樂昌峽水利樞紐工程電站輸水方式的選定

宋春華

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

樂昌峽水利樞紐工程位于廣東省樂昌市境內(nèi)北江一級支流武水樂昌峽河段內(nèi)，壩址在原塘角火車站附近，下距樂昌市約14 km，距韶關(guān)市81.4 km，壩址以上集雨面積為4 988 km2。

樂昌峽水利樞紐工程是以防洪為主、結(jié)合發(fā)電、兼顧航運、灌溉等綜合利用的樞紐工程，主要建筑物包括碾壓混凝土重力壩、輸水系統(tǒng)、地下廠房、電站進出水口、交通道路、庫岸工程及過壩設(shè)施。

電站采用引水式地下廠房方案。輸水系統(tǒng)布置在左岸，引水、尾水隧洞均采用1洞1機共3洞3機的布置形式，垂直廠房進出水。引水系統(tǒng)縱剖面采用一級小斜井加平洞的方案。引水系統(tǒng)水道襯砌形式，除引水洞末段采用鋼襯外，其余均采用鋼筋混凝土襯砌。引水系統(tǒng)主要包括3部分：進水口、輸水隧洞和出水口[1-2]。

2 輸水方式的比較及選定

2.1 布置原則

根據(jù)水力過渡過程計算成果，不設(shè)置上下游調(diào)壓井的情況下，引水隧洞直徑為6.2 m，尾水隧洞直徑增大到6.8 m[3]。為了進一步優(yōu)化輸水系統(tǒng)，在推薦的左岸地下廠房方案的基礎(chǔ)上，進行了輸水方式的比較，即引水和尾水系統(tǒng)分別采用1洞1機和1洞3機的方案進行比較。

1) 各方案進水口均采用分層取水的布置方式[4]，相同的廠房位置；

2) 為保證相同的發(fā)電量和電站效益，各方案采用水頭損失相同的原則?？紤]引水鋼支管較短，且須與蝸殼進水口銜接，支管直徑不變，均取5.4 m。1洞3機方案，主洞需要過3倍的機組流量，且該方案存在體型復(fù)雜的引水、尾水岔管，局部水頭損失較大，故主管管徑需要增大，經(jīng)水頭損失計算，引水、尾水隧洞直徑需增大到11.0 m。

2.2 方案布置

引水系統(tǒng)1洞1機共3洞3機的方案，垂直廠房進水，引水隧洞洞徑為6.2 m，引水鋼管管徑為5.4 m。考慮運行檢修維護，每個進水口設(shè)置1道檢修閘門和1道工作閘門，共3個檢修門和3個工作門。尾水系統(tǒng)1洞1機共3洞3機的方案，垂直廠房出水，尾水隧洞洞徑為6.8 m，出水口設(shè)置3個檢修閘門。

引水系統(tǒng)1洞3機的方案，在廠房上游設(shè)置鋼筋砼岔管，主管分岔為3條支管垂直廠房進水。引水隧洞主洞直徑為11.0 m，引水支管管徑為5.4 m。考慮運行檢修維護方便，避免單臺機檢修對其他機組的影響，廠房內(nèi)每臺機組前設(shè)置1個蝶閥共3個蝶閥，需要在原有廠房上游側(cè)增加蝶閥及控制設(shè)備布置，使得主廠房跨度在1洞1機方案基礎(chǔ)上增加3.0 m，達到22.0 m。由于機組前有蝶閥快速響應(yīng)，且引水只有1條主洞，進水口只需設(shè)置1個檢修閘門；尾水系統(tǒng)1洞3機的方案，垂直廠房軸線出水。廠房下游設(shè)鋼筋砼岔管，將3條尾水支管匯合成1條主管出水。尾水支管管徑為6.8 m，尾水隧洞主洞直徑為11.0 m?？紤]運行檢修維護方便，避免單臺機檢修對其他機組的影響，在廠房下游側(cè)設(shè)置尾閘室，每臺機組設(shè)置1個尾水閘門共3個閘門。由于尾水管后設(shè)有閘門，且尾水只有1條主洞，出水口只需設(shè)置1個檢修閘門。

