小南海水電站廠房設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題研究

摘要：小南海水電站為低水頭徑流式電站，共布置14臺(tái)單機(jī)容量為145 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，總裝機(jī)容量為2 030 MW。首先對(duì)小南海水電站廠房總體布置原則及進(jìn)廠交通、運(yùn)維管理等進(jìn)行了總體闡述，隨后通過三維有限元及水工模型試驗(yàn)等分析方法，研究了引水渠側(cè)向引水方式的水流流速、流態(tài)及泥沙淤積等問題。此外針對(duì)低水頭、大流量條件下電站廠房的排沙設(shè)計(jì)布置進(jìn)行了介紹，分析了廠房的深層抗滑穩(wěn)定性。研究涉及的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)的分析與處理方法，可為其他同類工程提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：水電站廠房布置；排沙設(shè)計(jì)；整體穩(wěn)定分析；流道設(shè)計(jì)；小南海水電站

中圖法分類號(hào)：TV222 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.029

0 引言

小南海水電站位于長江宜賓至重慶河段重慶市境內(nèi)，是《長江流域綜合利用規(guī)劃簡(jiǎn)要報(bào)告》推薦梯級(jí)開發(fā)方案的重要樞紐，是三峽水利樞紐的上游銜接梯級(jí)。工程主要開發(fā)任務(wù)是發(fā)電、航運(yùn)，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。工程建設(shè)后還具有改善重慶河段淤積形態(tài)、供水灌溉等綜合效益。

按照設(shè)計(jì)方案，小南海水電站為低水頭徑流式電站，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大（1）型，主要建筑物包括溢流壩、電站廠房、雙線單級(jí)船閘、擋水建筑物及仿自然過魚通道。永久性主要建筑物溢流壩、擋水壩、電站廠房、船閘閘首、閘室等為1級(jí)建筑物，永久性次要建筑物仿自然過魚通道、導(dǎo)墻等為3級(jí)建筑物?？傮w推薦樞紐布置格局為：左河槽左岸布置雙線一級(jí)船閘，左右河槽分別布置21孔、16孔河床溢流壩，河床電站廠房布置14臺(tái)單機(jī)容量145 MW軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組（總裝機(jī)容量2 030 MW），布置在大中壩左右兩側(cè)。大壩為混凝土重力壩，壩頂高程204 m，最大壩高68 m，壩頂總長度約2 132 m。小南海水電站地理位置見圖1。

本文將詳細(xì)介紹小南海水電站廠房的整體設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，以期為其他電站廠房提供參考^［1-5］。

1 廠房設(shè)計(jì)總體介紹

1.1 地形地貌及地質(zhì)條件

壩址兩岸地貌為構(gòu)造剝蝕低山丘陵。左岸臨江山體坡頂高程220～240 m，坡度15°～25°，跳蹬溪逆流方向繞過左壩肩向壩后延伸較遠(yuǎn)，溝內(nèi)常年有水，多年平均流量為0.89 m³/s，洪水季節(jié)流量較大。右岸臨江山體坡頂高程230～380 m，坡度15°～35°。

壩址區(qū)位于觀音峽背斜與南溫泉背斜間的金鰲寺向斜內(nèi)，金鰲寺向斜軸呈近SN方向斜穿壩軸線，左岸巖層走向353°，壩肩一帶地層傾角49°～65°，巖層傾向下游偏右岸；向斜核部?jī)A角平緩，右岸巖層走向341°，壩肩一帶地層傾角4°～10°，微傾上游偏左岸，兩岸皆屬視順向?qū)訝畎镀?。巖層走向與河流交角變化較大，總體為斜交橫向谷，大中壩上游巖層走向與河流交角為65°～75°，在大壩軸線一帶，巖層走向與主河床交角約30°，與汊河交角約45°。

