路花水庫供水及發(fā)電建筑物綜合布置設(shè)計(jì)

張紀(jì)智

（廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況[1]

路花水庫位于賀州市平桂管理區(qū)黃田鎮(zhèn)姑婆山林場的下游，在賀江左岸一級支流馬尾河的右岸支流江華水（又名姑婆山河）上，是一座以供水為主，兼顧發(fā)電的綜合利用工程。水庫正常蓄水位為448.00 m，水庫總庫容為1297萬m3，最大壩高67 m。水庫單獨(dú)向賀州市供水的最大供水規(guī)模為10萬m3/d，遠(yuǎn)期（2030 年后）與下游和平?jīng)_水庫聯(lián)合的最大供水規(guī)模為13 萬m3/d，電站裝機(jī)2000 kW。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017），確定路花水庫規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。樞紐主要建筑物混凝土重力壩等按3級建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按4 級建筑物設(shè)計(jì)。本工程主要任務(wù)為供水，在確保供水需求的前提下，結(jié)合供水線路地形地質(zhì)條件在楊梅沖沖溝布置引水式廠房，充分發(fā)揮工程綜合效益，主要引供水發(fā)電建筑物包括獨(dú)立岸式取水口、1#輸水隧洞、壓力鋼管、楊梅沖電站、2#輸水隧洞、輸水管線等。

2 輸水線路選擇

2.1 供水線路方案布置

本工程供水水源為路花水庫，供水對象為賀州市區(qū)。水庫保證供水規(guī)模為6.8 萬m3/d，最大供水規(guī)模為10萬m3/d（水廠側(cè)），輸水管道設(shè)計(jì)輸水能力按最大供水規(guī)模10 萬m3/d（水廠側(cè)）設(shè)計(jì)，考慮7%的輸水損失及水廠自用水量，設(shè)計(jì)輸水流量為1.24 m3/s。結(jié)合取水口布置成果，輸水線路以供水為主結(jié)合電站發(fā)電初步選擇4個方案進(jìn)行比較：

（1）輸水線路方案1：水庫獨(dú)立岸式取水口→1#有壓長隧洞→新建楊梅沖電站→2#無壓長隧洞→輸水管道→擬建水廠。

（2）輸水線路方案2：水庫壩式取水口→壩后電站→1#無壓長隧洞→壓力鋼管→新建楊梅沖電站→2#無壓長隧洞→輸水管道→擬建水廠。

（3）輸水線路方案3：水庫壩式取水口→壩后電站→無壓長隧洞→現(xiàn)有路花二級電站→輸水管道→擬建水廠。

（4）輸水線路方案4：水庫壩式取水口→壩后電站→現(xiàn)有明渠→現(xiàn)有路花二級電站→輸水管道→擬建水廠。

各方案布置見圖1，布置圖中方案5為遠(yuǎn)期建設(shè)和平?jīng)_水庫取水方案，在此不再進(jìn)行比較。

圖1 路花水庫工程輸水方案總體布置示意圖

2.2 方案比較

（1）方案1取水口位于水庫上游，為獨(dú)立岸式進(jìn)水口，進(jìn)水口由豎井式放水塔控制。經(jīng)由放水塔放水后，進(jìn)入2.8 km的1#有壓長隧洞（含320 m長鋼襯段），出口接明鋼管（Φ900，長638 m）引入楊梅沖電站發(fā)電（安裝高程為238.49 m），再由電站尾水池接尾水渡槽及明渠（總長23 m）引至2#無壓隧洞，2#無壓隧洞段長3.818 km，出口接出水池，再進(jìn)入輸水管道（Φ900，長6.89 km）至廖家寨對面山坡擬建水廠附近。

