貴州盤縣烏都河水電站二期工程方案優(yōu)選

劉 辛

（貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

烏都河為北盤江的一級(jí)支流。 已建的盤縣烏都河水電站位于烏都河中下游盤縣、普安縣的界河河段上，是梯級(jí)開發(fā)的第八級(jí)，為引水式電站。 該電站利用天然水位差223 m，裝機(jī)25 MW，發(fā)電引用流量13.7 m3/s，占多年平均流量（22.9 m3/s）的59.83%，水量利用系數(shù)為0.382。 已建烏都河水電站在實(shí)際運(yùn)行中，工程棄水量偏大，電站年利用小時(shí)數(shù)較高，未能充分利用水能資源。 因此，項(xiàng)目業(yè)主決定對(duì)該工程進(jìn)行擴(kuò)容，擬建設(shè)烏都河水電站二期工程。

1 烏都河水電站工程概況

1.1 已建水電站概況

已建的盤縣烏都河水電站工程總體包括：首部樞紐、無壓引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及升壓站。 首部樞紐由漿砌石重力壩、右岸沖沙底孔及取水口組成。 大壩位于普安縣畔河村附近， 控制流域面積1 220 km2，多年平均流量22.9 m3/s，年徑流量72 177 萬m3。引水系統(tǒng)由明渠、無壓引水隧洞、渡槽、沉沙池、前池、壓力鋼管組成。 發(fā)電廠房采用地面式，主、副廠房采用一字形布置。 電站裝機(jī)容量為45MW，多年平均年發(fā)電量為9 490 萬kW·h， 年利用小時(shí)數(shù)為2 109 h。

1.2 二期工程概況

烏都河水電站二期工程擬在已建電站樞紐基礎(chǔ)上進(jìn)行建設(shè)，其開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。 在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，烏都河水電站二期工程有兩種方案可供選擇：（1）利用一期已建成大壩，二期不對(duì)大壩進(jìn)行改造，在庫首右岸非溢流壩段增設(shè)一取水口， 新建明渠、無壓隧洞，引水至已建沉沙池、前池后，至已建廠房下游，在岸邊建廠發(fā)電。 該方案需新建的主要樞紐建筑物有：取水口、沉沙池、暗渠、無壓引水隧洞、渡槽、明渠、壓力鋼管和廠房。 （2）在一期已建成大壩下游再建一新壩。 該方案需新建的建筑物有：大壩、取水口、沉沙池、引水系統(tǒng)和廠房。

二期工程建成后，預(yù)計(jì)一、二期工程總裝機(jī)容量為70MW。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）的規(guī)定[1]，本工程規(guī)模屬小（1）型，工程等別為Ⅳ等，工程施工總工期為33 個(gè)月，工程總投資31 920 萬元，靜態(tài)總投資27 910 萬元。

2 二期工程方案優(yōu)選

2.1 利用原壩方案

在原壩至已建沉沙池間，選擇3 條可行線路進(jìn)行比較（如圖1 所示）。

因已建電站從大壩至0#隧洞之間靠河道布置有明渠，二期工程原壩方案引水線路的布置只能在其右側(cè)布置。 由圖1 可見，選擇的3 條引水線路1#、2#隧洞軸線布置相同，僅渡槽位置不同，從而形成了3 個(gè)比較方案。

圖1 規(guī)劃設(shè)計(jì)的3條可行性路線Fig.1 Three feasibility routes of planning design

路線一：渡槽位置選擇在已建麻家沖渡槽下游約50 m 處，其優(yōu)點(diǎn)在于渡槽跨度較短，地面高差僅16 m，施工方便；缺點(diǎn)是渡槽進(jìn)、出口位置為崩塌堆積體，覆蓋層較厚。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，該處出露地層為石炭系下統(tǒng)擺佐群（C1b）厚層灰?guī)r，兩側(cè)山體雄厚，中部為陡壁，下部為崩塌堆積體。 根據(jù)水力計(jì)算，1#隧洞出口高程為1 175.5 m， 正處于崩塌堆積體中、下部，厚度約30～40 m，成洞條件差，而此處地形、地質(zhì)條件較好的位置已被已建工程利用。 同時(shí)，為減小渡槽跨度，需在渡槽后新建一明渠，長(zhǎng)度為295.55 m。因底板高程與已建明渠大致相同，需在老渠道外側(cè)采用高填方施工方案，加上基礎(chǔ)為覆蓋層，其施工難度較大。