2.3 方案比較

1) 地形地質(zhì)條件

引水隧洞穿過的地層為寒武系八村群下亞群∈bca-4、∈bca-3(2)～∈bca-3(4)巖組，巖石以石英砂巖為主，夾絹云母板巖和粉細砂巖。隧洞沿線山體雄厚，隧洞埋藏較深。地下水主要為基巖裂隙水，賦存于巖層界面和斷層、裂隙之中。洞身巖石透水率大部分小于3Lu，具弱透水性。巖層產(chǎn)狀N20°～40°W/NE∠40°～60°，為反坡向巖層。沿線主要斷層有北東組，次為北西組，分別有F6、F7等斷層，斷層帶中多為片狀構(gòu)造巖、糜棱巖、構(gòu)造角礫巖，寬1～3 m，一般為硅質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，多屬逆斷層。此外，尚發(fā)育規(guī)模較小的次一級斷層和層間擠壓破碎帶。

輸水隧洞圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，其中Ⅱ類約占20%，Ⅲ類約占60%，Ⅳ類約占15%，Ⅴ類約占5%。

由于1洞1機方案和1洞3機方案輸水線路布置位置相近，同屬一個地質(zhì)塊體，只是局部構(gòu)造有差異，因此，從地形地質(zhì)條件方面來看，2個方案基本相同。

2) 水力條件

由于電站進出口位置比較開闊，各方案進、出水流均比較平順，水流條件較好，沒有明顯的區(qū)別。但由于1洞3機方案進水口距離大壩較近，大壩泄洪對電站發(fā)電入流存在一定的干擾。從水頭損失來看，1洞3機方案有岔管，局部水頭損失增加，使得水頭損失比1洞1機方案略大。從水力過渡過程計算成果來看，1洞1機方案尾水管真空度略優(yōu)于1洞3機方案，其他2項控制參數(shù)兩方案相差不大。

故從水力條件來看，輸水系統(tǒng)采用1洞1機略好于1洞3機方案。

3) 工程布置

從工程布置上考慮，兩方案大壩布置完全相同，輸水系統(tǒng)的平面線路布置位置基本相同，縱剖面布置均為一級小斜井加平洞的方案。

輸水系統(tǒng)布置存在的主要差別有以下幾個方面：

① 1洞1機方案比1洞3機方案多2根主管，相應(yīng)進、出水口的個數(shù)均是1洞3機方案的3倍；

② 1洞3機方案有鋼筋砼岔管，而1洞1機方案沒有；

③ 1洞1機引水隧洞洞徑為6.2 m，尾水隧洞洞徑為6.8 m，而1洞3機引水、尾水隧洞洞徑為11.0 m。

廠房系統(tǒng)布置的主要區(qū)別如下：1洞3機方案考慮到后期運行檢修方便，1臺機設(shè)備需要檢修時，不影響其他2臺機正常發(fā)電，故在廠房上游側(cè)內(nèi)部布置3個蝶閥，在廠房下游側(cè)設(shè)置尾閘室，設(shè)置3個閘門；由于蝶閥布置需要增加一部分空間，故主廠房跨度在1洞1機方案基礎(chǔ)上增加3.0 m，達到22.0 m。

從結(jié)構(gòu)受力考慮，1洞3機洞徑較大，達到11.0 m，而1洞1機洞徑為6.2 m或6.8 m，因此,1洞3機方案隧洞結(jié)構(gòu)受力相對1洞1機方案較差。特別是鋼筋砼岔管，受力比較復(fù)雜，且PD值高，達900 t/m，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計難度。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(SL279)第9.6.1條規(guī)定“鋼筋混凝土岔管宜布置在Ⅰ、Ⅱ類圍巖中，Ⅲ類圍巖地段經(jīng)論證后可布置鋼筋混凝土岔管。Ⅳ、Ⅴ類圍巖地段不得布置鋼筋混凝土岔洞?！笨紤]本電站地下廠房位置可調(diào)整空間很小，岔管的位置基本確定；同時地下廠房距離岸邊較近，地形地質(zhì)條件還有一定的不確定性；同時，從初設(shè)探明的地質(zhì)資料可知，輸水系統(tǒng)圍巖分類中，Ⅲ類占的比例較大，達到60%，且存在15%的Ⅳ類圍巖，故鋼筋砼岔管存在布置在圍巖較差地段的風(fēng)險。而1洞1機方案洞徑相對較小，受力相對較好，且沒有混凝土岔管，結(jié)構(gòu)帶來的施工風(fēng)險相對較小。