壩區(qū)地形平緩，崩塌、滑坡體、危巖體不發(fā)育，兩岸岸坡巖體卸荷作用問題不突出，壩區(qū)工程邊坡一般不是很高，巖層平緩，邊坡整體穩(wěn)定條件較好。考慮到邊坡巖體中存在剪切帶和巖層層面，紅層地區(qū)侏羅系遂寧組與沙溪廟組巖體宜風(fēng)化、遇水易崩解等特點(diǎn)，為防止邊坡巖體風(fēng)化、崩解剝落及減少雨水入滲，需對(duì)邊坡采取臺(tái)坎式開挖及混凝土襯護(hù)等工程保護(hù)措施。

1.2 主要地質(zhì)問題

1.2.1 抗滑穩(wěn)定問題

根據(jù)壩基下剪切帶發(fā)育及巖體結(jié)構(gòu)面組合情況，壩基抗滑破壞模式主要為深層滑動(dòng)，包括單面滑移和雙面滑移兩種模式。單面滑動(dòng)主要位于左、右岸溢流壩段，防淘墻底高程在136～151 m之間，開挖深度一般為5.5～12.5 m，最深約18.5 m。當(dāng)壩體與防淘墻之間的建基面下存在順江延伸較長的剪切帶時(shí)，溢流壩壩段在庫水推力作用下，沿剪切帶發(fā)生單面滑移模式，從防淘墻臨空處剪出。雙面滑動(dòng)根據(jù)壩后抗力體緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，可概化為兩種平面滑移模式：剪切帶+巖橋+中、緩傾角結(jié)構(gòu)面，以及剪切帶+巖體破壞面組合滑移型。應(yīng)根據(jù)不同壩段剪切帶的發(fā)育情況，進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算，相應(yīng)采取不同的抗滑穩(wěn)定處理措施。

1.2.2 軟巖快速風(fēng)化

紅層地區(qū)巖石（包括黏土巖、粉砂質(zhì)黏土巖和黏土質(zhì)粉砂巖等）具有失水干裂，再遇水崩解進(jìn)而成泥的風(fēng)化特征。壩區(qū)紅色碎屑巖抗風(fēng)化能力差，微新粉砂質(zhì)黏土巖及黏土質(zhì)粉砂巖的耐崩解性指數(shù)為57.8%～83.1%，耐崩解性中等。

在不同季節(jié)室內(nèi)、室外試驗(yàn)表明軟巖在2～12 h裂紋增多，24 h后減緩并趨于穩(wěn)定，表明軟巖開挖后及時(shí)防護(hù)是非常重要的。小南海水電站壩址區(qū)軟巖存在快速風(fēng)化特性，建議對(duì)紅層軟巖開挖形成的建基面采取防止巖體失水、高溫暴曬等措施，以免巖體快速風(fēng)化。

1.2.3 中—強(qiáng)透水帶問題

河床覆蓋層下部為砂卵礫石層，屬中—強(qiáng)透水，局部極強(qiáng)透水，最大滲透系數(shù)1.78 cm/s。通過大中壩上鉆孔的地下水位長期觀測(cè)資料可知，江心洲地下水位與左、右汊河江水位存在明顯的水力聯(lián)系。

壩區(qū)附近共揭示中—強(qiáng)透水帶14處，從中—強(qiáng)透水的發(fā)育高程看，主要存在于淺表部基巖面下15 m范圍內(nèi)，局部達(dá)30～40 m。

1.3 廠房總體設(shè)計(jì)

在樞紐總體布置格局基本確定的條件下，電站建筑物的總體布置主要考慮了以下影響因素：下游尾水出流、電氣主接線、過魚建筑物布置、進(jìn)廠交通、運(yùn)行管理等。左右電廠分別通過左右河汊取水及出流，過魚建筑物需利用下游兩側(cè)尾水邊坡布置，因此，選擇將安裝場(chǎng)布置在廠房中段、機(jī)組段，分左右兩側(cè)布置。研究表明，將安裝場(chǎng)布置在中段，左右電廠共用一個(gè)安Ⅰ段作為卸貨場(chǎng)；可共用一套電廠運(yùn)行輔助系統(tǒng)；廠房橋機(jī)、上下游門機(jī)均可通廠運(yùn)行，可減少橋機(jī)、門機(jī)數(shù)量；安裝場(chǎng)距大中壩島近，便于布置進(jìn)廠交通；運(yùn)行管理可集中布置，有利于電廠安全運(yùn)行。經(jīng)綜合考慮，電站廠房總體設(shè)計(jì)如下：

