ATS水利樞紐工程廠址及廠房布置設計

孫紅麗，陳曉群

(1.新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000；2.湖北省水利水電科學研究院，武漢 430070)

1工程概況

ATS水利樞紐工程是葉爾羌河流域內最大的控制性山區(qū)水庫工程，在保證向塔里木河干流生態(tài)供水的前提下，以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用。本樞紐為大(一)型Ⅰ等工程。

樞紐工程由攔河壩、表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔放空排沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、主電站廠房、生態(tài)基流引水洞及其廠房等主要建筑物組成。主電站裝機容量700 MW，主電站廠房為2級建筑物。廠房設計洪水標準為200年一遇,校核洪水標準為500年一遇。廠房抗震設計烈度為Ⅷ度，基巖峰值加速度為221.0 gal。

2 廠區(qū)地形、地質條件

廠址區(qū)位于壩址下游河谷右岸，坡高300～550 m，自然坡度33°～70°，大多基巖裸露，坡腳分布崩坡積物和洪積物，巖層走向與邊坡近平行，傾岸內或下游，廠址位于坡腳洪積臺地上，呈緩坡地形，在河邊形成5～8 m高的陡坎。

廠址區(qū)主要出露白堊系和第四系。白堊系巖性主要為塊狀細砂巖、塊狀粗礫巖、泥質砂巖、砂質泥巖，局部夾少量脈狀及團塊狀石膏、中部夾白云質灰?guī)r或白云巖。第四系主要有中更新統(tǒng)漂卵礫石層(Qal2)，具弱～微膠結；中更新統(tǒng)含土碎塊石層(Qpl+dl2)，厚度20～30 m，局部泥質弱膠結至膠結，含直徑1 m的孤石；全新統(tǒng)漂卵礫石層(Qal4)，結構密實。

廠址區(qū)無大規(guī)模斷裂分布，主要發(fā)育順層次及斷層。

廠址區(qū)基巖裂隙水貧乏，水位略高于河水位。廠房底板位于地下水位以下20 m。廠房位于順河條帶狀分布的坡腳洪積臺地上，臺地寬100～150 m，地面高程1 620～1 665 m，覆蓋層厚度42～45 m，主要為崩坡積、洪坡積和沖積物組成。

廠房后邊坡巖層傾向坡內，利于岸坡穩(wěn)定，在1 655～1 700 m高程，岸坡較陡，局部倒坡，分布不穩(wěn)定巖體，總方量約3 400 m3；1 760～1 995 m高程，形成總方量約3.38萬m3的不穩(wěn)定巖體；1 690～1 880 m高程局部堆積崩坡積含土碎塊石，表層結構松散，下部局部見泥質弱膠結，總方量5.03萬m3，需清除或防護處理。

廠房挖深40～50 m，基礎主要為白堊系砂質泥巖和泥質砂巖層，局部分布弱膠結至半膠結的中更新統(tǒng)洪坡積含土碎塊石層。河床砂卵礫石層地基承載力450 kPa，下覆基巖地基承載力為800 kPa。

3 廠區(qū)樞紐布置

3.1 廠址方案擬訂原則

進行電站廠房布置時,廠址位置宜和樞紐其他建筑物布置相互協調統(tǒng)一，以保證電站正常運行，并考慮以下原則。

(1)根據上、下游水位銜接條件，引水洞線及廠址位置應盡量選擇地形、地質條件、水文地質條件相對較優(yōu)的地段。

(2)結合實際地形、地質條件(巖層、裂隙走向及傾向)，建筑物應盡量避開高陡邊坡、滑塌體，滿足減少開挖量并保證廠房后邊坡穩(wěn)定。建筑物應避開山洪溝水流的沖擊。

(3)布置地下廠房方案時，洞室布置在地質構造簡單、巖體完整堅硬、上覆巖厚度不小于2～3倍洞室跨度、地下水微弱及山體穩(wěn)定地段，并避開大斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育區(qū)、破碎帶及高應力區(qū)。

3.2 廠址比選方案

工程區(qū)洪溝南側0.5 km及1.8 km處河道右岸坡腳地形相對平坦，有布置地面廠址的地形條件。結合地形、地質條件，與下一級水電站工程正常蓄水位銜接的要求及發(fā)電引水洞布置，初選兩個地面廠址方案(廠址一、廠址二)。結合發(fā)電洞沿線工程地質條件、同時考慮發(fā)電洞不設調壓井為控制條件，在距發(fā)電洞進口1.0 km左右的山體中擬定地下廠址方案(廠址三)。

