金橋水電站工程樞紐布置設(shè)計(jì)研究

甄 燕，張華明，溫家興，齊景瑞

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710065)

1 工程概況

金橋水電站是易貢藏布干流上規(guī)劃的第5個(gè)梯級電站，位于西藏自治區(qū)那曲地區(qū)嘉黎縣境內(nèi)，工程的開發(fā)任務(wù)為在滿足生態(tài)保護(hù)要求的前提下發(fā)電。金橋水電站已列入西藏自治區(qū)無電地區(qū)電力建設(shè)規(guī)劃。

金橋水電站水庫正常蓄水位3 425.00 m，死水位3 422.00 m，水庫總庫容41.28萬m3，調(diào)節(jié)庫容11.83萬m3。電站總裝機(jī)容量66 MW(3×22 MW)，多年平均年發(fā)電量3.57億kW·h，保證出力6.0 MW，年利用小時(shí)5 407 h。工程為三等中型工程，主要建筑物按3級建筑物設(shè)計(jì)。

2 水文及地質(zhì)條件

2.1 水文氣象

易貢藏布位于西藏自治區(qū)東部，是帕隆藏布右岸一級支流，雅魯藏布江的二級支流，其干流全長286 km，流域面積13 787 km2，天然落差3 070 m，平均比降1.07%。金橋水電站壩址位于易貢藏布干流上，壩址以上流域面積4 230 km2，壩址處河面高程約3 400 m。壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量為33.9萬t，多年平均流量為114 m3/s，多年平均含沙量為0.094 kg/m3。

易貢藏布流域地處西藏東南部，屬溫帶濕潤高原季風(fēng)氣候區(qū)。流域內(nèi)夏季酷熱、多雨，流域徑流由降雨、融冰融雪和地下水補(bǔ)給，以降雨補(bǔ)給為主，一般每年5月～9月為雨季，雨量集中，占全年總降水量的70%以上，平均年降雨量約為820 mm。氣溫變化年較差小，日較差大。年平均溫度在-1～9 ℃之間，極端最高氣溫30.2 ℃，極端最低氣溫-30.3 ℃。歷年最大平均風(fēng)速17 m/s，吹程400 m。

2.2 工程地質(zhì)

左、右岸壩肩自然邊坡高陡，山頂與河床相對高差在500 m以上，坡度50°～80°，除局部緩坡部位有薄層崩坡積覆蓋外，大多數(shù)地段基巖裸露，巖性為白堊系花崗巖，偶夾輝綠玢巖巖脈，寬1.0～6.0 m；壩肩山體整體穩(wěn)定，壩肩附近斷層構(gòu)造不發(fā)育。淺表部存在強(qiáng)卸荷巖體，3～20 m深度范圍為弱卸荷巖體，20 m以下為微風(fēng)化巖體。左、右岸卸荷巖體具有中～強(qiáng)透水性，順河向結(jié)構(gòu)面發(fā)育，因此兩岸壩肩卸荷巖體需進(jìn)行防滲處理。

河床沖積砂卵礫石層厚50～80 m，結(jié)構(gòu)中密～密實(shí)，卵礫石主要為花崗巖、砂巖等，卵礫石含量60%～70%，其余為砂，為中等透水層，承載力及變形模量均能滿足上部荷載的要求，工程地質(zhì)條件良好；在河床壩基中存在厚3～20 m的砂層透鏡體，承載力及變形模量相對較低，壩基下20 m范圍內(nèi)的砂層透鏡體存在地震液化的問題。由于地基的不均勻性，會產(chǎn)生不均勻沉降及滲透變形破壞問題。因此，壩基基礎(chǔ)需做處理，并應(yīng)做好防滲處理。

引水隧洞穿越右岸山體，山體高大、陡峻，洞身最大埋深近700 m，過溝段最小埋深120 m。洞室圍巖基本為微風(fēng)化巖體，主要巖性為白堊系灰白色花崗巖、奧陶系變質(zhì)石英砂巖，巖體完整性中等，圍巖以Ⅲ類及Ⅱ類為主；斷層破碎帶、影響帶及節(jié)理密集帶巖體均呈碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖為Ⅳ類，基本滿足成洞條件。

