大興川水電站工程修改設(shè)計(jì)

侯光普，陳 博

（1.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，長春 130021；2.浙江華東工程咨詢有限公司，杭州311122）

在水利水電工程建設(shè)過程中可能遇到大洪水和復(fù)雜地質(zhì)條件等各種不利物質(zhì)條件，使得工程的安全性不符合要求，需要進(jìn)行相應(yīng)處理，否則會產(chǎn)生漫頂甚至潰壩等嚴(yán)重后果。

本文以大興川水電站改造為例，通過方案比選及模型試驗(yàn)驗(yàn)證，擬定了經(jīng)濟(jì)合理的改造方案。

1 工程概況

大興川水電站工程位于二道松花江中游，地處吉林省安圖縣兩江鎮(zhèn)大興川村一隊(duì)上游約2km處，是二道松花江中段規(guī)劃 （兩江電站～西金溝電站之間）的梯級水電站中的第二級電站，以水力發(fā)電為主，由重力壩、溢流壩、壩后式電站及升壓站等組成，裝機(jī)容量4.85萬kW，工程規(guī)模為中型工程，工程等別為Ⅲ等，擋水壩、溢流壩為3級建筑物，壩后式電站廠房為4級建筑物。

2008年大興川水電站開工建設(shè)，截止2016年大興川水電站原設(shè)計(jì)土建工程內(nèi)容全部施工完成，擋水壩段已經(jīng)封頂，溢流壩段及電站廠房已完成，變電站和送出工程也已完成，目前正在進(jìn)行機(jī)電設(shè)備安裝調(diào)試。

電站于2010年7月28日和2013年8月16日遭遇兩次大洪水，導(dǎo)致校核標(biāo)準(zhǔn)洪峰流量（9750m3/s）比初步設(shè)計(jì)階段洪峰流量（5400m3/s）大80.56%，通過調(diào)洪計(jì)算，原設(shè)計(jì)5孔溢流壩泄流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，當(dāng)發(fā)生校核洪水時(shí)，庫水位將越過壩頂，導(dǎo)致漫頂，對下游發(fā)電廠房造成嚴(yán)重威脅。故需對電站進(jìn)行改造，使其泄流能力滿足規(guī)定要求。

2 方案比選

2.1 初步方案

目前，電站土建工程已全部完工。主要建筑從右到左分別為由右側(cè)擋水壩段、電站進(jìn)水口段、溢流壩段、左側(cè)擋水壩段，在河道內(nèi)垂直于水流方向呈“一”字形排開，電站上游如圖1，如圖2。

圖1 電站上游立視圖

圖2 電站上游照片

由于右側(cè)擋水壩段前方為變電站，因此本工程對左側(cè)擋水壩段及山體進(jìn)行處理，以增大電站的泄流能力。

2.1.1 新建無壓隧洞

依據(jù)GB 50288—2016《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，無壓隧洞泄流能力公式如下：

其中 m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，H0=15m時(shí)，B=11.36m。

構(gòu)造凈空＞15%過流面積， 即H0＞1.15×15=17.25m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，增建斷面尺寸不小于11.36m×17.6m（寬×高）的無壓隧洞，才能下泄原單孔溢流壩相應(yīng)流量。因此，需新增5孔尺寸11.36m×17.6m（寬×高）的無壓隧洞才能下泄校核洪峰流量。

2.1.2 新建有壓隧洞

依據(jù)GB 50288—2016《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，無壓隧洞泄流能力公式：

其中 m為流量系數(shù)，和洞線走向、斷面尺寸、進(jìn)出口高程等均有關(guān)聯(lián)。

經(jīng)計(jì)算，D=11.07m（圓形隧洞直徑），計(jì)算結(jié)果可知，增建直徑不小于11.07m的有壓隧洞，才能下泄原單孔溢流壩相應(yīng)流量。因此，需新增5孔直徑11.07m的有壓隧洞，才能下泄校核洪峰流量。

2.1.3 新建有溢流壩

依據(jù)SL253—2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，WES型實(shí)用堰泄流能力計(jì)算公式：

其中 m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，保留原有已建5孔溢流壩，新建3孔溢流壩，每孔凈寬12m，堰頂高程453.50m（共8孔），可以下泄校核洪峰流量。

2.1.4 新建溢流壩并對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造

為減少左壩肩山體開挖工程量及征林占地范圍，考慮施工導(dǎo)流，保留原有導(dǎo)流墻右側(cè)2孔溢流壩，并新增溢流壩。

依據(jù)SL253—2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，WES型實(shí)用堰泄流能力計(jì)算公式：

其中 m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算改造3孔并新建2孔溢流壩，每孔凈寬12m，堰頂高程454.00m（共7孔），可以下泄校核洪峰流量。