路線二： 新建渡槽位于已建渡槽下游側(cè)460 m處，跨度231 m，地面高度約50 m，渡槽兩端與1#、2#隧洞相接處基巖裸露。 方案二的優(yōu)點(diǎn)在于渡槽兩端基巖裸露，隧洞成洞條件較好；缺點(diǎn)為渡槽地面高度較大，施工困難。 同時(shí)，經(jīng)鉆孔揭露，渡槽中部洼地處為粉土層，厚度大于40 m，基礎(chǔ)處理困難。

路線三：渡槽位于丫口上寨子上游約400 m 處，渡槽上、下游為洼地，跨度168 m，地面高程約30 m。渡槽兩端為崩塌堆積體，進(jìn)口（1#隧洞出口）崩塌堆積體厚10～15 m，出口（2#隧洞進(jìn)口）處厚約3～5 m，渡槽中部基礎(chǔ)位置覆蓋層厚約8 m， 下伏地層為石炭系擺佐組(C1b)的淺灰、灰色厚層塊狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀125°∠18°，斜至逆向坡，自然邊坡穩(wěn)定。

相對(duì)于路線一，路線三具有覆蓋層較薄、無需新建明渠、工程量較小等優(yōu)點(diǎn)。 相對(duì)于路線二，路線三具有渡槽規(guī)模較小，且基礎(chǔ)較好，為厚層灰?guī)r等優(yōu)點(diǎn)。 同時(shí)，方案三引水線路最短。 在原壩方案中，從大壩至已建沉沙池之間的引水線路選擇路線三。

經(jīng)走線布置及水力計(jì)算，方案三大壩取水口底板高程為1 179.0 m，孔口尺寸（寬×高）為5 m×3 m。為充分利用此處的地形條件，將新建的沉沙池布置成定期沖洗式，并設(shè)置兩個(gè)沖沙閘室，順?biāo)鞣桨篙S線長(zhǎng)139.177 m，出口設(shè)攔污柵，后接暗渠進(jìn)口控制段。 控制段底板高程為1 178.7 m，寬4.5 m，設(shè)計(jì)過流能力24.5 m3/s。 控制段經(jīng)75.98 m 的暗渠后接1#隧洞進(jìn)水口。 暗渠底寬3.5 m，邊墻高3.5 m，設(shè)計(jì)水深2.92 m，底坡i=0.001（末端為1:5）。1#隧洞進(jìn)水口閘門底檻及消力池底板高程1 177.125 m，設(shè)弧形工作閘門，孔口（寬×高）尺寸為3.5 m×5 m，消力池段長(zhǎng)38.45 m，井筒頂部高程1 212 m，高于校核洪水位1 211.53 m（P=0.5%）。 1#隧洞采用城門洞型，長(zhǎng)3 807.747 m，底寬3.5 m，直墻高3.3 m，頂拱半徑為2.1 m，底坡i=0.001，設(shè)計(jì)水深2.92 m。 1#隧洞后接29 m 長(zhǎng)的明渠段，并設(shè)置側(cè)堰。 明渠斷面尺寸（B×H）為3.5 m×3.674 m，底坡i=0.001；側(cè)堰堰頂高程1 177.85 m，溢流堰寬18 m，最大下泄流量13.01 m3/s。明渠段后為丫口上渡槽，長(zhǎng)168m，采用矩形斷面，底寬3.5 m。 為滿足堰上水頭及安全超高，取邊墻高度為3.75m，底坡i=1/600，槽內(nèi)水深2.44 m。 2#隧洞長(zhǎng)1 181.75 m，底坡為i=1/1000，結(jié)構(gòu)尺寸與1#隧洞相同，后接明渠段至已建沉沙池進(jìn)口。 明渠長(zhǎng)10 m，底坡i=1/1000，底寬3.5 m，邊墻高4.726 m，設(shè)計(jì)水深2.92 m。引水線路總長(zhǎng)為5 283.981 m（不含半河沉沙池長(zhǎng)度）。

2.2 新建大壩方案

2.2.1 地形、地質(zhì)條件分析

新壩線河谷寬高比為6.2，是不對(duì)稱“V”字形河谷。左岸為階地，高出河床約10～20 m，自然坡度10°～30°，為一深厚覆蓋層，厚度約40 m。 據(jù)鉆孔揭露，頂部為沖洪積粉土，中部為崩塌堆積碎石，碎石成分主要是灰?guī)r，下部為30m 左右厚初步固結(jié)粉土，狀況穩(wěn)定，但強(qiáng)度不高，遇水后易軟化。 右岸為一凸出巖壁，自然坡度＞70°，基巖裸露，為厚層灰?guī)r，逆向坡，強(qiáng)風(fēng)化下限5～8m。 河床覆蓋層厚約30 m，除頂部1～2m 砂卵礫石外， 其余皆為粉土， 其下基巖為P2q 灰?guī)r，右岸為P2m 灰?guī)r[2]。 河床中部有F1 斷層順河穿過，右岸基巖裂隙較發(fā)育，共發(fā)育6 組裂隙。本河段為地下水補(bǔ)給河水，河床為粉土層，屬相對(duì)隔水層。右壩肩為一凸出的山體，為P2m+q 灰?guī)r，該山體內(nèi)地下水位低平，裂隙發(fā)育，防滲處理難度較大；左岸基巖也為灰?guī)r，因距河流入伏口較近，存在繞壩直接滲漏入伏流段可能，防滲工作量亦大。