地下式廠房橫軸線方向?yàn)镹E13°，上覆巖層厚220 m，圍巖巖性為前奧陶系變質(zhì)石英砂巖；由于工程區(qū)構(gòu)造格局受近EW向的嘉黎斷層主干斷裂F2及次級斷裂F3控制，其均具有右旋平移逆沖性質(zhì)，因而區(qū)域構(gòu)造主應(yīng)力應(yīng)為垂直于斷裂方向，角度為近水平向，略傾伏于S；由于廠房區(qū)地形上位于NWW條形山脊近易貢藏布河谷側(cè)，有一定埋深，所處山體屬于應(yīng)力過渡帶，而非坡腳的應(yīng)力集中帶，主裂隙面走向與廠房軸線夾角50°～70°，圍巖完整性中等，為Ⅲ類圍巖，圍巖較穩(wěn)定，開挖后局部有掉塊現(xiàn)象，不存在大塊體穩(wěn)定問題，滿足成洞條件。廠房后邊坡為基巖坡體，坡度較緩，局部直立，巖性為前奧陶系變質(zhì)石英砂巖，斷層構(gòu)造不發(fā)育，裂隙中等發(fā)育；天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，開挖后邊坡整體穩(wěn)定，但存在剝落、掉塊現(xiàn)象，開挖過程中需進(jìn)行錨固處理。

3 樞紐布置方案選擇

易貢藏布干流總體呈NW290°～320°。在庫區(qū)近壩段，河流由NW300°轉(zhuǎn)向NE50°～60°，庫尾近東西向。根據(jù)河道規(guī)劃，金橋水電站上下游分別有康卓水電站和忠玉水電站，康卓為引水式電站，忠玉水電站為易貢藏布水電梯級開發(fā)的多年調(diào)節(jié)龍頭電站。在康卓水電站尾水至忠玉鄉(xiāng)約7 km可利用河段內(nèi)，根據(jù)地形地質(zhì)條件和水文條件，對壩址、壩型、引水線路、調(diào)壓井形式、廠房形式等進(jìn)行了比較研究。

3.1 壩址的選擇

對康卓水電站尾水至忠玉鄉(xiāng)約7 km可利用河段擬定了上、下壩址進(jìn)行比選。上壩址河谷呈“U”形，河谷較寬，壩軸線處寬約190 m，河床覆蓋層厚 50～80 m，考慮到壩高不足30 m，首選壩型為混凝土閘壩，建基于覆蓋層上。下壩址距上壩址約1.5 km，上下壩址段河道比降為4%。下壩址地形條件與上壩址相比河床較窄，壩軸線處寬約130 m，河床覆蓋層厚50～80 m。下壩址壩高約42 m，壩型可選擇混凝土重力壩和當(dāng)?shù)夭牧蠅?，鑒于下壩址河谷狹窄，選擇當(dāng)?shù)夭牧蠅螘r(shí)并沒有合適的地形條件修建溢洪道，而混凝土壩則能更好地協(xié)調(diào)引水、防沙和泄洪，故本工程下壩址采用混凝土壩。通過對上下壩址地形地質(zhì)條件、水文水能指標(biāo)、樞紐布置及主要工程量、施工條件和工期、工程投資、環(huán)境影響、運(yùn)行條件、工程效益等多方面綜合比較分析，上壩址較優(yōu)，故上壩址為推薦壩址。

3.2 壩型的選擇

在選定上壩址為推薦壩址的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程特點(diǎn)，在可研階段先后擬定了混凝土重力壩、堆石混凝土重力壩和土工膜防滲堆石壩3種壩型進(jìn)行比較。從就地取材、施工工期、工程投資、保護(hù)環(huán)境，對基礎(chǔ)的適應(yīng)性等方面考慮，當(dāng)?shù)夭牧蠅屋^占優(yōu)勢。由于本流域水文實(shí)測資料匱乏，金橋壩址設(shè)計(jì)洪峰流量采用水文比擬法計(jì)算得到，雖然有其合理性并對校核洪水增加了20%的安全保證值，但仍存在不確定性。加之庫區(qū)附近上游右岸沖溝，冬季雪崩后產(chǎn)生的冰雪碎石滑入河道，可能形成小型堰塞湖，給大壩安全帶來不利影響。從工程的長遠(yuǎn)性、安全性方面分析，混凝土重力壩相比土石壩其抗風(fēng)險(xiǎn)能力更強(qiáng)。堆石混凝土壩既能起到混凝土重力壩的作用，且對骨料的級配要求相對較低，可利用壩址處河灘大量的大粒徑卵石，減少料源開采總量，較混凝土重力壩可以節(jié)省投資、縮短施工工期、保護(hù)環(huán)境。因此，綜合考慮選取堆石混凝土重力壩方案。

