出居溝水電站尾水渠布置優(yōu)化設計方案的探討

趙群章， 王樹平

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 概 況

出居溝電站位于寶興縣永富鄉(xiāng)境內(nèi)，是寶興河流域西河規(guī)劃梯級規(guī)劃的龍頭水庫，為低閘引水式電站。電站水庫正常蓄水位1 806.00 m，總庫容 32.3 萬m3，具有日調(diào)節(jié)性能，沖擊式水輪機組裝機容量為2×37 MW，多年平均年發(fā)電量為3.32億kW·h，年利用小時數(shù)4 486 h。

寶興河在寶興縣城之上分為東河、西河兩源。流域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復雜，出露巖層以沉積變質(zhì)巖為主，有沙板巖、灰?guī)r、大理巖、千枚巖等，僅在寶興背斜部有少量花崗巖。東、西河上游，植被良好，原始森林茂密，水土流失不嚴重，據(jù)東河上游的磽磧水文站資料分析，年平均含沙量461 g/m3，多年平均輸沙模數(shù)153 t/km2。在東、西河的下游，高程2 100 m以下的山麓溝谷，出露巖層破碎且風化嚴重，崩塌、滑坡現(xiàn)象時有發(fā)生。兩岸沖溝發(fā)育，泥石流較活躍，河流縱坡較陡，泥沙輸移能力較強。加之受采礦開石、砍伐森林、陡坡墾殖等人類活動的影響，水土流失較為嚴重。據(jù)東、西河匯口下游的寶興水文站資料統(tǒng)計，多年平均含沙量673 g/m3，多年平均輸沙模數(shù)682 t/km2。出居溝水電站廠房建基高程1 316.00 m，附近原始河床高程約1 320 m左右，屬泥石流活躍區(qū)。

出居溝電站的開發(fā)任務為發(fā)電，同時兼顧下游減水河段的生態(tài)景觀用水及熊貓棲息地的相關(guān)要求。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)的規(guī)定，本工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。擋水建筑物為閘壩結(jié)構(gòu)，最大壩高 22 m，最大閘高21 m，擋水建筑物級別為3級，引水系統(tǒng)和廠房等主要建筑物按3級設計，次要建筑物按4級設計。

2 廠區(qū)樞紐地質(zhì)條件

廠區(qū)河道較為順直，西河河流總體以S60°E流經(jīng)廠區(qū)，枯水期河水位高程1 300～1 320 m，河谷寬約130～150 m。廠房布置在沖積高漫灘上，高漫灘拔河高約1～3 m，地形平坦寬闊。廠房后坡基巖裸露，地形陡峻，自然坡度一般40°～60°， 廠區(qū)覆蓋層厚度一般大于50 m，按物質(zhì)組成和工程地質(zhì)特性可分為兩大層，由老至新依次為：

第Ⅰ層，含漂卵泥礫石層(pl+alQ4)：為洪積和沖積混合堆積，顏色呈灰褐色。

第Ⅱ?qū)?，含漂卵石?alQ4)：系現(xiàn)代河床沖積物。

覆蓋層承載力滿足廠房建基要求要求。

3 初步設計階段廠區(qū)樞紐布置

發(fā)電廠房位于西河左岸的若壁小溝溝口上游約300 m的平緩灘地上，此處地形開闊、平坦，地基為含漂卵礫石層。根據(jù)地形地質(zhì)條件和廠區(qū)樞紐布置的需要，考慮壓力管道布置、尾水出流條件和廠區(qū)對外交通等因素，主廠房縱軸線方向為N68°W，與壓力管道主管垂直相交，基本平行于河道水流方向。

廠區(qū)建筑物由主廠房、副廠房、升壓站、尾水渠、回車場及進廠公路橋等組成?；剀噲?、安裝間、主機間呈“一”字形排列，副廠房布置在主廠房的靠山側(cè)，升壓站布置在安裝間的靠山側(cè)。尾水渠正向出水，軸線方向與河道約成60°夾角。

初步設計階段的廠區(qū)樞紐布置示意見圖1。

圖1 初步設計階段廠區(qū)樞紐布置

4 尾水渠布置優(yōu)化設計

4.1 沖擊式水輪機組尾水出流特點

混流機組發(fā)電水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪后流入尾水管內(nèi)，水流連續(xù)有壓，尾水管的水流條件對機組的效率影響較大，每臺機組尾水管單機單管，兩臺機組共用一個尾水管從結(jié)構(gòu)上無法實現(xiàn)。沖擊式機組發(fā)電水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪后流入尾水管是自由落體，尾水管內(nèi)水流呈明流無壓狀態(tài)，對發(fā)電機組效率無影響，因此兩臺以上機組共用一條尾水管是可行的，同時尾水管內(nèi)水流方向?qū)C組效率亦無影響，只要尾水管內(nèi)過流能力及水位滿足機組運行要求，無論尾水管正向出流還是從側(cè)向出流對機組效率均無影響，見圖2、3。

