薄嶺水電站增容改造方案優(yōu)化

楊若軒，孔繁

(商洛市水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，陜西 商洛 726000)

1 概 述

薄嶺水電站位于陜西省山陽(yáng)縣，是金錢河干流山陽(yáng)段水電資源開發(fā)規(guī)劃中第6級(jí)電站，為了提高水能資源利用，增大發(fā)電量，需對(duì)電站增容改造方案進(jìn)行優(yōu)化。

薄嶺水電站建成于20世紀(jì)80年代末，裝機(jī)容量3×630 kW，設(shè)計(jì)引水流量17 m3/s，設(shè)計(jì)水頭10.5 m。攔河壩為漿砌石重力壩，建于改河山埡巖基上，壩長(zhǎng)82 m。攔河壩流域面積4 235 km2，多年平均徑流量10.62×108m3，P=80%日均流量8.4 m3/s，電站多年平均發(fā)電量856.0×104kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)6 794 h。廠房緊靠壩左岸山坡，引水隧洞長(zhǎng)69.1 m，沖沙洞長(zhǎng)29.9 m，壓力洞長(zhǎng)27.6 m。

2 樞紐工程方案比較

為了提高水能資源利用，根據(jù)薄嶺水電站增容改造工程的實(shí)際情況，初選方案時(shí)，對(duì)可能的站址位置進(jìn)行了綜合比較，最終確定電站站址在原薄嶺水電站左側(cè)50 m處。經(jīng)實(shí)地踏勘，電站廠址位于金錢河左岸，現(xiàn)電站與原老電站之間的坡腳地段，廠區(qū)斜坡角度50°～75°，斜坡頂部局部出現(xiàn)倒坡現(xiàn)象，該處也是泥盆系與第三系地層接觸部位。廠區(qū)斜坡巖層傾向與坡向相反，有利于邊坡穩(wěn)定。除此之外，在廠區(qū)地表未發(fā)現(xiàn)其他不良工程地質(zhì)現(xiàn)象存在，因此滿足修建該工程的工程地質(zhì)條件。為最大限度地利用原電站已有建筑物，薄嶺水電站增容改造項(xiàng)目樞紐工程設(shè)計(jì)僅采用原壩加高2 m與原壩高不變兩種方案進(jìn)行比較(見表1)。

表1 兩種方案下的沖沙閘主要參數(shù)對(duì)比

2.1 原壩高不變方案

原攔河壩高程不變，為302.00 m，僅在原壩段的左壩基增設(shè)沖沙閘1孔。攔河壩堰上設(shè)計(jì)洪水位309.76 m，校核洪水位311.68 m；下游河道設(shè)計(jì)洪水位296.56 m，校核洪水位297.68 m。

2.2 原壩加高方案

加高原攔河壩2 m，壩頂高程加至304.00 m，在壩段的左壩基增設(shè)沖沙閘1孔。加高壩體與原壩體之間采用直徑為16 mm的錨桿(二級(jí)鋼筋)拉接，間距1 m，梅花型布設(shè)。中間采用M7.5漿砌石填筑，溢流面采用C15鋼筋混凝土護(hù)面。

攔河壩堰上設(shè)計(jì)洪水位311.71 m，校核洪水位313.62 m；壩下游河道設(shè)計(jì)洪水位296.56 m，校核洪水位297.68 m。增設(shè)沖沙閘布置在壩體的左壩肩，與原沖沙閘軸線平行布置。沖沙閘門采用平面鋼筋混凝土閘門，門葉為梁板結(jié)構(gòu)，采用手電兩動(dòng)螺桿式啟閉機(jī)操作。沖沙閘前設(shè)檢修門槽，關(guān)閉時(shí)采用備用的木質(zhì)疊粱。閘室設(shè)在攔河壩砌體上，并采用鋼筋混凝土襯砌。沖沙閘及檢修平臺(tái)操作采用鋼筋混凝土梁、板結(jié)構(gòu)，下部支撐采用排架及漿砌石、混凝土墩臺(tái)，上部設(shè)置磚混結(jié)構(gòu)啟閉機(jī)房，建筑面積為25 m2。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較可知，原壩高不變方案投資19.34萬(wàn)元，原壩加高方案投資181.59萬(wàn)元。