3.3 裝機(jī)容量選擇

規(guī)劃階段初擬金橋水電站裝機(jī)容量為160 MW，多年平均年發(fā)電量6.6億kW·h，可研階段初期考慮金橋水電站作為西藏?zé)o電地區(qū)供電電源(10 MW)及下游忠玉電站的施工電源點(diǎn)(35 MW)，考慮這兩方面的需求，為留有余地，金橋水電站裝機(jī)容量初擬為48 MW。隨著外部建設(shè)條件的變化、水資源的合理利用及滿足電力長遠(yuǎn)需求，根據(jù)目前西藏水資源利用情況，擬定48、66、128 MW 3個(gè)方案比較，通過電力電量平衡分析、工程投資、電站整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及補(bǔ)充經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、裝保比、無電地區(qū)及忠玉工程用電及電網(wǎng)汛期電量消納情況，金橋水電站最終選擇裝機(jī)容量為66 MW。

3.4 引水建筑物布置選擇

本河段兩岸山勢陡峭，河谷狹窄，沿河岸平緩階地很少，綜合考慮與下游水位銜接、交通條件、地形地質(zhì)條件及施工場地等因素，選擇距離壩址4.5 km處的左、右岸兩處作為代表廠址進(jìn)行綜合比選。

左右岸工程地質(zhì)條件基本相當(dāng)，無制約引水線路布置的特殊因素。引水線路布置在左岸，泄洪、排沙和取水等布置方面相對較好，但位于河道左岸弧形轉(zhuǎn)彎的弓背位置，洞線較長，彎道較多，工程投資較大。引水線路布置在右岸，洞線平直、洞線較短，但電站進(jìn)水口上游引水、泄水建筑物下游出流歸槽，需要對右岸開挖整治，改變主河道走向。綜合考慮引水線路長度、泄洪、取水、排沙、消能防沖、廠房布置、施工條件、工程投資等方面，右岸引水線路明顯占優(yōu)勢。因此，引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸。

3.5 廠房形式布置選擇

廠房形式選擇根據(jù)電站開發(fā)方式、總體樞紐布置要求、廠區(qū)地形地質(zhì)條件及施工條件等因素綜合考慮，本工程地面、地下廠房方案從技術(shù)角度均可行。通過從地形地質(zhì)條件、后期電站運(yùn)行條件、施工、工程投資綜合比選得出：①地面廠房后邊坡較為陡峻，安全防護(hù)工程量大；地下廠房部位埋深較深、圍巖以Ⅲ類為主，成洞條件相對較好。②從工程布置條件看，地面廠房廠區(qū)場地狹窄、布置緊湊、岸坡高陡、存在邊坡防護(hù)、尾水防淤、基礎(chǔ)不均勻沉降等方面的問題；地下廠房主體基本在山體內(nèi)，布置靈活不受限制。③從施工角度看，地面廠房施工期圍堰占河道較多、對汛期行洪、臨時(shí)交通布置、施工期干擾較大；地下廠房施工技術(shù)較為成熟，施工期安全風(fēng)險(xiǎn)可控，施工期干擾較小。④從工程投資看，地面廠房較地下廠房方案較優(yōu)。因此，綜合考慮，金橋水電站采用地下廠房方案。

4 樞紐布置及主要建筑物

4.1 樞紐布置

樞紐工程主要由首部樞紐工程、引水系統(tǒng)、地下廠房三部分組成。首部樞紐主要建筑物由左岸堆石混凝土重力壩、泄洪沖沙閘、排漂閘、右岸擋水壩段等組成。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸，主要由電站進(jìn)水口、壓力管道、調(diào)壓井、主副廠房、主變室、尾水渠、GIS室開關(guān)站等部分組成。

