白梓橋水電站設計總體方案優(yōu)化

嚴士纏

(深圳市環(huán)境水務有限公司，廣東 深圳 518013)

1 概 述

白梓橋水電站位于都柳江上游，在貴州省三都縣縣城下游至拉攬鄉(xiāng)河段上，1999年珠江水利委員會同意近期興建。梯級可利用河段10 km，水頭28 m，是以發(fā)電為主、兼顧養(yǎng)殖、旅游及航運等綜合利用的水利水電工程。三都縣是我國惟一的水族自冶縣，縣內沒有1座骨干電站，嚴重影響了縣域經濟的發(fā)展，也關系到一個區(qū)域的脫貧問題。開發(fā)水電是利用當地優(yōu)勢資源、解決近期發(fā)供電矛盾、增加并帶動域內經濟規(guī)模增長的重要舉措。

2001年5月，經省有關部門審查批復同意項目可行性研究報告。電站為壩后引水式，攔河壩為漿砌石重力壩，設計壩高34 m，正常蓄水位381.2m，總庫容984萬m3，利用水頭24 m，裝機容量3×2 100 kW，年發(fā)電量2 819萬kW·h；因投資指標超過3元/kW·h，多方設計仍難以開工建設。2005年引進社會投資后，對電站總體方案進行優(yōu)化，重新編制可行性研究暨初步設計報告后得到開發(fā)。

2 原可研方案存在的主要問題

經對原審批可行性研究報告分析，原設計方案為小(1)型水庫、壩后引水式日調節(jié)徑流電站基本合理，但擋水工程投資占比過大，水能資源利用不足。

一是水庫總庫容超1 000萬m3，電站裝機容量6 300 kW，主要建筑物規(guī)模等級不匹配。水庫淹沒專項設施主要是在壩前2 km國道，改建量大。

二是工程選址不理想。壩址河谷較寬，巖體風化深，提升水頭壩高比較小，大壩土建工程量大。

三是水資源利用不充分。 總水頭利用的85%，引用流量系數為1.1倍，水量利用率為52%，水能利用率只有32%。

四是機組臺數多，機型適應差，效率較低，送出線路回路多。

3 總體方案主要優(yōu)化措施

工程以控制單位千瓦投資和單位千瓦時投資指標為目標開展總體方案優(yōu)化。

3.1 工程規(guī)模等級匹配與設計洪水標準選擇

根據流域規(guī)劃調整意見，本工程開發(fā)河段為三都縣城至拉攬鄉(xiāng)之間約10 km河段，末端流域面積1 580 km2，多年平均年徑流量11.01億m3。上游梯級為官塘水電站，設計尾水位385.40 m，拉攬鄉(xiāng)河段規(guī)劃尾水位357.2 m，水能資源理論蘊藏量0.88億kW·h。兩岸為峽谷，河道平均坡降0.25%，最大可能庫容約1 500萬m3，庫容系數小于1.5%，為徑流式水電站，可開發(fā)裝機容量10 MW左右。

河道彎道地段落差集中不明顯，且有通航規(guī)劃，適合建設壩后徑流電站。壩后式水電站投資指標主要受水庫投資變幅控制，如何控制水庫規(guī)模是關鍵。由于資源條件限制，本項目水庫和裝機規(guī)模只能做到均為小(1)型水庫壩后電站，初擬庫容規(guī)模不超過1 000萬m3，水電站規(guī)模不小于10 MW。

因此，白梓橋水電站初擬屬小(1)型水庫電站， IV等工程。工程主要建筑物為4級建筑物，壩址流域面積1 560 km2，大壩洪水標準設計為30 a一遇，洪峰流量3 578 m3/s，下游水位371.74 m；校核為200 a一遇，洪峰流量5 584 m3/s，下游水位374.33 m。廠房洪水標準設計為30 a，尾水位366.24 m；校核洪水100 a一遇，洪峰流量4 845 m3/s，尾水位367.19 m。

3.2 優(yōu)選新壩線并優(yōu)化總體布置方案

在原設計壩線上游1.7～2.7 km河段存在S型彎道，其中下彎道為右岸凸出山脊彎道，適合布置廠壩分離式壩后水電站。

壩址處于原初設推薦壩址上游2 km處，距縣城約8 km的321國道K1070+300 m處，為不對稱U形橫向河谷。河床大部分為基巖出露，高程約360 m，寬約65 m，兩岸坡度在45°～70°之間,洪水位以下基巖出露。經勘測，壩頂高程與321國道高程為386.5 m，壩頂為谷寬約120 m，河谷兩岸山嶺海撥多在400～500 m之間。區(qū)域位于背斜翼部，巖層為中厚層絹云母粉砂質板巖，傾向右岸，產狀N15°E,SE∠38°～43°，無不利構造，只有廠房附近F3斷層斜穿影響。