對3個方案從地形、地質，工程布置，機電布置，施工，移民占地，運行管理、工程投資等方面進行綜合比較如下。

(1)地形、地質方面分析。在地形條件方面，廠址一發(fā)電洞穿越洪溝時，受地形條件限制需采用明管方案過溝，而廠址二無上述問題。兩地面廠址區(qū)地形條件相似，廠房和調壓井所處的山體自然邊坡穩(wěn)定，廠址基礎均為第四系堆積物，巖性為坡積塊碎石土和沖積砂卵礫石。地下廠址(廠址三)區(qū)山體雄厚，基巖裸露，廠址處巖石屬中硬～堅硬巖，可利用壩址下游沖溝布置交通、出線及通風洞出口。

(2)工程布置方面分析。廠址一發(fā)電洞穿越洪溝時，受地形條件限制需采用明管方案過溝，尾水為銜接天然河道需采用長尾水渠方案，因廠基覆蓋層較厚，其基礎處理工程量較大，就地面廠址工程布置而言廠址二相對較優(yōu)。廠址三洞室埋深較大，其附屬洞室布置接地面較困難，且廠址三位于發(fā)電洞首部，靠近庫區(qū)，廠址上游側需增設帷幕灌漿廊道，以減少廠房排水廊道的工作壓力，因此廠址三工程量較大。

(3)機電布置方面分析。地面廠址和地下廠址主機及升壓設備在均采用戶內式的布置形式，但地下廠房受埋深條件限制，地面出線場距地下升壓站較遠，其高壓電纜相對較長。

(4)施工方面分析。兩地面廠址地形較開闊，便于施工布置，施工干擾相對較少。地下廠址洞室開挖量較大，洞室開挖、支護、混凝土澆筑相互制約，但地下廠址的施工可不受當地氣候條件的影響，可全年度施工。

(5)移民占地方面分析。地下廠址僅在交通洞、出線洞、通風洞出口存在工程永久占地，移民占地較小，地面廠址占地相對較大，尤其地面廠址一位于村內，移民占地投資大。

(6)運行管理方面分析。地面廠址采光通風條件良好，但高邊坡在運行期間存在威脅安全運行的問題，需對邊坡采取必要的保護措施。地下廠址雖避開了高邊坡的影響，但其采光、通風、防潮條件相對較差，運行管理費用高于地面廠址。

(7)工程投資分析。經工程投資分析，廠址二工程直接費最小。雖然廠址二和廠址三電量相同，但廠址二工程直接費比廠址三少3 933.72萬元。

綜合考慮以上因素，推薦廠址為地面廠址二。

3.3 廠區(qū)布置比較

根據主變場的布置，擬定主變布置在副廠房上游側平臺上(方案一)，主變布置在副廠房內(方案二)進行比選(見表1)。

表1 廠區(qū)布置比較表

方案一廠區(qū)由主廠房、副廠房、開關站等組成。主廠房包括主機間和安裝間兩部分，安裝間布置于主機間左側；副廠房布置于主廠房上游側與主廠房等長，副廠房包括二次副廠房、一次副廠房及戶內升壓站； 4臺220 kV主變布置于副廠房上游側開挖平臺上，與發(fā)電機層同高，廠區(qū)在副廠房上游側及尾水平臺可形成環(huán)形通道，安裝間下游側布置回車平臺銜接永久進廠路，尾水經尾水反坡及尾水渠投入下游河道。廠房永久邊坡高度70 m左右。

方案二是將主變布置于副廠房內，減少副廠房上游側平臺開挖寬度，邊坡可順基巖強分化下限開挖，進而減少邊坡石方開挖量，其余布置與方案一基本相同。

對兩廠區(qū)布置方案進行優(yōu)缺點、投資比較后，認為方案二能減少邊坡的石方開挖工程量，且主變布置在副廠房內，對設備后期安全運行有利，投資較主變布置戶外減少430.35萬元，因而推薦方案二，即主變布置于副廠房內的方案。

4 廠房布置概述

廠區(qū)由主廠房、副廠房、開關站等組成。主廠房包括主機間和安裝間兩部分，安裝間布置于主機間左側；副廠房布置于主廠房上游側與主廠房等長，副廠房包括二次副廠房、一次副廠房及戶內升壓站； 220 kV主變布置于副廠房內，與發(fā)電機層同高，廠區(qū)在副廠房上游側及尾水平臺可形成環(huán)形通道，安裝間下游側布置回車平臺銜接永久進廠路。尾水建筑物由尾水閘墩、尾水反坡及尾水整治段組成。尾水閘墩后接1∶4反坡段，反坡末端經尾水整治段接天然河道。廠區(qū)布置見圖1。