（1）電站廠房位于江心大中壩島中段，沿壩軸線布置在左、右岸泄洪建筑物之間，采用帶排沙底孔的河床式廠房，共安裝有14臺(tái)單機(jī)容量為145 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，總裝機(jī)容量為2 030 MW。

（2）電站建筑物由引水渠、主廠房、安裝場(chǎng)、尾水渠等組成，安裝場(chǎng)布置在廠房中段（其中安裝場(chǎng)下部有魚道通過），安裝場(chǎng)左側(cè)布置8臺(tái)機(jī)組、右側(cè)布置6臺(tái)機(jī)組。從左至右分別為左廠1～8號(hào)機(jī)組段、左廠安Ⅲ段、左廠安Ⅱ段、安Ⅰ段、右廠安Ⅱ段、右廠安Ⅲ段，右廠9～14號(hào)機(jī)組段。

引水渠、主廠房、尾水渠均由開挖大中壩島形成，由于魚道的分隔，左、右電廠引水渠分別從大中壩島兩側(cè)河道取水，為側(cè)向進(jìn)流。尾水渠分別從下游大中壩島兩側(cè)河道出流，為斜向出流。為使水流平順，引水渠體型采用弧形岸坡線由安裝場(chǎng)處平順連接至兩側(cè)的上游岸坡；尾水渠體型采用斜向（與廠房軸線夾角60°）岸坡線由安裝場(chǎng)處平順連接至兩側(cè)的下游岸坡。其中，左、右電廠尾水渠以及左廠引水渠岸坡還布置有魚道設(shè)施。

2 電站廠房設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

2.1 左右電廠裝機(jī)臺(tái)數(shù)分布

為方便機(jī)組“兩機(jī)一變”的主接線要求，以及電站的出線要求，左右電廠機(jī)組臺(tái)數(shù)宜設(shè)置為偶數(shù)；左、右汊河道水流的分流比約2∶1。水工模型試驗(yàn)表明，運(yùn)行過程中左、右電廠宜均勻開啟，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)基本相當(dāng)時(shí)，下游尾水出流的相互頂托影響較小，有利于增加發(fā)電水頭。因此，左右電廠的裝機(jī)臺(tái)數(shù)為左廠8臺(tái)、右廠6臺(tái)。

2.2 引水渠布置設(shè)計(jì)

引水渠設(shè)計(jì)應(yīng)該力求水流平順，減少水頭損失，避免泥沙淤積，并減少工程量。采用三維有限元軟件及水工模型試驗(yàn)，對(duì)引水渠水流流速、流態(tài)及泥沙淤積形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)樞紐總體布置并綜合考慮水工模型試驗(yàn)結(jié)果，電站建筑物布置在左、右岸泄洪建筑物之間，所處位置為江心大中壩島中段，引水渠由開挖大中壩島形成。根據(jù)廠房總體布置及上下游河道布置，左、右電廠引水渠均采用側(cè)向引水的布置型式。引水渠廠前平均流速為0.6～0.8 m/s，表面最大流速約1.0 m/s左右。引水渠內(nèi)流速分布較均勻，可基本滿足設(shè)計(jì)要求。廠房采用側(cè)向引水的方式，電廠引水渠內(nèi)會(huì)形成一定范圍的回流區(qū)。但回流區(qū)流速較小，機(jī)組滿發(fā)時(shí)回流流速僅0.6 m/s左右，對(duì)水頭損失影響較小，對(duì)電站發(fā)電的影響有限。引水渠設(shè)置攔沙坎后可有效減緩粗沙過機(jī)對(duì)機(jī)組的不利影響。

2.3 尾水渠布置設(shè)計(jì)