（2）方案2后段線路（1#、2#輸水管、2#隧洞）與輸水線路方案1 一致，前段方案2 則采用了壩式取水口及壩后廠頂溢流式電站再接無壓輸水隧洞的布置（方案1為獨(dú)立進(jìn)水口接有壓隧洞引水布置）。經(jīng)計(jì)算，線路1 投資比線路2 總投資多512.39 萬元。從電站發(fā)電凈效益比較考慮，線路2 比線路1 增加發(fā)電收益（現(xiàn)值）341萬元，但線路2電站運(yùn)行管理較線路1 復(fù)雜，兩座電站總運(yùn)行成本（現(xiàn)值）增加622.51萬元，綜合發(fā)電效益及運(yùn)行成本考慮，線路2凈效益較線路1少281.51萬元?？紤]兩座電站運(yùn)行管理相對復(fù)雜，壩后廠頂溢流式電站對大壩施工干擾極大，極大地削弱了碾壓砼壩快速施工的優(yōu)勢。

（3）輸水線路方案3投資略多于方案1，且其隧洞出口地形陡峭，施工布置難度大，出渣非常困難；13.95 km輸水管道中有5.4 km位于賀州—姑婆山二級公路挖方段，需挖開公路方可施工，公路路基大部分為堅(jiān)硬的巖石，施工難度相當(dāng)大，且嚴(yán)重影響交通。

（4）輸水線路方案4輸水明渠輸水線路最長，土建投資最大，且渠道全線存在眾多地質(zhì)問題，因險峻的地形，施工交通無法解決，所有加固均需人工完成，除險加固難度非常大，且運(yùn)行及管理相對復(fù)雜。

綜合以上比選結(jié)果，近期工程輸水線路推薦采用方案1（路花水庫獨(dú)立岸式取水口→1#壓力長隧洞→壓力鋼管→新建楊梅沖電站→2#無壓長隧洞→輸水管道→擬建水廠），輸水隧洞由施工斷面控制，輸水管路的設(shè)計(jì)流量1.24 m3/s。

3 輸水系統(tǒng)建筑物設(shè)計(jì)

3.1 輸水系統(tǒng)總體布置

輸水系統(tǒng)建筑物主要包括獨(dú)立岸式取水口（閘門豎井側(cè)向進(jìn)水式）、1#壓力輸水隧洞、電站壓力明鋼管、2#無壓輸水隧洞及供水管道（至水廠）。因業(yè)主方對輸水線路終點(diǎn)擬建水廠進(jìn)水池的位置不明確，本階段設(shè)計(jì)考慮輸水線路敷設(shè)至廖家寨對面山坡，待業(yè)主與賀州市相關(guān)部門溝通確定水廠進(jìn)水池位置后再接入水廠即可。擬建輸水線路總長14.146 km，其中1#壓力隧洞長2.8 km（含320 m長鋼襯段），出口接明鋼管（Φ900，長638 m）進(jìn)入楊梅沖電站發(fā)電，再由電站尾水池接尾水渡槽及明渠（總長23 m）引至2#無壓隧洞，2#無壓隧洞段長3.818 km，出口接出水池，再進(jìn)入輸水管道（Φ900，長6.89 km）至廖家寨對面山擬建水廠附近。

3.2 取水口設(shè)計(jì)

取水口采用獨(dú)立豎井式取水口取水，進(jìn)水口位于大壩上游約300 m 的右岸岸坡（賀州市十八水山泉飲品有限公司附近），放水豎井位于1#壓力隧洞進(jìn)口段。隧洞進(jìn)口處自然坡度14°～35°，公路邊為填土，厚2～3 m，下部殘坡積土，層厚5～6 m，下伏基巖為黑云母花崗巖，粗粒結(jié)構(gòu)，其中全風(fēng)化層厚8～12 m。進(jìn)水渠底板高程404.0 m，長56 m，渠首設(shè)攔沙坎，坎頂高程407.5 m。豎井進(jìn)水口底板高程403.0 m，中心高程404.5 m，孔口尺寸3.0 m×3.0 m，基礎(chǔ)高程401.2 m。豎井直徑7.2 m，高52.8 m，布置有檢修閘門和工作閘門各一道，豎井頂高程454.0 m。