2.2 方案比選

2.2.1 初步比選

新建無壓隧洞及有壓隧洞方案有以下缺點(diǎn)：

（1）征林占地范圍巨大，對環(huán)境造成較大影響，不利于工程獲批。

（2）山體開挖工程量巨大，導(dǎo)致工程投資急劇增加。

（3）隧洞斷面尺寸大，施工技術(shù)難度大。綜上，新建隧洞方案可不考慮。

2.2.2 進(jìn)一步比選

保留原有已建5孔溢流壩，新建3孔溢流壩，每孔凈寬12m，堰頂高程453.50m（共8孔）方案（5+3方案），可以滿足泄流要求，但山體開挖量較大；保留原有導(dǎo)流墻右側(cè)2孔溢流壩，改造導(dǎo)流墻左側(cè)3孔溢流壩，再新建2孔溢流壩，每孔凈寬12m，堰頂高程454.00m（共7孔）方案（2+5方案），亦可滿足泄流要求，但對原有已建溢流壩段進(jìn)行了較大破壞和改造，具體施工過程中施工技術(shù)難度較大。故進(jìn)一步進(jìn)行工程投資比選，如表1。

由表1可知，5+3方案投資較少，因此選定該方案進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

表1 工程投資 單位：萬元

2.3 工程總體布置

本次改造設(shè)計(jì)方案主要建筑物由混凝土重力壩、溢流壩組成，在河道內(nèi)垂直于水流方向呈“一”字形排開。拆除原設(shè)計(jì)并已建成的大壩左側(cè)混凝土重力壩擋水壩段后，接原有5孔溢流壩段向左岸擴(kuò)建3孔溢流壩，擴(kuò)建3孔溢流壩段左側(cè)為新建混凝土重力壩擋水壩段。

3 模型試驗(yàn)及分析

3.1 模型試驗(yàn)的必要性

本次改造設(shè)計(jì)有以下兩個(gè)難點(diǎn)：

（1）雖然新增3孔溢流壩和原5孔溢流都為WES型實(shí)用堰，但堰頂高程不一樣，故堰面曲線方程不同，當(dāng)兩種堰型同時(shí)泄流時(shí)，水流流態(tài)復(fù)雜，實(shí)際泄流能力和理論計(jì)算可能不符。

（2）本次改造拆除原設(shè)計(jì)并已建成的左側(cè)混凝土重力壩后，向左岸擴(kuò)建三孔溢流壩并新建混凝土重力壩段。由于向左岸山體側(cè)開挖一定距離，擴(kuò)建后的8孔溢流壩中左側(cè)3孔溢流壩進(jìn)、出水流不能平順流暢通過，水流條件受到影響。

為保證水流條件，基于WES實(shí)用堰的前提條件下，保障流量系數(shù)及側(cè)收縮系數(shù)不受影響，工程由壩軸線位置向壩體左岸的上、下游分別進(jìn)行岸坡治理。

根據(jù)左岸山體地形實(shí)際情況，考慮盡量不影響進(jìn)口過流及出口泄流，初擬左岸上游150m、下游150m進(jìn)行岸坡治理。

鑒于上述原因，對理論計(jì)算進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 模型試驗(yàn)

模型采用木材和混凝土對電站和地形地貌進(jìn)行還原模擬，模型比例1∶100。

在校核洪水水位時(shí)，理論計(jì)算原5孔和新建3孔，共8孔溢流壩合計(jì)下泄流量9570m3/s，試驗(yàn)下泄流量9258m3/s，誤差3.26%。

3.3 誤差分析

模型試驗(yàn)結(jié)果表明，理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果有一定差距，究其原因?yàn)椋?/p>

（1）新增3孔溢流壩和原5孔溢流壩的水流流態(tài)不同，相互影響。

（2）電站左側(cè)新增3孔溢流壩進(jìn)、出水流不能平順流暢的通過，水流條件受到影響。

（3）為減少河床開挖量并節(jié)約投資，消力池下游河道開挖采用陡反坡開挖，導(dǎo)致消力池出水條件受到影響。

4 結(jié)語

針對大興川水電站建設(shè)過程中發(fā)生兩次較大洪水導(dǎo)致原設(shè)計(jì)泄流能力不足的問題，根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際情況，進(jìn)行了改造方案比選和模型試驗(yàn)，模型試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果誤差較小，下一步將針對誤差分析列出的原因進(jìn)一步完善改進(jìn)。

對今后發(fā)生類似不可預(yù)測的突發(fā)狀況導(dǎo)致原設(shè)計(jì)不符合要求的工程具有一定借鑒意義。