老坡口水電站設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題

林飛

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院　長沙市　410007）

老坡口水電站設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題

林飛

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院長沙市410007）

湖南省汝城縣老坡口水電站為湘江二級支流淇水的最后一個梯級，因前期規(guī)劃工作深度有限，按原規(guī)劃開展地勘工作后，根據(jù)陸續(xù)揭露的地質(zhì)條件，原方案實施難度大，投資高。經(jīng)技術(shù)會商，全面結(jié)合該流域梯級布置實際和河段地形地質(zhì)條件，決定將壩址上移4.0 km，廠址下移1.3 km，由高壩方案變?yōu)榈蛪伍L引水形式，工程難度大為降低，投資節(jié)省。樞紐布置和具體建筑物設(shè)計因地制宜，安全經(jīng)濟，可供類似工程設(shè)計參考。

老坡口水電站選址優(yōu)化因地制宜安全經(jīng)濟

1　工程概況

老坡口水電站工程位于湖南省汝城縣暖水鎮(zhèn)境內(nèi)，距汝城縣約31 km，為淇水流域（湘江二級支流）規(guī)劃開發(fā)的最后一個梯級，上接魚仔口電站，下距河口5.7 km，與東江電站庫尾相銜接。壩址以上控制流域面積468 km2，總庫容182.82萬m3，調(diào)節(jié)庫容85萬m3。老坡口水電站是以發(fā)電為主的?。á瘢┬退姽こ蹋瑯屑~由攔河重力壩、發(fā)電引水隧洞、廠房和110 kV開關(guān)站等主要建筑物組成。

大壩為常態(tài)混凝土重力壩，壩頂高程359.0 m，最大壩高28.0 m，壩軸線長117.25 m，開設(shè)3孔10 m×9.0 m“WES”型溢流表孔，戽流式消能，左岸壩體內(nèi)設(shè)有2.0 m×2.0 m放空底孔。廠址位于東江庫區(qū)的漚江右河岸沖溝內(nèi)，距汝城縣約19 km，通過引水隧洞從大壩右岸引水發(fā)電，電站設(shè)計水頭68 m，引用流量39.04 m3/s，裝機2×12 MW，多年平均電量8 148萬kW·h，尾水渠全長160.88 m。發(fā)電引水隧洞采用圓形斷面，襯后內(nèi)徑4.5 m，全長2 950.581 m，在樁號2+781.896處設(shè)有內(nèi)徑9.5 m的圓筒式調(diào)壓井。110 kV戶外開關(guān)站位于廠房右后側(cè)，平面尺寸35.5 m×39.7 m，利用開挖石渣回填沖溝而成。

工程總工期29個月，第一臺機組發(fā)電工期24個月，靜態(tài)總投資15 612.99萬元。該工程2004年9月主體工程開工，2007年12月完工，至今運行良好。

2　工程地質(zhì)條件

老坡口水電站位于淇江下游峽谷，壩區(qū)兩岸山坡陡峻，下部基巖裸露，左右岸地形較為對稱，山頂高程（420～530）m，左岸地形緩于右岸，左岸山坡坡角35°～50°，沖溝不發(fā)育，右岸山坡坡角40°～55°，共發(fā)育3條沖溝；河床高程（334.8～335.5）m，當(dāng)河水位336.3 m時，水面寬為30 m左右，一般水深0.6 m。壩址區(qū)巖性為寒武系淺變質(zhì)砂板巖及第四系松散堆積物組成。

廠址位于下游漚江右河岸廢棄銅礦廠下游沖溝內(nèi)，距暖水鎮(zhèn)約4.4 km，有暖水鎮(zhèn)至涼灘碼頭的公路通過。東北面緊靠仙頭腦山脈，山坡地形較陡峻，坡角40°～60°，山頂高程410 m，河床高程（269～274）m。山坡腳公路一帶，基巖裸露。廠區(qū)地層巖性主要為寒武系青灰、灰黑色淺變質(zhì)石英砂巖夾薄層板巖，巖石風(fēng)化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，上部巖石較為破碎。