與原壩址比壩高減少3.5 m，壩頂長度縮短23 m，正常蓄水位可以提高3.20 m。

引水隧洞布置于右岸全長176 m，圍巖巖性為中厚層板巖夾砂巖，產狀N5°W,NE∠43°。除進出口55 m為弱風化Ⅳ類圍巖，中部108 m為Ⅲ類圍巖。經調節(jié)計算，仍可以不設調壓井，結合廠房尾水清理沿洞獲得的水頭超過4 m。

廠房布置于下游300 m右岸邊河灣深潭處，河灘開闊，施工布置方便。廠房區(qū)發(fā)育F3逆斷層，其產狀N5°E,NW∠45°～50°，影響帶寬10～15 m，河床砂礫石厚度約2～5 m，斜坡上覆粘土層厚1～3 m，巖層強風化厚4～7 m。建基面高程為357 m，為弱風化基巖，巖性為中厚層板巖夾砂巖，產狀為N5°W,NE∠25°，經處理滿足持力層要求。

廠房尾水位與原廠房之間約2 m落差，主要集中在廠房深潭末端淤積淺灘；其他地段坡降平緩均勻，只有4～5處巖埂需要清除。結合規(guī)劃航道整治要求對尾水河道進行疏浚，疏浚工程量約3萬m3，尾水位比原廠址增加不到0.3 m，仍取設計尾水位357.20 m(見圖1)。

3.3 優(yōu)化動能開發(fā)利用

壩址多年平均流量34.47 m3/s，Cv=0.26，Cs=2Cv，水位360.00 m，廠址水位357.20 m。多年平均徑流量10.8億m3，豐枯比82/18，枯水期徑流較少。

3.3.1 特征水位

(1)設計洪水位。項目回水末端為縣城，縣城規(guī)劃設計防洪標準為30 a一遇，防洪控制斷面都江路口堤頂高程389.40 m。考慮泥砂淤積20 a后，采用伯努利方程反推壩前設計洪水水面線，回水位與都江路口天然洪水位尖滅，求得電站設計洪水位為382.55 m。

(2)正常蓄水位。為改善電站保證出力和增加枯水期電能，為充分利用水頭，應與上游已建官塘水電站正常尾水位385.40 m銜接，兼顧兩梯級電站區(qū)間存在把本水文站和下壩橋橡膠壩要求。經回水計算并與復核水位庫容曲線對接后，不改變工程等級標準，擬定正常蓄水位為384.40 m，正常水位庫容992萬m3。

(3)校核洪水位。為不影響水庫規(guī)模等級標準，通過調整溢洪道尺寸，限制水庫校核洪水位不超過正常蓄水位即384.40 m，可取得最小壩高，減少大壩工程量。

3.3.2 可用水量

預測規(guī)劃水平年新增耗水量1.13 m3/s，生態(tài)用水量1.56 m3/s，可利用多年平均流量31.78 m3/s，豐平枯年可供發(fā)電平均流量分別為43.35、31.09、20.89 m3/s。遠期上游泠水溝中型水庫建成后，有利調節(jié)水量、削減洪峰流量，可用水量和水頭可略有增加。

3.3.3 利用水頭

考慮汛期限制水位日調節(jié)運行需要，調節(jié)庫容不小于100萬m3，選擇死水位380.00 m，調節(jié)庫容410萬m3。考慮引水道水頭損失后，得到最大/最小運行水頭26.79 m/20.13 m，汛期加權平均水頭23.66 m，全年加權平均水頭24.40 m。

3.3.4 總結

按照引用流量系數與水量利用率、設備利用率及水能利用率的關系，選擇引用流量為53.5 m3/s，裝機容量10 MW，保證出力1 300 kW，多年平均發(fā)電量3 725萬kW·h,水量利用率64.5%，水能利用率44.5%；與原方案比較明顯增加，處于較合理區(qū)間。