尾水渠設(shè)計(jì)除滿足電站發(fā)電運(yùn)行的水力要求外，還應(yīng)兼顧下游通航及過魚的水流條件及要求。采用水工模型試驗(yàn)，對(duì)尾水渠水流流速、流態(tài)及沖淤情況進(jìn)行分析。運(yùn)行期，左、右電廠尾水區(qū)流態(tài)基本相似。在尾水渠反坡段內(nèi)水流紊動(dòng)較強(qiáng)烈，流態(tài)不穩(wěn)定，基本為亂流泡漩，水流出尾水渠反坡段后進(jìn)入平直段，水流向外側(cè)擴(kuò)散，流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定；尾水區(qū)末端凸出的岸線有一定的阻水作用，但未形成明顯的壅水，左、右電廠尾水出流基本順暢。運(yùn)行工況下，左、右電廠尾水渠內(nèi)水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，無泥沙淤積，尾水渠下游段流速較大，河床產(chǎn)生一定的沖刷。樞紐運(yùn)行20 a末，左廠壩軸線下游450 m范圍內(nèi)河床平均沖深3.2 m，最大沖坑深6.3 m；右廠壩軸線下游450 m范圍內(nèi)河床平均沖深3.5 m，最大沖坑深6.5 m，如圖3所示。

根據(jù)樞紐總體布置并綜合考慮水工模型試驗(yàn)結(jié)果，左、右電廠尾水渠沿大中壩左、右兩側(cè)下游河道斜向出流。平面布置上，左區(qū)電廠尾水渠岸坡線與壩軸線成60°交角。為減小尾水出流對(duì)船閘下游引航道橫向流速的不利影響，在尾水渠最小過水?dāng)嗝婧?，將尾水渠岸坡線由與壩軸線成60°交角漸變至成45°交角，再用半徑為150.0 m的圓弧段過渡至下游岸坡，以避免左區(qū)電廠尾水出流頂沖船閘下游引航道區(qū)域。

2.4 廠房布置設(shè)計(jì)

水輪機(jī)安裝高程為173.60 m，由額定水頭工況的水輪機(jī)吸出高度確定。根據(jù)尾水管高度和尾水管底板厚度，確定尾水管底板高程139.90 m，建基面高程132.90 m。依據(jù)機(jī)組尺寸和蝸殼結(jié)構(gòu)要求，考慮機(jī)電設(shè)備布置，確定水輪機(jī)層高程為184.60 m，發(fā)電機(jī)層高程為190.50 m。依據(jù)轉(zhuǎn)輪主軸支持蓋組合件的起吊要求，確定橋機(jī)軌頂高程212.50 m。考慮廠房通風(fēng)采光及屋頂排水等因素，主廠房屋頂高程定為223.90 m。自建基面到主廠房頂部，廠房最大高度為91.00 m。

機(jī)組段長度主要受蝸殼和尾水管平面尺寸控制，蝸殼進(jìn)口斷面寬32.3 m，尾水管最大跨度32.7 m?？紤]蝸殼和尾水管的強(qiáng)度與限裂要求，確定蝸殼側(cè)墻厚5.0 m，尾水管側(cè)墻厚4.8 m。因此，機(jī)組段長42.3 m，邊機(jī)組段為滿足橋機(jī)吊鉤起吊范圍，長度為44.8 m。水輪機(jī)層左側(cè)布置有調(diào)速器及其油壓裝置，上游側(cè)布置有蝸殼放空閥室及排沙底孔放空閥室。發(fā)電機(jī)層布置機(jī)旁盤，還設(shè)有吊物孔。

尾水平臺(tái)布置副廠房，副廠房共有6層，自下而上。第一層在每個(gè)機(jī)組段設(shè)有向下樓梯，與蝸殼進(jìn)人孔和交通廊道相接；第二層布置技術(shù)供水設(shè)備；第三層布置勵(lì)磁變壓器、10 kV開關(guān)柜、機(jī)組自用電、直流電源及輔助盤室等；第四層主要布置封閉母線及發(fā)電機(jī)電壓設(shè)備、擴(kuò)大單元輔助盤室等；第五層布置主變壓器設(shè)備；第六層主要布置電纜管線。