引水發(fā)電隧洞位于河流右岸,進口位于壩址上游255 m的②沖溝上游，調(diào)壓井位于廠房東北面山坡。

3　壩址選擇

原規(guī)劃壩址位于河流匯合口以上1.0 km的峽谷出口處，為“V”型河谷，地形條件較好，洞線短，基巖為泥盆系石英砂巖，初定大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高76.0 m，總庫容2 472萬m3，通過1.47 km引水隧洞至歐江右岸的碳素場處修建電站廠房，裝機2×12 MW。

隨著地勘和設(shè)計工作的深入，發(fā)現(xiàn)所選壩址存在兩個關(guān)鍵問題，決定了項目的可行性：一是大壩、廠址地質(zhì)條件均較差，壩址巖石風(fēng)化強烈，緊鄰左壩頭庫內(nèi)存在較大崩積體，廠區(qū)整體位于坡崩積體上，工程難度大，不可預(yù)見因素多；二是壩高較高，投資大，雖引水隧洞較短，但整體項目經(jīng)濟指標差，方案實施較困難，經(jīng)濟評價為基本不可行。因此，選址成為該項目成敗的關(guān)鍵因素，為此，設(shè)計對工程選址重新進行復(fù)核，決定將壩址上移4.0 km至小江背村附近，地形條件較好，雖洞線增長，但壩高由76.0 m降低至28.0 m左右，對地質(zhì)條件要求較低，廠房沿歐江下移1.3 km左右，發(fā)電引水隧洞長度增加約1.4 km，廠區(qū)地質(zhì)條件較好。大壩投資大大降低，僅為原高壩方案的1/4。

壩址上移廠址下移方案變更后，壩高降低48 m，由高壩降為低壩，工程難度大大降低，水庫庫容雖減小，但可利用上游魚仔口水庫的調(diào)節(jié)性能進行聯(lián)調(diào)。雖引水隧洞長度增加，但沿線地質(zhì)條件較好，工程風(fēng)險可控；廠房下移后，雖廠區(qū)布置不如原方案順暢，受東江頂托影響更大，但通過設(shè)計合理布置，充分利用該處沖溝地形布置廠房和開關(guān)站，節(jié)省導(dǎo)流費用。發(fā)電水頭影響約（0.5～2.4）m，東江為多年調(diào)節(jié)水庫，根據(jù)20多年的實際蓄水資料，目前尚未蓄至正常水位，故其對電站的頂托影響實際難以準確計算，由實測資料分析，該兩處廠址水能指標差別不大。壩址上移后項目整體經(jīng)濟指標較好、可行，且實施難度小，項目救活了。

由老坡口壩址變更可見，中小河流規(guī)劃方面的工作深度一般較淺，資料較缺乏，對規(guī)劃的復(fù)核工作非常重要，在中小項目上往往易被忽視，造成開發(fā)方案的偏誤，甚至項目被“打死”。

4　消能方式

4.1原初設(shè)方案

受壩高和下游水位制約，該工程采用簡單經(jīng)濟的挑流消能方式不適合。通過水力計算分析，自然狀態(tài)下，由于壩址下游水位整體較淺且變幅較大，難以形成穩(wěn)定的面流和戽流，故初設(shè)推薦采用底流消能形式。

底流消能主要參數(shù)：孔口尺寸為3 m×10 m×9.0 m，堰頂高程為347.0 m，反弧半徑R=10 m，圓心角53°,最大單寬流量70.0 m3/s,河床高程約334.5 m，擬定消力池底板高程331.5 m。經(jīng)計算，3孔溢流壩均需設(shè)置消力池，設(shè)置輔助消能工后，消力池底板厚1.5 m，長度30 m，池深3.5 m，出池流速為3.76 m/s，接近基巖的抗沖流速，在池后不設(shè)護坦。