圖2 尾水管正向出流剖面示意

圖3 尾水管側(cè)向出流示意

4.2 廠區(qū)樞紐布置優(yōu)化設計

初步設計階段，尾水渠布置在主廠房的下游側(cè)，出口處軸線方向與河道呈60°夾角。若廠房上游發(fā)生泥石流，可能順河道下泄堵塞尾水渠，影響電站運行及安全。近年來，寶興河流域泥石流頻發(fā)，河道淤積嚴重，初步設計方案尾水渠受泥石流及河道淤積影響較大，嚴重時可能影響電站的安全運行。

根據(jù)上述原因，技施階段調(diào)整廠區(qū)尾水渠布置型式，改正向出流為側(cè)向出流，兩臺機組共用一條尾水管。經(jīng)過尾水渠及尾水管水力學計算，出流能力及水位滿足要求。廠區(qū)建筑物包括主廠房、副廠房、升壓站、回車場及進廠公路橋等建筑物均保持初步設計布置不變，尾水渠調(diào)整至廠房下游側(cè)向，廠內(nèi)結(jié)構(gòu)只是尾水管部分相應局部調(diào)整，改為側(cè)向出流。廠房上游側(cè)防洪墻向下游延伸至廠房下游，兼做廠房基坑圍堰，永臨結(jié)合。初步設計階段，兩臺機尾水管并列布置，尾水渠寬度19.6 m，調(diào)整為側(cè)向出流后，根據(jù)水力學計算結(jié)果，尾水渠寬度采用與尾水管同寬5.3 m即可，尾水出流能力滿足要求。廠區(qū)樞紐平面優(yōu)化布置見圖4。

圖4 廠區(qū)樞紐平面優(yōu)化布置

4.3 尾水渠采用側(cè)向出流的優(yōu)點

(1)解決了泥石流淤積尾水渠的問題，即使發(fā)生較大規(guī)模泥石流，只需在尾水渠末端進行清理，清理工程量相比正向出流小得多，后期維護費用低，尾水渠側(cè)向出流提高了電站運行的安全性。

(2)正向出流尾水渠兩側(cè)擋墻占用了河床行洪斷面，改為側(cè)向出流后，尾水渠不深入河床阻擋洪水下泄，增加了河道行洪寬度，保證了廠區(qū)汛期安全。

(3)初步設計方案的廠區(qū)防洪墻僅修建至安裝間，尾水渠直接面對主河道，廠房修建時需修建圍堰擋水。尾水渠采用側(cè)向出流方案后，廠區(qū)防洪墻延伸至尾水渠，同時可作為廠房基坑的圍堰，屬于永久工程兼做臨時工程，永臨結(jié)合，不必另外修筑圍堰，方便施工，節(jié)省了工程量，縮短了施工工期。同時，尾水渠工程量相比初步設計更加節(jié)省，有較好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 語

(1)出居溝水電站廠房沖擊式機組尾水管內(nèi)水流為明流，尾水渠布置更加方便靈活，廠區(qū)樞紐布置根據(jù)現(xiàn)場地形地質(zhì)條件采用側(cè)向出流，布局更加緊湊，尾水出流與原始河流同向，出流更加順暢，尾水渠可有效規(guī)避上游推移質(zhì)引起的淤積問題，可供同類工程參考。

(2)出居溝水電站安裝2臺單機容量37 MW水輪機組，單機引用流量9.7 m3/s，額定水頭445 m。沖擊式機組一般發(fā)電水頭高，引用流量小，因此多臺機組并用一條尾水管過流能力容易滿足要求。

(3)廠房正向出流面對河床，由于受到尾水渠布置的影響，根據(jù)不同的地形條件，個別廠房基坑圍堰布置較側(cè)向出流可能存在施工干擾大或工程量相對較大等問題。

(4)并非所有沖擊式機組廠房正向出流都不如側(cè)向出流合理，具體采用哪種出流方式應根據(jù)現(xiàn)場地形、地質(zhì)、水文泥沙、廠區(qū)樞紐布置及廠房基坑圍堰布置、施工條件、廠區(qū)防洪設計等客觀條件具體分析。