劉立昱

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院 蘭州 730000)

1 工程概況

大孤山水電站位于黑河上游大峽谷中,甘肅省肅南裕固族自治縣境內(nèi),廠房距張掖市112km,為黑河流域規(guī)劃中的第5座梯級水電站,主要任務(wù)為發(fā)電,采用引水式開發(fā)。

電站壩閘址處多年平均流量43.4m3/s,設(shè)計引水流量105m3/s,設(shè)計水頭74.5m,裝機(jī)3臺,為適應(yīng)黑河峰貧流量變化大的特點(diǎn),布置2臺大機(jī)1臺小機(jī),總裝機(jī)容量65MW,多年平均發(fā)電量2.12億kW·h。由首部樞紐、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及升壓站等組成,屬三等中型工程。電站總工期36個月,于2009年6月全部完工,7月首臺機(jī)組發(fā)電,8月3臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行。

2 樞紐布置選擇

2.1 閘壩址選擇

大孤山水電站開發(fā)河段上接二子龍溝口的二龍山水電站廠房尾水 (正常尾水位2145.50m),下至四大龍溝口下游的小孤山水電站樞紐 (正常蓄水位2060.00m),開發(fā)河道長約 12km,平均縱坡7.04‰,可利用水頭85.5m。

開發(fā)河段內(nèi)河流多呈 “S”型展布,谷寬變化較大,水流湍急,庫區(qū)兩岸岸坡高陡,大部分基巖裸露,右岸漫灘和河心灘發(fā)育,兩岸斷續(xù)分布有殘留的Ⅱ～Ⅳ級階地。根據(jù)現(xiàn)場條件,在滿足建壩要求的基礎(chǔ)上擬定了上、下兩個壩址,進(jìn)行壩址、壩型比較。以充分利用水頭為基礎(chǔ),上壩址 (二子龍壩址)采用低閘壩引水開發(fā),下壩址 (三子龍壩址)采用混合式開發(fā)。兩方案特征水位相同,即正常蓄水位2144.00m,正常尾水位2061.00m。上壩址樞紐由擋水壩、泄洪沖沙閘及進(jìn)水閘組成,最大閘高21m,右岸進(jìn)水閘后接長7536m的引水發(fā)電隧洞至廠房。下壩址樞紐由混凝土面板堆石壩、排砂洞、溢洪道、導(dǎo)流洞及進(jìn)水閘組成,左岸山梁布置泄洪建筑物,右岸山體布置排砂及引水發(fā)電系統(tǒng),最大壩高69m,引水發(fā)電隧洞長3111m。

通過對兩壩址地形地質(zhì)條件、工程布置、施工交通條件、建設(shè)費(fèi)用等方面進(jìn)行綜合比較,上壩址無論在建設(shè)條件、技術(shù)難度、水庫淹沒、環(huán)境影響等方面均明顯優(yōu)于下壩址,雖然年發(fā)電量比下壩址少613萬kW·h,但節(jié)約投資約12000萬元,故最終選定上壩址方案。

2.2 樞紐建筑物布置

根據(jù)選定的二子龍壩址,可研階段初步擬定樞紐采用閘壩方案,正向擋水、排沙、泄洪,側(cè)向引水。閘壩基本垂直河道布置,從左到右依次為左岸混凝土擋水壩、混凝土溢流壩、泄洪沖沙閘,進(jìn)水閘置于河道右岸,與泄洪沖沙閘軸線夾角41.5°。

2.2.1 混凝土擋水壩段

混凝土擋水壩段長14.0m,壩頂高程2148.00m,最大壩高22.0m,壩頂寬8.0m,壩底寬17.0m。

2.2.2 混凝土溢流壩段

溢流壩段長30m,堰面型式采用WES實用堰,堰頂高程2144.00m,順?biāo)飨蜷L度 17.0m,后接長16.5m的消力池,池深1.0m。

2.2.3 泄洪沖沙閘

泄洪沖沙閘共3孔,采用帶胸墻的水閘,孔口尺寸10m×9m(寬×高),閘室段垂直水流向總長43.5m,順?biāo)鏖L40.0m,從左至右分為單孔及雙孔兩個結(jié)構(gòu)分縫段。閘底板高程2129.00m,閘頂高程2148.00m,閘室總高度22.0m。閘后消力池長45.0m,底板高程2126.50m,采用向下游擴(kuò)散式布置,擴(kuò)散角度為5°。消力池末端消力坎高2.5m,坎后布置深9.0m防沖沉井。

