毛家塘水電站工程樞紐布置設(shè)計(jì)

李　莉，郭春雪，魏洪雪

(1.重慶中泰工程咨詢有限公司，重慶市　400020；2.重慶大雅地產(chǎn)有限公司，重慶市　401120)

毛家塘水電站工程樞紐布置設(shè)計(jì)

李莉1，郭春雪1，魏洪雪2

(1.重慶中泰工程咨詢有限公司，重慶市400020；2.重慶大雅地產(chǎn)有限公司，重慶市401120)

摘要：結(jié)合發(fā)電引水建筑物型式，通過考慮地形地質(zhì)條件、對外交通、施工條件、水能指標(biāo)、淹沒及移民和維持社會(huì)穩(wěn)定等要素，介紹了毛家塘水電站樞紐布置設(shè)計(jì)及比選過程。經(jīng)綜合論證分析，最終選擇了下壩址混凝土重力壩+壩體取水+壩后廠房方案。圖2幅。

關(guān)鍵詞：水電站；樞紐布置；方案比選；壩址選擇

1工程概況

毛家塘水電站位于貴州省正安縣和溪鎮(zhèn)境內(nèi)，是芙蓉江左岸一級(jí)支流清溪河(又名沿渡河)干流梯級(jí)規(guī)劃的第四級(jí)，距正安縣城20 km，離遵義市137.5 km，同時(shí)與上游清溪電站和下游芙蓉江干流的沙阡電站分別距約20 km和12.4 km。壩址有縣道330通達(dá)，交通較便利。壩址以上控制流域面積1 477 km2，多年平均流量27.3 m3/s，多年平均徑流量8.61億m3，水庫正常蓄水位547 m，總庫容4 876.99萬m3，設(shè)計(jì)引用流量67 m3/s，設(shè)計(jì)水頭45 m，裝機(jī)容量2×13 MW。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模屬中型，主要建筑物如非溢流壩、溢流壩、取水建筑物等為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。

毛家塘水電站于2015年正式開工建設(shè)，計(jì)劃于2016年底蓄水發(fā)電。

2地質(zhì)條件

工程區(qū)地處黔北高原大婁山脈腹地，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，山脈走向與構(gòu)造線的延伸方向基本一致，大多呈NE—SW、S—N向排列，地貌以巖溶地貌為主。區(qū)內(nèi)最老的地層為寒武系下統(tǒng)金頂寺組(∈1j)至中統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2_3ls)，巖性主要為砂巖、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r等，分布于銅鼓平背斜核部，其上為奧陶系(O)、志留系(S)灰?guī)r、頁巖及二迭系、三迭系灰?guī)r、頁巖假整合于志留系地層之上，主要分布于大白向斜翼部；其中缺失泥盆系—石炭系(C)地層。第四系(Q)主要為殘坡積、沖洪積粘土、壤土、砂土、礫石及崩塌堆積物。

壩址位于清溪河下游河段峽谷內(nèi)，金中木地下游約900 m，壩址河谷為基本對稱的“U”型谷。

壩址巖層傾向上游～中偏左岸，分布巖層主要為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群第二段(∈2_3ls2)地層，巖性主要為薄厚層白云巖，約占?jí)尉€長度的96%，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，巖體，巖石強(qiáng)度較高，屬中硬巖。壩基巖體無軟硬巖相間分布，巖性及構(gòu)造單一，壩基巖體變體為層狀結(jié)構(gòu)。

根據(jù)試驗(yàn)，白云巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度39.6～56.9 MPa、變形模量為33.9～43.8 GPa(均為弱風(fēng)化狀態(tài)下的試驗(yàn)值)，巖體聲波一般在3 800～4 200 m/s左右，屬較完整～完整巖形模量，地基內(nèi)的應(yīng)力無各向異性特征，壩基巖體不均勻壓縮變形問題不突出。另外，兩岸壩肩按設(shè)計(jì)方案開挖后，將形成高度不等的人工邊坡。

3樞紐布置

毛家塘水電站主要任務(wù)為發(fā)電，兼顧綜合利用，因此主要比較建壩位置及發(fā)電引水建筑物。

3.1壩址比選

3.1.1下壩址混凝土重力壩+壩體取水+壩后廠房

該方案樞紐主要建筑物由混凝土重力壩、進(jìn)水口、壓力鋼管、廠房等建筑物組成。其中，右岸壩體取水，后接壓力管道，廠房布置在大壩下游側(cè)約95 m處。

大壩由左向右分別為非溢流壩段、溢流壩段、非溢流壩段組成，總長145.44 m。非溢流壩段頂高程為555.00 m，頂寬為8.00 m，最大壩高69 m，壩底最大寬度為60 m。壩踵和壩趾設(shè)抗滑齒墻。全壩段上游折坡點(diǎn)高程510.00 m，上部垂直，下部壩坡1∶0.2，非溢流壩段下游折坡點(diǎn)高程545.00 m，上部垂直，下部坡比1∶0.8。整個(gè)壩體被7條橫縫分8個(gè)壩段，橫縫間設(shè)2道止水。