3.4 減少機電臺數和送出線路回數

項目原設計采用3臺軸流式水輪發(fā)電機組，經比較不同水輪機型號和臺數，優(yōu)化選擇2×5 MW混流式HLA551C—LJ—200水輪機配SF50—28/3350發(fā)電機組，機組運行工況性能更好，效率較高。選定機組額定水頭24.4 m，額定流量25.92 m3/s。 由于廠網分開，取消直供電送出功能，將原設計3回35 kV及3回10 kV送出線路優(yōu)化為1.5 km雙回35 kV送出線路并網至縣電網，保留10 kV施工供電線路作為備用電源。選用主變壓器1臺容量12 500 kVA，以擴大單元方式接線。電氣系統(tǒng)布局得到大大簡化，節(jié)約了投資和運維成本。

3.5 工程布置與效益

經設計優(yōu)化布置，該壩線避開了原壩前國道淹沒段，庫區(qū)為河道型水庫，無礦產壓覆，除兩座小型木材廠外，無廠礦、文物古跡淹沒；浸沒321國道約0.8 km，淹沒耕地46.12畝，林地76.50 畝，間接移民60人，庫區(qū)淹沒移民指標合理。

大壩為鋼筋混凝土包細石混凝土砌石壩，壩頂高程386.5 m，壩基主建基面高程360 m，深槽部分建基面高程356 m，最大壩高30.5 m，壩頂長度126 m。壩頂寬5.0 m，上游壩坡鉛直，下游坡度1∶0.8。溢流壩段位于壩體中部偏左岸，長79.5 m，設5孔弧形工作閘門，每孔凈寬12.0 m，堰頂高程369.00 m，孔口12.0 m×15.4 m。堰面為WES曲線，后接R=10.0 m的圓弧進入消力池。

經優(yōu)化壩體細石混凝土砌塊石工程量減少28%，溢流堰混凝土減少77%。溢流孔口減少2孔，且采用深式閘門，發(fā)電取水口設置高于溢流堰頂高程，取消了沖砂放空底孔。閘門啟閉設備減少3套，金屬結構工程量只增加約130 t，但運行維護管理方便。

引水隧洞采用有壓隧洞，采用“一洞雙機”、“一坡到底”方式布置，采用圓形全斷面鋼筋混凝土襯砌；根據動能經濟比較選擇內徑5.0 m，設計流速2.73 m/s。進水口為岸塔式結構，位于右岸壩前小沖溝處下游側，進水口高程設為371.5 m。斷面經調保計算可不設調壓井。

主廠房經優(yōu)化布置2臺水輪機發(fā)電機后，機組間距為10.0 m，主廠房凈空尺寸為：L×B×H=37.82 m×16.1 m×31.20 m，除長度增加7 m，高度、寬度與原方案相當。尾水管底板高程為353.00 m，設計安裝高程定為359.00 m，水輪機層高程為362.00 m，發(fā)電機層高程為368.00 m，副廠房、室內開關站布置于主廠房上游側。

電站經優(yōu)化裝機10 MW，增加42%，年發(fā)電量3 725 kW·h，增加32%，單位千瓦投資6 896.26元/kW，單位千瓦時投資1.96元/kW·h，降低50%。

項目2006年開始施工準備，2007年可研暨初設報告取得審查同意，因區(qū)域涉高速、高鐵等布局調整影響， 2010年批復興建，2013年投產發(fā)電。雖推遲建設投產，物價上升，投資增加到8 227萬元，經濟指標仍較好，經受多次超設計洪水考驗，安全可靠，發(fā)電量超過設計；如結合上游水庫建設和洪水資源化利用，效益將有較大提升空間，社會經濟效益良好。

4 結 論

(1)本項目建設，用好自然條件，提升資源綜合利用水平，進行設計總體方案優(yōu)化，取得較好的度電投資指標，滿足投資決策要求。

(2)河床式壩后電站多為日調節(jié)水電站，水庫大壩投資高低，是投資效益指標的主要影響因素；電站裝機與水庫規(guī)模等級匹配，甚至盡量降低水庫規(guī)模等級，減少單位裝機容量淹沒指標，提高水頭壩高比，有利于均衡技術經濟指標，降低開發(fā)難度。

(3)與大電網聯網運行水電站網內水電裝機比例下降，適當減少裝機利用小時數提高水能利用率，可顯著提高水能資源可開發(fā)性。減少機組臺數與送出線路，有利于簡化設備系統(tǒng)布局和運行維護成本。