3.3 輸水隧洞設(shè)計(jì)

3.3.1 1#輸水隧洞

1#有壓輸水隧洞起點(diǎn)接大壩上游右岸約300 m的進(jìn)水口，至楊梅沖附近山體出洞，后接一段明鋼管引水至新建的楊梅沖電站，洞線總體為自北向南布設(shè)，隧洞全長2800 m，后接明鋼管段長約638 m。本工程1#有壓隧洞圍巖為Ⅱ～Ⅴ類，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力水頭為44～76 m，故采用圓形斷面。隧洞設(shè)計(jì)輸水流量僅為1.24 m3/s，流量很小，因此斷面尺寸按最小施工開挖斷面控制，圓形斷面洞徑為3 m。

隧洞圍巖除進(jìn)出口、斷層破碎帶及淺埋洞段等部位外基本為微風(fēng)化～新鮮的巖體，主要種類為花崗巖；隧洞進(jìn)出口及斷層破碎帶圍巖類別主要為Ⅳ～Ⅴ類，洞室段圍巖除淺埋段為Ⅳ類外，其余均為Ⅱ～Ⅲ類。因此隧洞進(jìn)出口、斷層破碎帶、淺埋洞段及不能滿足抗水劈裂部位（包括洞室Ⅱ～Ⅲ類段）的支護(hù)采用鋼筋混凝土襯砌或壓力鋼管+鋼筋混凝土襯砌，并設(shè)置臨時支護(hù)措施。其余洞身段則采取掛網(wǎng)噴混凝土厚0.1 m加系統(tǒng)砂漿錨桿（Φ22，L=2 m）支護(hù)。為提高圍巖承載能力和確保襯砌傳力至圍巖，隧洞襯砌段擬進(jìn)行上半圈180°范圍的回填灌漿，鋼板襯段還需進(jìn)行全斷面接觸灌漿。鋼筋混凝土襯砌與鋼板襯砌相接處附近設(shè)置帷幕灌漿，降低鋼襯段外水壓力。根據(jù)澆筑能力和溫度收縮等因素，隧洞襯砌澆筑分段長取為10～15 m。1#隧洞洞身段段典型斷面見圖2。

圖2 1#隧洞洞身典型襯砌斷面圖

3.3.2 2#輸水隧洞

隧洞自楊梅沖電站右側(cè)山腳至西田口附近廢棄礦山山坡處，進(jìn)出口分別與楊梅沖電站尾水渡槽及輸水管線相接，出口設(shè)出水池、放水閘。隧洞為無壓洞，洞線總體為自北向南布設(shè)，全長3 818 m，走向S3.20°W，隧洞底高程234.5～212.0 m，底坡i=2‰～8.8‰。隧洞進(jìn)口緊挨楊梅沖電站，只需修筑少量步級即可與電站管理平臺連通，可滿足隧洞進(jìn)口管理維護(hù)的要求。隧洞出口需修建長約650 m的管理道路與輸水管線管理道路相接。

2#隧洞為無壓輸水隧洞，圍巖為Ⅱ～Ⅴ類，通過水力學(xué)計(jì)算并綜合考慮施工要求，確定2#隧洞斷面采用城門洞型，隧洞設(shè)計(jì)輸水流量僅為1.24 m3/s，流量很小，因此斷面尺寸按最小施工開挖斷面控制，襯護(hù)后的斷面底寬2.2 m，高2.7 m。隧洞進(jìn)口底板高程234.5 m，出口底板高程212 m，底坡i=2‰～8.8‰，緩坡段正常水深為0.47 m。