4.1 主廠房布置

主機間內設4臺175 MW水輪發(fā)電機組，考慮發(fā)電機組風罩尺寸、機組間設備布置及檢修通道的要求，確定機組間距為20.5 m，主機間長度為87.625 m；由主機間上游側布置蝶閥、油壓裝置、調速器等對空間的要求，確定主機間上游側寬度為16.2 m，主機間下游側布置有中性點，考慮運行期通道及輔助設備的布置，確定主機間下游側11.9 m。

圖1 廠區(qū)平面布置圖

安裝間面積為一臺機組擴大性檢修的需要面積，考慮安裝間與主機間同寬，確定安裝間長度為33.3 m。主廠房尺寸為120.975 m×28.1 m×56.2 m。

根據一臺機發(fā)電時相應電站尾水位為1 610.63 m，水輪機吸出高度Hs=-10.3 m，確定機組安裝高程為1 600.35 m。考慮蝸殼頂板厚及上部設備布置的需要，水輪機層高程為1 603.90 m。根據水輪發(fā)電機組各控制高程，確定發(fā)電機層高程為1 614.50 m，為便于機組安裝及檢修，確定廠內檢修層高程為1 617.00 m，安裝間地坪高程同檢修層高程。發(fā)電機層以上空間尺寸受吊車起吊高度控制，考慮起吊、檢修需要確定軌頂高程為1 631.30 m?？紤]橋機正常運行對凈空的需要，確定屋面梁底高程為1 638.10 m。

4.2 副廠房及戶內GIS開關站布置

副廠房按功能要求分為一次副廠房和二次副廠房。一次副廠房布置在主廠房上游側；二次副廠房布置在主廠房安裝間及一次副廠房右側；一次副廠房與二次副廠房布置整體呈“L”型。廠房各建筑物布置見圖2和圖3。

圖2 發(fā)電機層平面布置圖(單位：m)

圖3 廠房橫剖面圖(單位：m)

一次副廠房共分為五層，地下二層，地上三層。為便于廠內設備運行管理副廠房主變場與主機間檢修層同高程(1 617.00 m)布置，開關站采用戶內GIS設備，布置于主變場頂部。一次副廠房地下一層底板頂高程為1 607.85 m，布置有斷路器、廠變、配電設備等；地下二層高程為1 613.50 m，布置有電纜等；地上分別為主變層、電纜通道層、GIS層、屋頂出線層。主變層高程為1 617.00 m，電纜通道層高程為1 624.65 m，GIS層高程為1 627.65 m，屋頂出線層高程為1 638.65 m。一次副廠房主變層高程為1617.00m，布置有4臺220 kV主變壓器、設備檢修通道、10 kV高壓開關柜等；電纜通道層布置有電纜；GIS層布置有GIS開關設備；屋頂出線層主要布置有阻波器、電壓互感器和避雷器、出線架等；一次副廠房尺寸為120.975 m×16 m×32.3 m。

二次副廠房共分為三層，地下一層，地上二層。地下一層為電纜夾層，高程為1 613.50 m；地上分別為中控層、辦公層和屋頂層，中控層高程為1 617.00 m，辦公層高程為1 621.50 m，屋頂層高程為1 624.65 m；二次副廠房尺寸為44.3 m×16 m×12.05 m。一次副廠房分為五層，地下二層；地上三層。地下一層布置斷路器、廠變等，地上分別為GIS夾層、GIS層、屋頂出線層。GIS夾層高程為1 627.30 m，GIS層高程為1 630.90 m，屋頂高程為1 641.90 m。4臺220 kV主變布置在一次副廠房內，高程為1 617.30 m，副廠房尺寸123.0 m×16.0 m×35.0 m。

5 結 語

通過上述廠址及廠區(qū)布置比選論證分析，得出以下結論。

(1)雖然電站廠房占工程總體投資比例小，但廠址選擇及廠房布置對工程正常運行至關重要。本電站經多種方案比選后確定地面廠房方案，節(jié)省工程投資，方便運行管理，技術經濟可靠。

(2)本電站采用戶內GIS開關站布置，適用當地惡劣氣候環(huán)境。

(3)本電站主變布置在副廠房內部，縮短了母線長度，降低電能損耗。上游側平臺僅滿足交通通道要求，大大減少廠房上游側邊坡高度。

(4)本電站采用副廠房屋頂作為架空高壓線出線場，建筑物布置緊湊，可有效減少廠房結構開挖工程量。

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[1] SL 266-2014，水電站廠房設計規(guī)范[S].

[2] 新疆水利水電勘測設計研究院. 新疆葉爾羌河阿爾塔什水利樞紐工程可行性研究報告[R]. 烏魯木齊：新疆水利水電勘測設計研究院.

[3] 新疆水利水電勘測設計研究院. 新疆葉爾羌河阿爾塔什水利樞紐工程初步設計報告[R]. 烏魯木齊：新疆水利水電勘測設計研究院.