4.2消能方案優(yōu)化

技施設(shè)計時，設(shè)計就大壩消能形式問題進行了專門研究，該工程壩高較低，庫容較小，下游河岸巖體條件相對較好，經(jīng)詳盡計算分析表明，將下游河床局部范圍適當(dāng)下挖以人為增加壩址處下游水深，可基本實現(xiàn)戽流消能，簡化了消能布置，增強消能效果，同時節(jié)省了投資。

參考同類成功運行的工程實例，在保證大壩安全的前提下盡量降低工程投資，實際采用斷面：反弧半徑R=8.0 m，挑射角45°,下游堰坡1∶0.75，鼻坎高程335.34 m，戽底高程333.0 m，下游河床疏挖至保證基巖出露高程333.0 m，戽末用深齒槽保護，兩岸岸坡適當(dāng)疏挖防護。運行期注意監(jiān)測，如下游河床沖毀嚴重，及時修復(fù)，確保大壩安全。

老坡口水電站自2007年12月建成投產(chǎn)，到目前為止，大壩歷經(jīng)多次開閘泄洪，最大泄量為600 m3/s，經(jīng)檢查，下游河床及消力戽基本完好，證明消能方式改為戽流方案是成功的，同時，消能方式改變后，工程投資節(jié)省230萬元，效益顯著。

5　引水隧洞

隧洞進口段位于河流右岸壩址上游約255 m處,洞口位于山坡陡崖下,洞臉大面積基巖裸露，坡角50°～65°，設(shè)計上采用錨桿鎖口直接進洞，減少洞口明挖，避免形成高邊坡帶來的不利影響。

引水隧洞全線穿過的地層均為寒武系中～下組淺變質(zhì)巖巖組，巖層產(chǎn)狀N35°～55°W,NE∠45～55°巖層走向與洞向（S20°W）一般交角較大，對隧洞圍巖穩(wěn)定有利。隧洞全線無區(qū)域性大斷層通過，水文地質(zhì)條件簡單，地下水主要為裂隙水。根據(jù)地形地貌及地層巖性，將隧洞圍巖分為Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等五個類別，Ⅱ1～Ⅱ2類圍巖為穩(wěn)定～基本穩(wěn)定，除局部網(wǎng)噴外，大部分不襯砌；Ⅲ～Ⅳ類圍巖為穩(wěn)定較差～穩(wěn)定差，需進行襯砌；Ⅴ類圍巖為不穩(wěn)定，一般是較大規(guī)模的斷層破碎帶，開挖時不斷坍塌及大量涌水的洞段，必須及時支護和加強襯砌。發(fā)電引水隧洞鋼筋砼襯砌段長520.581 m，占全長的17.2%；混凝土噴護段長1 226 m，鋼襯段長42.796 m。

發(fā)電引水隧洞應(yīng)根據(jù)開挖揭露的實際地質(zhì)條件，選擇合適時段及時跟進一次支護，保證洞室穩(wěn)定，不過分追求鋼筋混凝土襯砌長度，節(jié)省投資。老坡口發(fā)電洞開挖及支護采用該原則，整個過程中未發(fā)生不利狀況，多年來的實際運行情況良好。

