石城子二級(jí)電站引水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

曾冬梅 潘君燕 倪 龍 張 強(qiáng) 趙德亮

（1.新疆水利廳農(nóng)牧區(qū)水利規(guī)劃總站 新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆哈密地區(qū)石城子水系流域管理總站 新疆 哈密 839000；3.新疆亨得利投資有限公司 新疆 烏魯木齊 830002；4.新疆巴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 新疆 庫(kù)爾勒 841000；5.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

石城子二級(jí)電站位于新疆哈密市石城子河，為石城子河“三級(jí)”開發(fā)方案中的第二級(jí)電站，系引水式開發(fā)。電站主體建筑物主要由引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐等組成。電站裝機(jī)容量為2×5MW，機(jī)組為2臺(tái)混流式機(jī)組,額定水頭130m，發(fā)電設(shè)計(jì)引用流量8.34m3/s。

引水系統(tǒng)布置在石城子河左岸，引水建筑物由引水隧洞、引水暗渠、引水明渠、壓力前池、壓力管道等水工建筑物組成。無壓引水隧洞長(zhǎng)5965.14m，采用城門洞形式，斷面尺寸為底寬2.6m，直墻2.2m，拱頂1.25m，半徑為1.75m，圓心角125°，引水暗渠長(zhǎng)394.82m，引水明渠長(zhǎng)為275.60m，壓力前池長(zhǎng)45.62m，壓力鋼管道總長(zhǎng)306.59m。廠房位于石城子水庫(kù)壩址下游左岸7270m處，沿著石城子河左岸布置，廠址地形較平坦，為地面廠房，長(zhǎng)53.53m，寬20.11m。利用石城子一級(jí)水電站尾水進(jìn)行取水發(fā)電。

電站屬于小型電站，工程等級(jí)為Ⅳ等?。?）工程。永久主要建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。引水系統(tǒng)較長(zhǎng)，且地形地質(zhì)條件復(fù)雜，為本工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和重點(diǎn)。本文對(duì)石城子二級(jí)電站引水系統(tǒng)的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行充分的論證。

2 引水系統(tǒng)各建筑物方案設(shè)計(jì)

2.1 引水工程區(qū)地質(zhì)條件

石城子二級(jí)水電站引水工程區(qū)無區(qū)域性大斷裂構(gòu)造及不良地質(zhì)體分布，山體及邊坡自然穩(wěn)定。主要出露的地層為華力西中期的侵入巖體γ42b，巖性以中粒黑云毌花崗巖為主，次為輝長(zhǎng)輝綠巖巖脈。無壓引水隧洞沿線河谷峽谷，山體雄厚，谷坡陡峻，岸坡平均坡度40°~60°，除個(gè)別進(jìn)口段、出口段及施工支洞段埋深較淺，圍巖為強(qiáng)~弱風(fēng)化巖石外，大部分洞段埋深大于100m，圍巖呈微風(fēng)化巖石，隧洞圍巖以堅(jiān)硬的花崗巖為主，大部分為Ⅲ類，Ⅳ類次之，少量Ⅴ類，具備較好的成洞條件。洞線處于地下水位線以上，不會(huì)發(fā)生涌水現(xiàn)象。

2.2 引水隧洞及明渠線路方案設(shè)計(jì)

考慮水能規(guī)劃和下游兩岸的地形地址條件，壓力前池只能布設(shè)在左岸。根據(jù)引水渠和引水隧洞的布置條件，結(jié)合施工道路和供電線路的比較，選擇左岸布置引水線路。擬定了三個(gè)引水方案：

方案一：短隧洞加明渠方案。該方案的引水隧洞全長(zhǎng)約為2261m，為城門洞型，隧洞寬2.60m，邊墻高2.20m，上部圓弧半徑1.48m，拱高0.85m，正常水位2.0m（糙率 n=0.020），水面比降i=1.0‰。隧洞布置在厚實(shí)的左岸山體內(nèi)，無斷裂構(gòu)造及不良地質(zhì)體分布，山體及邊坡自然穩(wěn)定。其后接明渠，長(zhǎng)度為5644m，底寬2.6m，深度為2.5m。渠道末端與下游二級(jí)電站的壓力前池銜接。