隧洞進(jìn)出口及淺埋洞段圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類，質(zhì)量較差，需采用鋼筋混凝土襯砌。其余洞段圍巖基本為微風(fēng)化～新鮮的巖體，洞室圍巖為黑云母花崗巖，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以微風(fēng)化為主，巖石堅(jiān)硬，圍巖類別整體為Ⅱ～Ⅲ類。結(jié)合合理安排施工開挖程序，以充分利用圍巖的自承能力和有效的噴錨支護(hù)作為永久支護(hù)，采取掛網(wǎng)噴混凝土厚0.1 m加系統(tǒng)砂漿錨桿（Φ22，L=2 m）支護(hù)，為減小隧洞糙率，底板鋪設(shè)150 mm 厚素混凝土。為確保隧洞襯砌與圍巖接觸密實(shí)，隧洞襯砌頂拱段擬進(jìn)行回填灌漿。根據(jù)澆筑能力和溫度收縮等因素，隧洞襯砌澆筑分段長取為10～15 m。

2#輸水隧洞鋼筋混凝土襯砌典型斷面見圖3。

3.4 輸水管道設(shè)計(jì)

（1）楊梅沖電站進(jìn)水壓力鋼管。廠房進(jìn)水壓力鋼管緊接1#壓力隧洞出口，至楊梅沖電站止，管段總長約638 m。鋼管管徑根據(jù)經(jīng)濟(jì)比較并考慮楊梅沖電站發(fā)電效益的要求，經(jīng)計(jì)算壓力鋼管直徑為0.9 m，樁號G0+000～G0+196段壁厚為10 mm，樁號G0+196～G0+638 段壁厚為12 mm。明管段底部高出地面0.6 m，以便于維護(hù)和檢修，其間共設(shè)15個鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩間的支墩間距一般為10～15 m，支墩總計(jì)42個。兩相鄰鎮(zhèn)墩之間設(shè)置伸縮節(jié)，伸縮節(jié)靠近上鎮(zhèn)墩，間距約2 m，伸縮節(jié)后2 m 再設(shè)置支墩。為保證電站機(jī)組檢修停止運(yùn)行時，輸水工程仍能正常進(jìn)行，壓力鋼管進(jìn)入廠房前經(jīng)“卜”型岔管分設(shè)一根直徑0.8 m 的備用放水管，管壁厚10 mm，備用放水管接至電站尾水池，長度為44.4 m。

（2）水廠供水壓力鋼管。水廠輸水管道起點(diǎn)緊接2#隧洞出水池，沿賀州至姑婆山二級公路路邊敷設(shè)，途經(jīng)湖洋壩、劉屋、洪屋、鄭屋等，最后到達(dá)擬建水廠，輸水管道總長達(dá)6.89 km，設(shè)計(jì)輸水流量僅1.24 m3/s，最大水頭差47.47 m。為滿足供水水質(zhì)要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性要求，管道全段選用壓力等級為1.4 MPa的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管。

3.5 發(fā)電廠房設(shè)計(jì)

電站廠址位于楊梅沖屯附近，為避免占用基本農(nóng)田及減少開挖量，電站跨楊梅沖沖溝布置，主廠房利用沖溝左側(cè)開挖平臺布置，副廠房緊鄰主廠房采用跨沖溝布置，汛期沖溝50 a一遇洪水通過副廠房下部原沖溝排向下游。

3.5.1 主機(jī)間及安裝間布置設(shè)計(jì)

主廠房由主機(jī)間和安裝間組成，主廠房內(nèi)安裝臥軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量2000 kW。水輪機(jī)型號為CJA475-W-110/2×12.5，發(fā)電機(jī)型號為SFW2 000-12/2300。根據(jù)機(jī)組尺寸、機(jī)電設(shè)備布置和吊運(yùn)要求、設(shè)備檢修要求確定主廠房尺寸長為18 m，寬為14.6 m。按單臺機(jī)滿發(fā)確定的下游水位為236 m，沖擊式轉(zhuǎn)輪安裝須高于尾水水面，并考慮0.3 m通風(fēng)高度的要求，結(jié)合排除高度、轉(zhuǎn)輪直徑，確定機(jī)組安裝高程為238.49 m。電站發(fā)電尾水經(jīng)跨沖溝渡槽與2#隧洞進(jìn)口連接，向下游水廠供水。