從廠房系統(tǒng)來看，廠房跨度對地下廠房的圍巖穩(wěn)定很關(guān)鍵，特別對于地質(zhì)條件不是太好的區(qū)域，顯得尤為突出。1洞3機方案比1洞1機方案的地下廠房跨度增加3.0 m，達到22.0 m(跨度相對較大)，對廠房圍巖穩(wěn)定影響相對較大。同時，1洞3機方案設(shè)置尾閘室，在廠房后增加了1個相鄰洞室，對廠房區(qū)域的圍巖穩(wěn)定也將帶來不利的影響。

因此，從工程的布置來看，輸水系統(tǒng)采用1洞1機方案優(yōu)于1洞3機方案。

4) 工程施工

從施工布置條件上看，1洞1機方案有3條隧洞，施工作業(yè)面較多，與廠房等其它施工面幾乎沒有干擾。而1洞3機方案岔管、鋼管等部分的施工與地下廠房施工存在一定的干擾；且1洞3機方案進水口距離大壩較近，與大壩施工也存在一定的干擾。

從施工難度上考慮，由于1洞3機方案洞徑較大，且輸水系統(tǒng)進出口段地質(zhì)條件較差，因此，開挖成洞相對困難，同時對實際施工過程中為保證施工安全增加的臨時支護及永久襯砌的投資相對難控制；而1洞1機方案洞徑較小，成洞較容易。另外，1洞3機方案有鋼筋混凝土岔管，由于岔管的體型相對較復(fù)雜，使得施工立模、澆筑的難度大大增加，且施工質(zhì)量相對難于保證。

從施工工期上考慮，由于輸水廠房系統(tǒng)工期控制在廠房系統(tǒng)，因此，2個方案工期均不占直線工期，對總工期沒有影響。

故從施工方面考慮，1洞1機方案略優(yōu)。

5) 運行與效益

從電廠的運行檢修來看，1洞1機方案布置的主要優(yōu)點是增加電站運行檢修的靈活性，即當輸水隧洞或是某臺機組及附屬設(shè)備、或是進出口共用的閘門等出現(xiàn)故障需要檢修時，由于以上這些是1洞3機方案3臺機共用的，故單臺機的檢修會影響到全廠3臺機都停產(chǎn)；而1洞1機方案的3臺機前后都有獨立的閘閥(蝶閥和尾水閘門)，各臺機組運行是獨立的，故只需讓需要檢修的機組停產(chǎn)，其他機組不受影響，正常運行。尤其是這種某臺機因結(jié)構(gòu)或設(shè)備故障引起的非計劃性停產(chǎn)檢修，將影響整個電站的正常穩(wěn)定運行及調(diào)度，也影響到電站的發(fā)電小時數(shù)和發(fā)電效益，故1洞1機方案應(yīng)對這種突發(fā)狀況的優(yōu)勢更顯著，對電站更有利。

另外，從電站的正常檢修維護來看，1洞1機方案3臺機相對獨立，使電廠檢修時段的安排更加靈活，一是避免了因檢修而使全廠停產(chǎn)帶來的不必要經(jīng)濟損失，二是采取分時段的安排機組檢修，可充分利用其他機組正常運行提高電廠的發(fā)電效益，從而增加了電廠的經(jīng)濟效益。