引水建筑物由2個(gè)進(jìn)水口、壓力鋼管等建筑物組成，設(shè)計(jì)引用流量為67.0 m3/s。進(jìn)水口布置在大壩右岸非溢流壩段內(nèi)，凈截面尺寸為3.1 m×3.1 m(寬×高)，方變圓后接φ3.1 m的壓力鋼管。廠房選擇在壩址下游約95 m處的河道右岸邊，副廠房布置在主廠房背后。升壓站、停車場及管理用房等布置在大壩右岸山頂上，場地高程為610 m，進(jìn)站公路與上壩公路連接。升壓站采用戶外式布置，平面尺寸為49.50 m×26.2 m(長×寬)，包含2臺(tái)主變壓器和110 kV電氣設(shè)備等(見圖1)。

圖1方案一樞紐布置示意

3.1.2上壩址混凝土重力壩+右岸引水系統(tǒng)+右岸地面廠房

樞紐主要建筑物由混凝土重力壩、引水系統(tǒng)、廠房、升壓站等建筑物組成。

攔河壩由混凝土重力壩、壩身泄洪表孔、沖沙底孔和消力池等組成。由左向右分別為非溢流壩段、溢流壩段、非溢流壩段組成，總長184.08 m。非溢流壩段頂高程為554.00 m，頂寬為10.00 m，溢流壩段頂高程為536.00 m，最大壩高72 m，壩底最大寬度為75.91 m。壩踵和壩趾設(shè)抗滑齒墻。全壩段上游折坡點(diǎn)高程512.00 m，上部垂直，下部壩坡1∶0.2，非溢流壩段下游折坡點(diǎn)高程546.75 m，上部垂直，下部坡比1∶0.8。整個(gè)壩體被橫縫分為10個(gè)壩段，橫縫間設(shè)2道止水。

引水建筑物由岸塔式進(jìn)水口、引水隧洞、壓力鋼管等建筑物組成，設(shè)計(jì)引用發(fā)電流量為67.0 m3/s。進(jìn)水口布置在大壩右岸上游約70 m處，采用岸塔式進(jìn)水口形式，進(jìn)水口方變圓銜接有壓引水隧洞，洞徑為5 m，經(jīng)壓力管道進(jìn)入機(jī)組。廠房選擇在壩址下游約330 m處的河道右岸金中木地附近，副廠房布置在主廠房背后，升壓站位于副廠房下游側(cè)(見圖2)。

圖2方案二樞紐布置示意

3.1.3綜合比較

(1)從地形、地質(zhì)條件看

兩方案距離約1.8 km，均具備建壩(廠)條件，從工程地形地質(zhì)角度分析，兩方案互有同異，方案一較方案二河床覆蓋層淺(方案一河床覆蓋層4.4～5.5 m，方案二覆蓋層5.9～6.7 m)，巖溶發(fā)育較弱；方案二防滲線路巖溶發(fā)育，防滲處理難度及工程量較大。方案二廠基為∈2_3白云巖，后側(cè)邊坡為順向坡，須支護(hù)處理；方案一廠房后邊坡整體穩(wěn)定性較好，且方案一距天然建材運(yùn)距較近。

經(jīng)比較，方案一優(yōu)于方案二。

(2)從對外交通看

方案一毗鄰縣道，業(yè)主已將進(jìn)場公路修至下壩(廠)址右岸；方案二附近僅有1條很窄的村路，村路兩側(cè)均為當(dāng)?shù)卮迕竦拿芗》亢透?，施工機(jī)械、建筑材料及機(jī)電設(shè)備運(yùn)輸需對該道路進(jìn)行改擴(kuò)建，民房的拆遷賠償問題十分突出。從村路接入壩(廠)址處還需新建約2.5 km公路，沿線山勢陡峭，施工難度大。

因此，從對外交通來看，方案一明顯優(yōu)于方案二。

(3)從施工條件、工期看

方案二兩岸地形較陡，施工組織布置較方案一困難，且該方案緊鄰村民住宅區(qū)，施工時(shí)的爆破、噪聲、粉塵等會(huì)對附近居民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生較大影響。方案一河谷狹窄，兩岸山坡較陡，但下游側(cè)廠址附近場地相對開闊，施工布置相對較好，不過受下游沙阡電站回水影響大。兩方案施工總工期基本一致。

從施工條件、工期來看，兩方案基本相當(dāng)。

(4)從水能指標(biāo)看

兩方案相距約1.8 km，集雨面積、多年平均流量相差不大，在裝機(jī)容量相同時(shí)，方案一的多年平均發(fā)電量8 963.3 kW·h高于方案二的8 349.5 kW·h。