主廠房內(nèi)安裝有1 臺16 t 雙梁橋式起重機(jī)，跨度為13 m，根據(jù)設(shè)備起吊要求確定軌頂高程為244.860 m。主機(jī)間1 層，發(fā)電機(jī)層高程為237.860 m，安裝間與主機(jī)間同高，發(fā)電機(jī)層主要布置調(diào)速器、機(jī)旁盤。廠內(nèi)設(shè)置有進(jìn)水球閥坑，配有QF250-WY-60型液控重錘球閥，含伸縮節(jié)、前后壓力平衡管段。

3.5.2 副廠房、主變及出線場布置設(shè)計(jì)

副廠房位于主廠房右側(cè)，采用跨溝布置，共1層，地面高程與主機(jī)間同高，長為18 m，寬為14 m，平面呈“L”型布置。副廠房主要結(jié)構(gòu)為簡支梁橋，梁底高程滿足沖溝下泄50 a 一遇洪水流量要求。副廠房地面采用架空材料抬高至與主機(jī)間地面平齊，架空層可布置控制電纜，電纜通過防火墻、樓板和進(jìn)出機(jī)旁盤、開關(guān)柜、配電盤、控制箱、繼電保護(hù)盤等處的孔洞一律采用耐火材料封堵。副廠房主要布置有中控室、6.3 kV開關(guān)柜室、35 kV配電柜室。升壓主變場位于室外，緊鄰副廠房上游側(cè)，同樣布置于跨沖溝梁橋之上。出線場位于沖溝右側(cè)岸坡，35 kV出線從出線柜引出后通過穿墻套管引上戶外出線門架。

3.5.3 調(diào)流閥室布置設(shè)計(jì)

為滿足在機(jī)組檢修或不發(fā)電期間的城市供水需求，在明鋼管進(jìn)入電站前設(shè)1根備用放水岔管（直徑Φ800 mm）直接連至電站尾水池，備用放水岔管設(shè)流量調(diào)節(jié)閥控制，可經(jīng)跨沖溝渡槽與2#隧洞進(jìn)口連接，向下游水廠供水。

4 工程特點(diǎn)及設(shè)計(jì)優(yōu)化

本工程主要任務(wù)為城市供水，線路選擇以滿足供水要求為主。經(jīng)輸水線路比選后，最終確定電站站址位于楊梅沖沖溝旁。因工程建設(shè)區(qū)域鄰近姑婆山旅游風(fēng)景區(qū)，宜減少工程建設(shè)對原有生態(tài)環(huán)境影響，避免高挖高填。廠房選址還受基本農(nóng)田占用、沖溝原有渠道引水灌溉、進(jìn)廠交通道路銜接、景區(qū)交通道路等諸多問題制約。為避免占用基本農(nóng)田及減少開挖量，滿足施工期、運(yùn)行期及姑婆山景區(qū)交通需求，最終選擇了廠房跨沖溝布置方案。利用岸邊局部開挖平臺布置主廠房，在沖溝兩側(cè)修建橋臺，利用跨溝簡支梁橋結(jié)構(gòu)布置副廠房、主變場等，較好地實(shí)現(xiàn)了工程目標(biāo)。

5 結(jié)語

本工程為以供水為主、兼顧發(fā)電的綜合利用工程，在充分保障城市供水的首要任務(wù)前提下，從線路選擇、結(jié)構(gòu)布置等多方面進(jìn)行比較、優(yōu)化，科學(xué)合理的選定了工程建設(shè)方案，達(dá)到了綜合利用的目的，提高了工程綜合效益。