2.5 廠房排沙設(shè)計(jì)

小南海水電站為河床式廠房，發(fā)電水頭低、機(jī)組引用流量大、臺(tái)數(shù)多。壩址處河流多年平均輸沙量為2.63億t，含沙量為0.987 kg/m³，礫卵石推移質(zhì)輸沙量為35.7萬t。電站排沙應(yīng)按照“先導(dǎo)后排、導(dǎo)排結(jié)合”的原則，運(yùn)用多次分水分沙，分走粗顆粒泥沙，使過機(jī)泥沙盡可能少和細(xì)。廠房導(dǎo)沙與攔沙設(shè)施主要為引水渠前的攔沙坎結(jié)構(gòu)；廠房排沙設(shè)施主要為排沙底孔，設(shè)置目的是減小廠房進(jìn)水口部位泥沙淤積，實(shí)現(xiàn)門前清，確保廠房正常引水。

2.6 廠房穩(wěn)定分析

廠房穩(wěn)定分析主要包括：沿建基面抗滑穩(wěn)定、沿剪切帶的深層抗滑穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定。計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、永久設(shè)備自重、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、泥沙壓力及地震荷載等。廠房深層抗滑穩(wěn)定由巖體層間軟弱剪切帶控制，圖4為計(jì)算簡(jiǎn)圖。

廠房各壩段地基應(yīng)力計(jì)算成果表明：建基面最小壓應(yīng)力為0.12 MPa，大于0；最大壓應(yīng)力為1.02 MPa，小于地基允許承載力。廠房建基面地基應(yīng)力滿足規(guī)范要求；廠房建基面抗滑穩(wěn)定、沿滑動(dòng)門的深層穩(wěn)定及抗浮穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了小南海水電站廠房的整體設(shè)計(jì)思路，以及廠房設(shè)計(jì)中排沙設(shè)計(jì)、廠房穩(wěn)定計(jì)算、流道設(shè)計(jì)、廠內(nèi)布置等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，主要結(jié)論如下：

（1）小南海水電站廠房遇到的地質(zhì)問題主要為廠房抗滑穩(wěn)定、軟巖快速風(fēng)化及中—強(qiáng)透水帶。

（2）結(jié)合機(jī)組“兩機(jī)一變”的主接線要求、電站的出線要求，以及水工模型試驗(yàn)中左、右汊河道水流的分流比，左右電廠的裝機(jī)臺(tái)數(shù)確定為左廠8臺(tái)、右廠6臺(tái)。

（3）引水渠設(shè)計(jì)應(yīng)該力求水流平順，減少水頭損失，避免泥沙淤積，并減少工程量。尾水渠設(shè)計(jì)除滿足電站發(fā)電運(yùn)行的水力要求外，還應(yīng)兼顧下游通航及過魚等相鄰建筑物正常運(yùn)行的水流條件及要求。

（4）小南海水電站為河床式廠房，發(fā)電水頭低、機(jī)組引用流量大、臺(tái)數(shù)多。為使廠房具備充足的排沙功能，遵循“先導(dǎo)后排、導(dǎo)排結(jié)合”的原則，運(yùn)用多次分水分沙，分走粗顆粒泥沙，使過機(jī)泥沙盡可能少和細(xì)。具體排沙結(jié)構(gòu)主要為引水渠前的攔沙坎結(jié)構(gòu)、廠房下部的排沙底孔，從而減小廠房進(jìn)水口部位泥沙淤積，實(shí)現(xiàn)門前清。

（5）結(jié)合廠房地質(zhì)條件，對(duì)廠房沿建基面抗滑穩(wěn)定及由巖體層間軟弱剪切帶控制的深層穩(wěn)定均進(jìn)行了驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果滿足要求。廠房各壩段地基應(yīng)力滿足承載要求。

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（編輯：郭甜甜）