從水能指標(biāo)來看，方案一優(yōu)于方案二。

(5)淹沒及移民

根據(jù)水文計(jì)算，正常蓄水位547 m時(shí)，方案二回水長度17.8 km，淹沒賠償估算3 724.51萬元。方案一回水長度19.7 km，淹沒賠償估算4 021.3萬元。通過淹沒移民角度分析，上下壩址均為移民搬遷。

從淹沒及移民來看，方案二優(yōu)于方案一。

(6)從維持社會(huì)穩(wěn)定看

方案二距離居民聚集區(qū)較近，進(jìn)場公路建設(shè)涉及居民拆遷安置和賠償，施工期對附近居民的生產(chǎn)生活影響干擾大，項(xiàng)目駐地大批施工隊(duì)伍進(jìn)駐、施工車輛頻繁進(jìn)出等將打破當(dāng)?shù)鼐用竦纳瞵F(xiàn)狀，容易造成居民內(nèi)心的不安與抵觸，不利于維持社會(huì)穩(wěn)定。方案一距居民聚居區(qū)較遠(yuǎn)，施工影響小。

從維持社會(huì)穩(wěn)定來看，方案一明顯優(yōu)于方案二。

綜上所述，方案一優(yōu)于方案二，采用方案一。

3.2發(fā)電引水建筑物比選

本工程引水建筑物若布置在左岸，需新建過河大橋，增加投資，且施工干擾大；因此在以上比較的基礎(chǔ)上主要對以下2種引水方式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較：

3.2.1壩內(nèi)取水+壩后式地面廠房

廠址位于右岸壩軸線下游100 m，為1個(gè)基巖小山丘，地形坡度60°，地表基巖裸露，出露地層為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群第二段第二層(∈2_3ls2_2)，巖性為灰、深灰色中厚層至厚層白云巖，偶夾薄層含泥質(zhì)條帶白云巖。發(fā)電引水系統(tǒng)布置在右岸非溢流壩段，壩體內(nèi)取水，引水線路較短，總長99.50 m，采用“一機(jī)一管”的布置方式。發(fā)電引水流量為67 m3/s，最大靜水頭50.07 m，管道較短，管徑大小對投資基本無影響；本階段主要從經(jīng)濟(jì)流速方面考慮，選擇壓力鋼管直徑φ3.1 m。本方案布置緊湊，但施工有一定干擾。

3.2.2岸塔式取水+發(fā)電引水隧洞+右岸地面廠房

本方案引水建筑物由進(jìn)水口、引水隧洞、壓力鋼管等建筑物組成。

進(jìn)水口采用岸塔式取水，由喇叭口和閘室段組成，總長13.0 m，底板高程525 m。進(jìn)水口方變圓后接隧洞，隧洞長164.5 m，洞徑5 m，縱坡0.25%，經(jīng)壓力管道進(jìn)廠房，采用一管兩機(jī)供水。主管長81.6 m，直徑φ4.4 m；支管長13.5 m，直徑φ3.1 m。廠址位于清溪河右岸支溝盆壩溝近溝口左側(cè)山腳處，地表基巖多裸露，強(qiáng)風(fēng)化層厚3.7～9.2 m，巖體較破碎。廠址右側(cè)邊坡原為巖質(zhì)邊坡，由于電站進(jìn)場公路施工，表層堆積有大量人工棄渣，主要為碎塊石，厚度1～5 m，地形坡角約45°，穩(wěn)定性差，作為廠房邊坡需清除?；鶐r公路(高程570 m)以下出露∈2_3ls2_2中厚層白云巖，公路以上出露∈2_3ls2_3白云巖夾泥質(zhì)白云巖，巖層傾向盆壩溝，為順向基巖高邊坡；巖體中發(fā)育泥質(zhì)白云巖軟巖，風(fēng)化呈褐黃色，邊坡切腳臨空，穩(wěn)定性較差。公路施工中，該順向坡有順層溜滑現(xiàn)象，作為廠房邊坡應(yīng)采取邊坡抗滑穩(wěn)定處理措施和抗滑樁處理措

施。但邊坡高陡，順向坡臨空范圍大，處理難度及工程量較大。

經(jīng)綜合比較，方案A布置緊湊，投資節(jié)約，采用方案A。

4結(jié)語

(1)設(shè)計(jì)中充分利用了現(xiàn)場自然及人文條件，使得樞紐布置與地形、地質(zhì)等協(xié)調(diào)，綜合比較方案一、二，最終采用方案一。

(2)由于方案B廠址右側(cè)邊坡穩(wěn)定性較差，需采取抗滑樁處理措施，施工難度大，綜合比較后選擇了下壩址混凝土重力壩+壩體取水+壩后廠房方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]林繼鏞.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[2]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].人民長江，2012,43(14)：30_32.

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責(zé)任編輯吳昊

收稿日期：2016-02-22

作者簡介：李莉(1990-)，女，助理工程師，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)工作。

E_mail: 1640514416@qq.com