3 進(jìn)水口

進(jìn)水口為新修工程，方案比較在樞紐工程方案比較的基礎(chǔ)上進(jìn)行(見表2)。

表2 兩種方案進(jìn)水閘主要參數(shù)對(duì)比

3.1 原壩高不變方案

薄嶺水電站增容改造工程屬低壩大流量引水式電站，設(shè)計(jì)引水流量32 m3/s。根據(jù)電站實(shí)際地質(zhì)地貌分析：引水洞出口山崖陡峭，巖石結(jié)構(gòu)差，不適宜布置洞式或明挖前池；而輸水隧洞進(jìn)口處有寬敞的地形適合布置流量調(diào)節(jié)池和進(jìn)水口建筑物，水流經(jīng)導(dǎo)流渠到進(jìn)水口，經(jīng)壓力洞到廠區(qū)。在筑壩取水的情況下，進(jìn)水口與原電站進(jìn)口相距50 m，河水水流經(jīng)50 m明渠導(dǎo)流至進(jìn)水口；導(dǎo)流堤左岸長(zhǎng)152 m，右岸長(zhǎng)43 m，迎水面坡比1∶0.75，堤高5.5 m，渠底平均寬10.5 m，堤墻為M7.5漿砌石，渠底鋪20 cm厚混凝土。渠道底板高程298.00 m，高于沖沙道底板2 m，渠道設(shè)計(jì)水位取攔水壩頂高程302.00 m，堤頂超高取1.5 m,即高程303.50 m。渠道容積3 000 m3左右，滿足電站設(shè)計(jì)流量32 m3/s時(shí)調(diào)節(jié)需要。在設(shè)計(jì)引水流量32 m3/s時(shí)，經(jīng)水力計(jì)算進(jìn)口為雙孔進(jìn)水，閘室進(jìn)口前設(shè)0.50 m高的攔沙坎，并于工作閘前設(shè)攔污柵、檢修疊梁槽，閘室后經(jīng)10 m收縮段與壓力隧洞銜接。

進(jìn)水閘門采用平面鋼閘門，采用單吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)控制；攔污柵采用型鋼焊接而成。閘室及閘墩采用鋼筋混凝土澆筑在巖石基礎(chǔ)上；進(jìn)水閘及攔污柵操作平臺(tái)采用鋼筋混凝土梁、板結(jié)構(gòu)，下部支撐采用排架、混凝土墩臺(tái)，上部設(shè)置磚混結(jié)構(gòu)啟閉機(jī)房，建筑面積各為52 m2。擬定啟、閉門力按在動(dòng)水中啟閉、設(shè)計(jì)洪水位情況下考慮。經(jīng)計(jì)算，選用單吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式25 t啟閉機(jī)2臺(tái)。

3.2 原壩加高方案

從電站實(shí)際地質(zhì)地貌看，采用在輸水洞進(jìn)口處布置調(diào)節(jié)池和進(jìn)水建筑物方案。在筑壩取水的情況下，水流經(jīng)56 m明渠導(dǎo)流至進(jìn)水口，導(dǎo)流堤左岸長(zhǎng)152 m，右岸長(zhǎng)46 m，迎水面坡比1∶0.75，堤高6.8 m，渠底寬平均8 m。渠道底板高程298.00 m，高于沖沙道底板2 m，渠道設(shè)計(jì)水位為攔河壩壩頂高程304.00 m，堤頂超高取0.8 m，堤頂高程為304.80 m。按上述尺寸估算，渠道容積約4 200 m3左右，滿足電站設(shè)計(jì)流量32 m3/s時(shí)調(diào)節(jié)需要。采用單孔進(jìn)水，閘室進(jìn)口前設(shè)1.0 m高的攔沙坎，并于工作閘前設(shè)攔污柵、檢修疊梁槽，閘室后經(jīng)10 m收縮段與輸水隧洞銜接。進(jìn)水閘門與不加高方案相同，進(jìn)水閘上部的啟閉機(jī)房，建筑面積為48 m2。

按在動(dòng)水中啟閉、設(shè)計(jì)洪水位情況下擬定進(jìn)水閘啟、閉門力，經(jīng)計(jì)算，選用40 t雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)1臺(tái)。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較可知，原壩加高方案進(jìn)水口投資262.96萬(wàn)元，原壩高不變方案進(jìn)水口投資240.50萬(wàn)元。

4 輸水隧洞

根據(jù)實(shí)際地形條件，薄嶺水電站增容改造工程輸水隧洞的洞線方案選擇兩種方案進(jìn)行比較。

方案一：采用聯(lián)合供水的方式，過水流量32.0 m3/s，洞線長(zhǎng)度132 m，開挖方量3 326 m3,混凝土襯砌759 m3，比降1/1 000，過水?dāng)嗝?.25 m(高)×3.8 m(寬)，主要工程費(fèi)用134.4萬(wàn)元。

方案二：采用獨(dú)立供水方式，單洞過水流量16.0 m3/s，開挖方量4 200 m3,混凝土襯砌956 m3。比降1/1 000，過水?dāng)嗝?.2 m(高)×3.0 m(寬)，洞線長(zhǎng)度分別為123.2 m和135.0 m，主要工程費(fèi)用190.1萬(wàn)元。

經(jīng)比較，方案一施工簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，開挖方量及混凝土襯砌量皆比方案二小。經(jīng)綜合考慮，確定選用方案一聯(lián)合供水方案作為本工程的采用方案。

5 水能計(jì)算比較

薄嶺水電站設(shè)計(jì)保證率取85%，月均保證流量Q85%=7.6 m3/s。經(jīng)布置，原壩高不變方案初估電站設(shè)計(jì)發(fā)電水頭H=10.0 m；原壩加高方案初估電站設(shè)計(jì)發(fā)電水頭H=12.0 m，分別按兩種水頭進(jìn)行水能計(jì)算及裝機(jī)容量的確定。