方案二：長(zhǎng)隧洞加明渠方案。該方案的引水隧洞與方案一的斷面形式相同，其全長(zhǎng)約為5965.14m，水面比降i=1.0‰，布置在厚實(shí)的左岸山體內(nèi)，無斷裂構(gòu)造及不良地質(zhì)體分布，山體及邊坡自然穩(wěn)定。隧洞段共經(jīng)過5個(gè)小的沖溝，沖溝段采用暗渠連接。五段暗渠的長(zhǎng)度分別為155.39m、94.99m、8.02m、57.99m、78.43m。最后與下游275.60m的引水明渠銜接，引水明渠形式也與方案一相同。渠道末端與下游二級(jí)電站的壓力前池銜接。

方案三：明渠方案。引水明渠全長(zhǎng)為8083m，斷面形式與方案一的明渠相同。渠道末端與下游二級(jí)電站的壓力前池銜接。

三種引水線路方案的平面布置圖見圖1。對(duì)上述三種引水線路方案進(jìn)行了施工工期及投資比較，詳見表1。

從表中可以看出三種引水線路的方案的工程靜態(tài)總投資分別為：短隧洞加明渠方案4469萬元；長(zhǎng)隧洞加明渠方案4216萬元；明渠方案4398萬元。施工工期分別為2年、1.5年、2年。綜合來看長(zhǎng)隧洞加明渠方案投資最小，施工工期最短，且工程量易于控制，另外引水明渠要受限于修建施工道路的制約，在山區(qū)修建滿足工程要求的施工道路非常困難，并且隧洞施工難度較明渠施工難度小。根據(jù)地形、地質(zhì)條件、工程布置條件和施工工期等因素綜合考慮，方案二較優(yōu)。

方案二的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）避免了洪溝對(duì)明渠的不利影響；

（2）減少了渡槽或倒虹吸等跨河（溝）建筑物，便于縮短施工工期和工程投資，同時(shí)降低施工難度；

（3）便于工程運(yùn)行管理。

推薦方案二的引水隧洞全長(zhǎng)約為5965.14m，為城門洞型，隧洞寬2.60m，邊墻高2.20m，上部圓弧半徑1.48m，拱高0.85m，正常水位2.0m(糙率n=0.020)，水面比降i=1.0‰。隧洞段共經(jīng)過5個(gè)小的沖溝，沖溝深度均小于2.0m，沖溝段采用暗渠連接，以防止沙石進(jìn)入，同時(shí)采取工程措施防止沖刷。五段暗渠的長(zhǎng)度分 別 為 155.39m、94.99m、8.02m、57.99m、78.43m。對(duì)于洞線高于溝槽床面的渠段，基礎(chǔ)進(jìn)行回填，并設(shè)置了排水涵管。隧洞進(jìn)口與石城子一級(jí)水電站尾水渠相接，隧洞進(jìn)口底板高程1317.50m，隧洞出口與下游275.6m的引水明渠銜接。明渠斷面型式采用矩形（基巖）或梯形（覆蓋層），縱坡i=0.8‰，渠道內(nèi)寬2.6m，高2.5m，明渠全長(zhǎng)275.60m。明渠進(jìn)口底板高程1314.91m，渠道末端底板高程1314.69m，渠道末端與壓力前池銜接。

圖1 三種引水線路方案平面布置圖

表1 三個(gè)方案施工工期及投資比較表

圖2 壓力前池及壓力管道平面布置圖

2.3 壓力前池布置

壓力前池布置在引水渠道末端的山頭上，平面中心軸線與渠道軸線一致，長(zhǎng)度為49.23m，寬度6.0m，深度8.0m，正常水位以下容積1206.6m3，主要由擴(kuò)散段、池身、溢流堰、泄槽、沖沙孔和壓力管道進(jìn)水口組成，采用側(cè)向溢流、側(cè)向進(jìn)水、正向沖沙的布置方式。水流從明流轉(zhuǎn)換為壓力流進(jìn)入壓力管道，電站負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)通過溢流堰宣泄多余水量。