4.2 主要建筑物

金橋水電站工程主要建筑物(擋水建筑物、泄洪排沙建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等)為3級，次要建筑物(護(hù)坡、擋土墻等)為4級，安全級別均為II級。

4.2.1 首部樞紐建筑物

首部樞紐主要建筑物從左至右主要包括：左岸堆石混凝土重力壩、泄洪沖沙閘、排漂閘、右岸擋水壩段及電站進(jìn)水口。壩頂高程3 427.5 m，建基面最低高程3 400.00 m，最大壩高為27.5 m，壩頂長約198.65 m。

(1)擋水建筑物布置。左岸擋水壩采用堆石混凝土重力壩，緊鄰泄洪閘左邊墻起，沿壩軸線長106.3 m，共分6個(gè)壩段，壩段寬17.95～20.00 m。壩頂高程3 427.50 m，為了滿足過壩交通要求，壩頂寬12 m，最大壩高27.5 m。上游壩坡為1∶0.2，下游壩坡為1∶3.225。壩體基礎(chǔ)混凝土(2 m)、壩體頂部混凝土(2m)范圍內(nèi)采用C20W6F300(三)常態(tài)混凝土，上游壩坡(1.0 m)、下游壩坡(0.5 m)范圍內(nèi)采用C20W6F300SCC自密實(shí)混凝土；壩體內(nèi)部采用C15W4F150SCC自密實(shí)堆石混凝土；水位變幅區(qū)及以上部分抗凍標(biāo)號提高至F350。右岸擋水壩段內(nèi)為了滿足布設(shè)生態(tài)防水閥室、門庫等要求，采用常態(tài)混凝土重力壩，沿壩軸線長52 m，共分2個(gè)壩段。壩頂高程3 427.50 m，壩頂寬12 m，最大壩高27.5 m。壩體上游面緊鄰電站進(jìn)水口，下游壩坡1∶0.7。壩體基礎(chǔ)混凝土(2.5 m)、壩體頂部混凝土(2 m)范圍內(nèi)采用C20W6F300(三)，上游壩坡(2.5 m)、下游壩坡(1.5 m)范圍內(nèi)采用C20W6F300(二)常態(tài)混凝土；壩體內(nèi)部C15W4F200(三)自密實(shí)堆石混凝土；水位變幅區(qū)及以上部分抗凍標(biāo)號提高至F350。

(2)泄水建筑物布置。泄洪沖沙建筑物的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，相應(yīng)洪峰流量1 330 m3/s；100年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)洪峰流量953 m3/s；消能防沖建筑物設(shè)計(jì)均按30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)洪峰流量863 m3/s。泄水建筑物主要包括泄洪沖沙閘、排漂閘。泄洪沖沙閘布置在右岸灘地，為3孔平底孔流混凝土閘壩，1、2號閘孔為1個(gè)壩段，壩段寬20 m，3號閘孔及排漂孔為1個(gè)壩段，壩段寬17 m。為防止由于不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)開裂，閘室結(jié)構(gòu)采用整體式，在閘墩中間設(shè)順?biāo)飨蛴谰每p。中墩厚3 m，邊墩厚2.5 m。閘室進(jìn)口底板高程3 405.0 m，最大高度26 m，順?biāo)鞣较蜷L35 m，工作門孔口尺寸6 m×5 m，檢修門孔口尺寸6 m×7 m。泄洪沖沙閘室段上游接引渠和水平混凝土鋪蓋，并在鋪蓋上設(shè)有兩道導(dǎo)沙坎。下游接長85 m的緩坡混凝土護(hù)坦，再之后為35 m長的鋼筋籠海漫，海漫末端與下游河床相接。排漂閘采用折線型實(shí)用堰，堰頂高程3 422.0 m，孔口寬3 m，向下接R=8 m堰面和1∶2 的斜直段，之后通過R=20 m的反弧段與緩坡混凝土護(hù)坦相連接。為防止消能淘刷，在護(hù)坦末端設(shè)置有厚80 cm、深10 m的混凝土防沖墻。為保證下游河道正常生態(tài)用水，在排漂孔實(shí)體堰內(nèi)設(shè)置生態(tài)放水孔。生態(tài)放水孔進(jìn)口孔口中心線高程3 414.0 m，采用Φ150 cm鋼管，出口引至泄洪閘消力池左邊墻生態(tài)供水池內(nèi)。

