(fā)生停電或其他故障時可以手動操作。

泄水閘布置在1號機組的右側，為鋼筋混凝土結構，分為2孔，單孔凈寬5.0m，高6.44m，閘室段長16.9m，寬12.8m；閘室底板為整體式，底板高程62.873m，閘墩頂高程70.813m。閘門采用平面鋼閘門，閘門槽深0.3m，高5m，寬4.94m，配QPK2×160固定卷揚式啟閉機；閘墩上設檢修便橋、排架和T型梁，排架上安裝啟閉機，機座高程78.613m。

3.3 廠房布置優(yōu)化

3.3.1 初設階段

主廠房位于橡膠壩兩側對稱布置，主廠房內密封后的豎井室和水輪機室及豎井兩側過水流道頂部為發(fā)電機組的事故流道。副廠房分別布置在橡膠壩上部和廠房兩側。

3.3.2 施工圖階段

由于場地面積減小，為了合理利用空間，考慮增加的3號機組與2臺大機組的整體協(xié)調布置，使主機間布置更加簡潔合理，3臺機組油氣水及電纜等各種管路更集中，為了減少工程量，節(jié)省投資，同時在運行的過程中，方便巡查和管理。廠房由雙側布置改為單側布置。

（1）主廠房。地下主廠房并排布置在泄水閘的左側，布置時將水輪機和發(fā)電機放在2個豎井中，高程56.2m，同時在發(fā)電機豎井內設稀油站、接力器和調速器。其中流道寬2.25m，高6.394m；發(fā)電機室寬3.1m，長8.4m；水輪機室寬3m，長8.083m；尾水段長12.78m。3 號機組主廠房長17.6m，寬9.8m，高15.523m。

主廠房內各層有足夠的通道連接各部位，使廠房管理顯得有序，運行維護也很方便?？梢詮?號機組進入高程63.74m的管理廊道，通過2號與3號機組之間寬0.9m的通道，向下游進入1、2號機組的廊道，由樓梯進入發(fā)電機豎井室高程62.140m處的調速器平臺，通過爬梯進入56.2m高程處的稀油站。向上游為了合理利用空間，在中墩布置有樓梯，通過樓梯進入58.59m高程處，進入水輪機豎井室。在63.74m的管理廊道內，利用爬梯可以方便地進入流道內進行檢修。

（2）副廠房。事故流道上部為3層磚混結構，功能分區(qū)更加合理。1、2層寬12m，3層寬17.1m，長度均為32.57m，地面高程70.813m，總高度13.25m，主要用于辦公室。進水閘和快速閘門的閉機室布置在副廠房的第3層，可以直接從副廠房3層進入，方便操作和管理。

機組上面的70.103m高程為敞開式安裝間，布置有5對牛腿，用來支撐吊車梁啟吊機組，進行機組的拆卸與安裝。牛腿的布置，充分利用了主廠房的基礎，減少了廠房工程量和工程投資。

廠房不同層布置既滿足了使用要求，也有利于通風和采光，減少能耗成本。副廠房、安裝間的利用天然采光和通風。下游主機間通過屋面采光帶和天井采光，其他部位主要采用人工照明。

4 結語

由于工程規(guī)模、結構形式、地質地形、水文氣象和施工條件等諸多因素的影響和制約，水電工程具有獨一性和不可復制性，設計和施工，都需要因地制宜，實時調整來更好地適應工程需要。裝機方案、建筑物的選擇合適，廠房布置合理，不僅能降低施工難度，縮短建設工期，節(jié)省投資，同時還方便運行管理。

［1］邯鄲市水利水電勘測設計研究院.河北省欒城縣水電站農村電氣化建設土賢莊水電站項目初步設計報告［R］.2009.

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