壓力前池利用天然洼地蓄水，溢洪道下游利用天然沖溝行洪。溢洪道和排沙洞的工作水頭不足5.0m，溢洪道水流到達(dá)擋水壩體壩腳處和排沙洞出口的下泄流速小于10m/s，天然沖溝基礎(chǔ)均為較為完整的花崗巖，抗沖流速大于12m/s，沖溝底部分布有直徑約為1.0m～2.0m的巨石，設(shè)計(jì)時(shí)考慮利用這些現(xiàn)存的星羅棋布的大石消能，減緩水流下泄的沖刷。因此，溢洪道和排沙洞的防護(hù)范圍為壓力前池?fù)跛畨误w的10m范圍。

2.4 壓力管道布置及型式選擇

本電站為地面式引水廠房，管道布置為明管和地下埋管兩種型式均可。采用地下埋管施工難度較大，且必須增加施工支洞；采用明管布置施工簡(jiǎn)單，縮短工期，避免了洞挖和回填混凝土工程量，因此推薦明管方案。

壓力管道進(jìn)水口側(cè)向布置在右側(cè)邊墻末端，軸線與前池縱軸線垂直，因管道較長(zhǎng)，采用一管二機(jī)聯(lián)合供水方式。平面寬度6.8m，順?biāo)鞣较蛟O(shè)置攔污柵，檢修閘門，工作閘門及通氣孔，后接漸變段進(jìn)入壓力鋼管。

壓力管道經(jīng)過斜坡地段，無斷裂構(gòu)造及不良地質(zhì)體分布，山體及邊坡自然穩(wěn)定。高程1320.0m～1185.0m，基巖、坡角、邊坡均穩(wěn)定。

壓力鋼管由前池順坡明敷至山腳，根據(jù)地形變化，平面設(shè)置2個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，剖面設(shè)置4個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，其中前池出口和廠房上游2個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)為空間轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎點(diǎn)設(shè)置鎮(zhèn)墩，中間設(shè)置支墩，鎮(zhèn)墩下游側(cè)設(shè)置伸縮節(jié)。管道在進(jìn)入廠房前分岔，岔管為對(duì)稱Y型分岔，分岔角60°。

前池管道進(jìn)水口中心高程1325.50m，機(jī)組安裝高程1180.00m。

壓力管道主管直徑 1.6m，長(zhǎng)292.594m，岔管采用內(nèi)加強(qiáng)月牙肋型，對(duì)稱Y型分岔，分岔角60°，支管直徑1.2m，長(zhǎng)14.000m。均采用Q235鋼材。根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，主管管壁厚度10mm～18mm，從上至下依次增加2mm，支管管壁厚度14mm。

壓力前池及壓力管道平面布置見圖2。

3 結(jié)語

石城子二級(jí)電站的額定水頭為130m，設(shè)計(jì)引用流量8.34m3/s，裝機(jī)容量為2×5MW，屬于典型的山區(qū)小流量引水式電站，此類電站的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于引水線路的布置，避開不良地質(zhì)條件和地形條件的限制，有利于節(jié)省工程投資，縮短施工工期。該引水系統(tǒng)布置是在工期緊、任務(wù)重條件下完成的，得到了業(yè)主方的同意，為工程解決了實(shí)際困難，本電站多年平均發(fā)電量為2805萬kW·h，單位千瓦投資7661.2元，單位電能投資2.73元/kW·h，同時(shí)也帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

[1]王恩潤(rùn).小水電站[M].北京∶水利電力出版社,1992.

[2]張潤(rùn).山區(qū)徑流引水式電站設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體會(huì)[J].小水電,2007,（3）∶28-29.

[3]柴建新,柴建江.引水式水電站水工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)介紹[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2000,(12)∶53-54.