4.2.2 引水發(fā)電建筑物

引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸，主要由電站進(jìn)水口、壓力管道、調(diào)壓井、主副廠房、主變室、尾水渠、GIS室開關(guān)站等部分組成。

(1)引水系統(tǒng)布置。引水系統(tǒng)由電站進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道等部分組成。電站進(jìn)水口緊鄰排漂閘右側(cè)，位于在河道右岸，其前緣與壩軸線呈107.3°夾角。取水口總長8.5 m，底板高程3 412.00 m，布置有主副兩道5.0 m×8.0 m攔污柵。取水口經(jīng)長26 m的漸變段與引水隧洞進(jìn)水閘相連，進(jìn)水閘閘室長11.5 m，寬8.5 m，孔口設(shè)一道4.8 m×6.0 m的事故檢修門，閘底板高程為3 408.00 m。引水隧洞采用“一洞三機(jī)”的供水方式。引用流量為55.50 m3/s，總長為3 678.38 m，其中，引水隧洞長3 330 m，為馬蹄形斷面，內(nèi)徑5.30 m，鋼筋混凝土襯砌厚度55 cm，部分Ⅱ類、Ⅲ類圍巖洞段采用掛網(wǎng)噴混凝土，厚度10 cm。在引水隧洞樁號引3+330.00處接壓力鋼管段，在壓力鋼管上彎段末端與豎井段在同一軸線上設(shè)有阻抗式調(diào)壓井，經(jīng)壓力鋼管下彎段后接兩個(gè)“卜”形鋼岔管與3條引水支管銜接進(jìn)入地下廠房，主管內(nèi)徑3.80 m，支管內(nèi)徑2.2 m。調(diào)壓室直徑12 m，阻抗孔直徑2.25 m，最高涌浪高程3 435.94 m，最低涌浪高程3 412.56 m，調(diào)壓室頂部高程3 438.50 m，底部高程3 400.00 m，調(diào)壓室高38.5 m，井壁鋼筋混凝土襯砌厚度為0.9 m，在阻抗孔3 331.50 m高程處設(shè)置直徑為3.5 m的小井上接到調(diào)壓室底部，小井高度為68.5 m，井壁混凝土襯砌厚度為0.6 m。

(2)地下廠房建筑物布置。主廠房、主變室(尾閘室)平行布置，洞室間距30 m，洞室軸線NE13°。主廠房、副廠房和安裝間呈“一”字形布置，安裝間布于主廠房右側(cè)，副廠房布置在主廠房左側(cè)。廠內(nèi)安裝3臺(HL(138)—LJ-195)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量22 MW，引用流量18.50 m3/s，額定水頭136.50 m。根據(jù)機(jī)組布置要求確定廠房尺寸為83.8 m×18.20 m×35.40 m(長×寬×高)。主變室(尾閘室)尺寸為63.85 m×16.55 m×17.40 m(長×寬×高)；尾水延伸段后接尾水洞，尾水洞采用“三機(jī)一洞”的布置形式，斷面采用有壓城門洞型，斷面尺寸為4.5 m×6 m，出洞后在尾水渠采用尾水箱涵接入下游河道。中控樓、GIS室開關(guān)站、絕緣油庫及生活消防水池等均布置在尾水出口3 281.50 m高程平臺。電纜由主變室電纜層通過出線洞送至地面GIS室開關(guān)站的電纜廊道內(nèi)，出線站布置在GIS室開關(guān)站樓頂。

5 結(jié) 語

隨著外部建設(shè)條件的變化，金橋水電站工程在已經(jīng)選定的樞紐布置格局的情況下，對首部樞紐左岸壩型、裝機(jī)容量、調(diào)壓井形式、廠房形式，從工程投資、施工、工期、運(yùn)行及工程安全性等方面重新進(jìn)行綜合比較論證，從而選定了設(shè)計(jì)方案，并隨著建設(shè)條件的變化，對設(shè)計(jì)方案重新優(yōu)化。樞紐整體布置、主要建筑物形式充分適應(yīng)了地形地質(zhì)與建設(shè)條件，整個(gè)樞紐布置緊湊、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行安全有保障。