6　廠區(qū)布置（附圖）

附圖　　老坡口廠區(qū)平面布置圖

老坡口電站廠房為引水式開發(fā)，建筑物級別為4級，防洪標準為30年一遇洪水設(shè)計，100年一遇洪水校核。但該電站位于東江庫內(nèi)，受東江（正常蓄水位283.34 m）洪水頂托，水文情勢十分復(fù)雜，天然和頂托情況下電站處水位相差近11.0 m，合理利用該消落深度是該種庫內(nèi)電站設(shè)計的難點。因東江為多年調(diào)節(jié)水庫，為華中電網(wǎng)骨干調(diào)峰電站，應(yīng)充分了解其調(diào)度運行特點，以指導(dǎo)老坡口電站合理選擇安裝高程和防洪標準。本次統(tǒng)計分析東江建成運行以來近20年的月平均水位資料發(fā)現(xiàn)，建成后東江水庫還沒有達到過正常蓄水位運行，其在本電站廠房處的水位也無明顯規(guī)律，與天然狀況對比，頂托時段超過50%，最高頂托水位近5.0 m。對老坡口這樣規(guī)模的小型電站而言，廠房投資占整個樞紐投資比例相對較小，為安全，機組安裝高程確定按天然情況考慮，適當(dāng)留有余地，廠區(qū)防洪按東江正常蓄水位回水考慮頂托影響。各工況水位詳見附表1。

附表　　電站特征水位成果表

廠區(qū)布置共有兩個方案：

方案一：廠房位于漚江右岸廢棄的銅礦處，該段河床較狹窄，岸坡陡峻，地質(zhì)條件較好，基巖裸露，廠區(qū)建筑物采用沿河一字型布局，進廠交通不暢，廠區(qū)防洪較麻煩。加上河床較窄，施工導(dǎo)流時需疏挖對岸岸坡25 m。該方案存在交通不暢；高邊坡處理風(fēng)險；侵占原河道，防洪投資大；與周邊環(huán)境不協(xié)調(diào)等弊病。

方案二：銅礦廠下游120 m處有一天然沖溝，為減小施工導(dǎo)流難度及方便廠區(qū)防洪，電站廠房布置于該沖溝內(nèi)，距河口155 m，與流向大致正交，雖開挖增加，但難度小，交通順暢。

在設(shè)計上因地制宜，將安裝場與發(fā)電機層錯層布置，廠區(qū)地面高程為284.605 m，一是與現(xiàn)有對外公路連接順暢，二是使結(jié)構(gòu)布置合理，節(jié)省開挖工程量，同時可保證東江水庫達到正常蓄水位時利用廠房自身墻體防洪不受淹。

經(jīng)方案比選，選定方案二為推薦方案，巧妙利用沖溝地形，較好地克服了峽谷河段的不利因素，廠區(qū)布置經(jīng)濟合理。

7　結(jié)語

（1）老坡口電站為引水式開發(fā)，其開發(fā)方式關(guān)系到工程經(jīng)濟性和成敗，應(yīng)充分考慮河段梯級布置及地形、地質(zhì)條件進行綜合比選，中小工程盡量利用上游梯級電站的調(diào)節(jié)性能，選擇低壩長引水模式，減小壩高和水庫規(guī)模，降低工程難度和風(fēng)險。

（2）對低壩小庫的消能方式，在不對大壩造成嚴重危害且有可靠維修條件的情況下，可適當(dāng)降低標準合理選用，以節(jié)省工程投資和降低施工難度，老坡口水電站大壩消能采用人工增加下游水深，由常規(guī)的底流消能方式改變?yōu)殪媪?，?jīng)實踐檢驗，效果較好，值得中小工程借鑒。

（3）發(fā)電引水隧洞的設(shè)計應(yīng)充分做好洞線走向、洞型、洞徑等前期工作，盡可能減少對圍巖的松動破壞，最大限度利用圍巖的自穩(wěn)作用。支護方式應(yīng)根據(jù)開挖后實際地質(zhì)情況合理選用，不過分追求鋼筋混凝土襯砌的長度、厚度，節(jié)省工程投資。

（4）受頂托影響的電站，合理選擇安裝高程和確定防洪型式是設(shè)計的關(guān)鍵。

（5）廠房置于離河床155 m的沖溝，發(fā)電尾水利用沖溝回歸主河道，基本為干地施工，較好地避免了峽谷河段廠區(qū)布置的困難。中小型電站有其自身特點，在保證安全前提下，靈活布置建筑物，往往能收到較好的效果。

林飛（1972-），男，大學(xué)本科，高級工程師，主要從事水工設(shè)計工作。

（2016-02-26）