5.1 保證出力

計(jì)算公式：N保=AηQH

式中，N保為電站設(shè)計(jì)保證出力(kW)；A為水輪發(fā)電機(jī)組的出力系數(shù)，根據(jù)初選機(jī)組確定為A=8.3；η為渠道輸水系數(shù)；Q為保證率P=85%月均流量，為7.6 m3/s；H為規(guī)劃發(fā)電凈水頭，兩種方案分別為12.0、10.0 m。

代入數(shù)據(jù)分別計(jì)算得保證出力為原壩高不變方案N=631 kW，原壩加高方案N=757 kW。

5.2 電站裝機(jī)容量方案比較

利用上游南寬坪水文站1965—2000年月均流量資料，并根據(jù)上游猛柱山水電站下泄流量，出力系數(shù)按初選機(jī)組確定為A=8.3。對(duì)確定的4種裝機(jī)方案，分別計(jì)算出各裝機(jī)容量下的多年平均年發(fā)電量及年利用小時(shí)(注：原電站裝機(jī)容量2×630 kW，發(fā)電流量2×8.5 m3/s，發(fā)電水頭10.5 m)。

根據(jù)水能計(jì)算和業(yè)主意見，初選適宜本工程的水輪發(fā)電4種裝機(jī)組合形式(見表3)。

表3 裝機(jī)容量方案比較

各裝機(jī)方案的裝機(jī)容量變化對(duì)工程造價(jià)的影響主要是由于發(fā)電流量變化而引起的，發(fā)電流量的大或小是決定總造價(jià)的主要因素。

由于引水樞紐僅起到穩(wěn)定水位、固定進(jìn)水口的作用，相同水頭情況下各裝機(jī)方案中其造價(jià)變化幅度很小。受裝機(jī)容量影響，造價(jià)變化較大的項(xiàng)目主要是輸水建筑物、壓力洞以及廠區(qū)工程。這是因?yàn)?，在發(fā)電水頭不變的前提下，裝機(jī)容量變化所要求的發(fā)電流量有較大的變化，因而使得輸水建筑物過水?dāng)嗝?、壓力洞等涉及發(fā)電流量因素的水工建筑物變化較大。但對(duì)于本工程而言，由于薄嶺水電站為壩后式，輸水建筑物只有1條輸水隧洞，且洞線長(zhǎng)度較短，約為130 m；壓力洞軸線長(zhǎng)度只有27.3 m。因而，相同水頭下裝機(jī)容量的變化對(duì)造價(jià)的影響較小，所以薄嶺水電站增容改造裝機(jī)容量方案主要應(yīng)從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面來比較。

從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來看，由于發(fā)電水頭一定，增加裝機(jī)容量對(duì)單位容量造價(jià)具有一定的降低作用；但由于發(fā)電水頭和河道徑流過程是確定的，年發(fā)電量雖也有所增加，但并非是與裝機(jī)容量同比例增加，相對(duì)年發(fā)電量增加較??；加之本工程為增容改造工程，在保證增容改造電站效益的前提下，應(yīng)盡可能使原電站亦發(fā)揮最大效益。從表3可以看出，發(fā)電水頭一定情況下，考慮原電站發(fā)電效益，方案一較方案二平均年發(fā)電量增加25萬(wàn)kW·h，方案三與方案四平均年發(fā)電量基本相同。因此，增加裝機(jī)容量，相同水頭條件下，對(duì)單位容量造價(jià)雖然有較好的影響，但對(duì)單位電能造價(jià)反而具有不利影響。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析，考慮建設(shè)方為了較多利用金錢河河道豐水期水量、提高電站經(jīng)濟(jì)效益的意愿，并與委托方充分協(xié)商，本工程推薦采用方案二(2×1 600 kW)、方案四(2×1 250 kW)。

5.3 方案確定

進(jìn)一步對(duì)方案二、方案四細(xì)化設(shè)計(jì)，估算投資，計(jì)算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，分別進(jìn)行國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)(見表4)。

表4 方案比較

由表4中可以看出，方案二在平均年發(fā)電量、單位容量投資、單位電能投資、國(guó)民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)方面明顯優(yōu)于方案四；因此推薦采用方案二，即裝機(jī)容量2×1 600 kW，規(guī)劃發(fā)電水頭12 m。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過分析計(jì)算，薄嶺水電站增容改造工程為壩后電站，壩址位于金錢河下游段的漫川鎮(zhèn)下薄嶺處，壩址處控制面積4 235 km2。確定采用方案為：將原攔河壩加高2 m，在距原電站進(jìn)口約50 m處設(shè)置進(jìn)水口，進(jìn)水口后設(shè)1條輸水隧洞，設(shè)計(jì)流量為32.0 m3/s，總長(zhǎng)度132 m。電站廠區(qū)坐落在在原薄嶺水電站左側(cè)50 m處，由壓力洞、廠房、尾水渠、變電站、防洪堤等部分組成。新增裝機(jī)容量3 200 kW(2×1 600 kW)。平均年發(fā)電量2 050×104kW·h(其中：增容改造電站1 742×104kW·h，原薄嶺水電站308×104kW·h)，新增容改造電站年利用小時(shí)5 442 h，原薄嶺水電站年利用小時(shí)2 447 h。