從以上的分析比較來看，1洞1機方案運行檢修更加靈活，對增加電廠的效益更有利，明顯優(yōu)于1洞3機方案。

6) 工程投資

由于各方案大壩布置相同，故水工專業(yè)投資差別主要在水道系統(tǒng)和廠房系統(tǒng)。另外，各方案機電投資有一定的差異。

從輸水系統(tǒng)布置來看，按照噴錨支護及水工隧洞規(guī)范設(shè)計參數(shù)要求，開挖直徑超過10 m，系統(tǒng)錨桿的間距減小，直徑增大，長度增加，有壓隧洞的固結(jié)灌漿深度增加，1洞3機方案洞徑達到11.0 m，相應(yīng)工程量增加；隧洞受力上，由于壓力不變，1洞3機方案洞徑增加較多，PD值顯著增大，為滿足裂縫寬度限制要求，襯砌厚度增加了20 cm，配筋量也隨之增加。但1洞1機方案有3條主洞，故輸水系統(tǒng)總的投資還是1洞3機方案少。

從廠房系統(tǒng)布置來看，1洞3機方案增加了尾閘室，且為了布置蝶閥增加了廠房跨度，開挖、支護、襯砌的工程量增加較多；

從機電及金屬結(jié)構(gòu)來看，1洞3機方案進水口少了3個工作門和兩個檢修門，出水口少了2個檢修門；但增加了3個蝶閥及相關(guān)控制設(shè)備；同時增加了3個尾閘室的工作閘門，且1洞3機方案主洞的閘門比1洞1機方案的規(guī)模大很多。機電及金屬結(jié)構(gòu)總的投資上，1洞3機方案是增加的。

2個方案主要投資差異見表1。

表1 各方案分項投資 萬元

從表1可知：1洞3機方案的輸水系統(tǒng)投資減少約1 101萬元，廠房系統(tǒng)投資增加約787萬元，蝶閥及控制設(shè)備增加約1 350萬元，金屬結(jié)構(gòu)投資增加約452萬元。綜合考慮各主要投資差后，1洞1機方案比1洞3機方案少大約1 488萬元，投資明顯較優(yōu)。

2.4 方案選擇

從輸水方式兩個方案比較中可知，1洞1機方案可以取消廠房上游側(cè)的蝶閥和尾閘室，廠房跨度及隧洞洞徑較小，減少地下洞室，對隧洞結(jié)構(gòu)及廠房圍巖穩(wěn)定有利，同時電站運行檢修的靈活性好，投資較小，且對增加電廠的發(fā)電效益更有利；1洞3機方案隧洞洞徑較大，增加一個尾閘室使廠房跨度增加，對隧洞及廠房區(qū)域圍巖穩(wěn)定不利，且由于主洞少了，施工工作面減少，施工干擾相對增加。從工程應(yīng)用來看，1洞多機方案多應(yīng)用于輸水隧洞比較長的布置；輸水隧洞較短時，兩方案均應(yīng)用很廣泛，本電站單條輸水隧洞總長約500 m。目前，國內(nèi)已建有以下電站采用單洞單機的布置形式，如廣東的長湖水電站、湖南的柘溪水電站、貴州的洪家渡水電站、索風(fēng)營水電站、思林水電站、沙陀水電站等。

因此，從地形地質(zhì)、水力條件、工程布置、工程施工、運行效益及投資等方面進行綜合技術(shù)經(jīng)濟比較后，電站推薦引水尾水均采用1洞1機共3洞3機的輸水系統(tǒng)布置方案。

3 結(jié)語

樂昌峽水利樞紐是廣東省內(nèi)的大型水利樞紐，目前，電站已建成投產(chǎn)并安全穩(wěn)定運行多年，電站的輸水隧洞經(jīng)受了實踐考驗。電站輸水系統(tǒng)有多種輸水方式的選擇，針對于不同電站的特點，需進行多種可行方案的比較，綜合選定出適合的布置方案，從而實現(xiàn)既保證電站安全穩(wěn)定運行，又節(jié)約工程投資的目的。