2.2.2 新壩位置分析

已建大壩至下游落水洞的河段長(zhǎng)約1 km，因已建電站引水系統(tǒng)布置于河道右岸，沿水流方向依次為1#明渠、0#隧洞、2#暗渠及1#隧洞進(jìn)水口，故在選擇新壩方案壩軸線時(shí)，應(yīng)考慮施工期的不利影響，盡量將對(duì)老電站發(fā)電影響降低到最低。 據(jù)已建電站引水線路布置及下游河段的地形、地質(zhì)條件，可選位置為0#隧洞處和1#隧洞進(jìn)水口至下游落水洞間的河段。

因1#隧洞進(jìn)水口至落水洞之間河段其左、右岸地形極不對(duì)稱，且均存在崩塌堆積體，河道狹窄，無法布置溢洪道、沖沙設(shè)施及導(dǎo)流工程，故只能在0#隧洞處選擇新壩軸線。根據(jù)0#隧洞竣工資料及實(shí)測(cè)進(jìn)、出口位置，在保證壩肩開挖不影響0#隧洞運(yùn)行的基礎(chǔ)上，新壩線位置選擇在距已建大壩約300 m 處。

2.2.3 壩型適應(yīng)性分析

汛期受下游入伏口下泄能力限制，回水頂托，洪水位抬高，當(dāng)遇到超過兩年一遇洪水時(shí)，原壩將處于被淹沒狀態(tài)。 當(dāng)達(dá)到校核工況時(shí)， 洪水位高達(dá)1121.53 m（P=0.5%），已高于已建大壩壩頂26.53 m。基于這種情況，只能選擇剛性壩，而此處河床為30 m 深的粉土覆蓋層，地基承載力為180～200 kPa。 如全部清除，其開挖和壩體工程量巨大。 若擴(kuò)大基礎(chǔ)，復(fù)核地基承載力仍不能滿足要求。 故本次設(shè)計(jì)考慮利用兩岸完整基巖，在其上修建拱座，再在其上部修建重力壩，形成拱上重力壩，壩頂高程取與已建大壩相同，為1 185.0 m。

2.3 兩種方案優(yōu)選

經(jīng)過比較，下壩址（新建大壩方案）比上壩址（利用原壩方案）多約19.8 萬m3庫容，節(jié)約了從取水口到1#隧洞約200 m 的渠道。 但是，下壩址壩基為粉土，強(qiáng)度過低，加上兩壩肩防滲處理難度大，且投資較大，綜合地質(zhì)條件明顯比上壩址復(fù)雜，而且上壩址為已建壩址，十多年來運(yùn)行正常。 在大壩至1#隧洞出口的建筑工程投資中，原壩方案總投資為4 962.95，新壩方案總投資為5 439.02，采用原壩方案可節(jié)省476.07 萬元。同時(shí)，新壩方案中未列入新、老大壩之間的庫區(qū)淹沒投資。 經(jīng)綜合比較，上壩址條件要優(yōu)于下壩址，故推薦上壩址為下階段研究壩址，即采用原有大壩新建取水口方案。

3 結(jié)語

烏都河水電站二期工程在初步設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)方案優(yōu)化比選，得到以下結(jié)論：（1）從壩址區(qū)地形地質(zhì)條件、樞紐優(yōu)化布置、工程量、工程投資等[3]方面進(jìn)行綜合比較，推薦上壩址為下階段研究壩址，即采用原有大壩新建取水口方案。 （2）采用原有大壩新建取水口方案， 按照渡槽位置不同，1#、2#隧洞軸線布置相同，設(shè)計(jì)了3 條引水線路。 通過方案比選，最終選擇渡槽位于丫口上寨子上游約400 m 處的引水線路。

[1]SL252-2000，水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] SL299-2004，水利水電工程地質(zhì)測(cè)繪規(guī)程[S].

[3] 崔進(jìn)，高傳彬，雷聲軍. 枕頭壩一級(jí)水電站工程樞紐布置設(shè)計(jì)[J]. 人民長(zhǎng)江，20012，43(14):30-32.