2.2.4 電站進(jìn)水閘

進(jìn)水閘位于樞紐上游山坡巖體上,距壩軸線50m左右,順?biāo)鞣较蜷l室段長36.7m,為防止泥沙進(jìn)入引水系統(tǒng),閘底板高程為2131.00m,高出泄洪排沙閘底板2.0m,閘頂高程2148.00m。進(jìn)水閘設(shè)攔污柵、事故檢修門,閘后接長引水發(fā)電隧洞。

3 樞紐建筑物優(yōu)化設(shè)計

3.1 擋水建筑物

初步擬定的擋水建筑物由混凝土擋水壩段和混凝土溢流壩段組成,布置在左岸。溢流壩無閘門控制,堰頂高程為正常蓄水位2144.00m,較二龍山水電站正常尾水位2145.50m低1.50m。為了合理搭接上一級電站尾水,充分利用水頭發(fā)電,經(jīng)充分論證后,將大孤山水電站正常蓄水位抬高至2145.50m,在樞紐其他特征水位不改變的情況下,原壩頂高程2148.00m滿足調(diào)整后正常蓄水位的超高要求,無需加高。

正常蓄水位抬高后,繼續(xù)利用無閘溢流壩調(diào)節(jié)發(fā)電棄水來控制樞紐水位必然對二龍山水電站正常尾水位有較大的抬升,影響其發(fā)電出力。同時黑河峽谷夏、秋季漂浮物較多,冬季寒冷、流冰期長(11月中旬開始流冰,1月初到2月底封凍,春季流冰一般到3月底結(jié)束)。為了更好的控制樞紐水位,避免運(yùn)行時因發(fā)電棄水頻繁開啟泄洪沖沙閘,同時滿足排漂和排冰的要求,將擋水壩段和溢流壩段合并為一個擋水壩段,在靠近泄洪沖沙閘側(cè)設(shè)置一孔排漂排冰閘,閘后接排漂排冰渠引至泄洪沖沙閘消力池。

調(diào)整后混凝土擋水壩段長22.0m,壩頂高程2148.00m,壩頂寬5.0m,壩底寬18.0m。排漂排冰閘寬4.0m,堰面型式采用WES實用堰,堰頂高程為2143.50m,下游側(cè)坡度1∶0.6,反弧段后接縱坡1∶50的排漂排冰渠。經(jīng)模型試驗驗證,排漂和排冰效果良好。

圖1 混凝土擋水壩段排漂排冰閘橫斷面圖

3.2 泄水建筑物

初步擬定的泄水建筑物為3孔泄洪沖沙閘?？紤]到黑河屬多泥沙河流,電站進(jìn)水口受工程總體布置、樞紐地形條件限制,只能布置于河道右岸的凸岸引水,為保證電站進(jìn)水口盡可能避開凸岸淤積區(qū)而在主河道取水,同時縮短擋水壩段減少工程投資,經(jīng)比較后將泄洪沖沙閘整體向河道左側(cè)平移近20m。

原方案泄洪沖沙閘的結(jié)構(gòu)分縫段是結(jié)合施工分期導(dǎo)流方案設(shè)置的,由于泄洪沖沙閘整體左移后,原一期導(dǎo)流先圍護(hù)右河床施工、由左岸束窄河床過流的方案,因斷面過窄而無法滿足施工期全年渡汛和泄洪的要求,必須對分縫位置進(jìn)行調(diào)整,即從左至右分為雙孔及單孔兩個分縫段。根據(jù)樞紐地形條件,施工導(dǎo)流與調(diào)整后的泄洪沖沙閘永久布置相結(jié)合,仍采用河床分期導(dǎo)流方式,整個工程分期兩段施工。一期枯、汛圍堰先后圍護(hù)右河床,由左岸束窄河床過流,進(jìn)行右岸1孔泄洪沖沙閘及進(jìn)水閘的施工;二期利用已完建的1孔泄洪沖沙閘過水,在平、枯水圍堰的圍護(hù)下修建剩余2孔泄洪沖沙閘及左岸的混凝土擋水壩段,并將閘室混凝土澆筑至胸墻以上高程,汛期由3孔閘聯(lián)合泄流,汛后在圍堰圍護(hù)下進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)的安裝。

黑河屬多泥沙河流,根據(jù)實測資料分析,電站多年平均含沙量為1.49kg/m3,多年平均懸移質(zhì)和推移質(zhì)輸沙量分別為204×104t、31.0×104t。黑河輸沙量年內(nèi)分配很不均勻,主要集中在汛期6～9月間,占年輸沙量的95.0%以上,因此電站在汛期運(yùn)行時必須及時拉沙。靠近右岸進(jìn)水閘的單孔泄洪沖沙閘在汛期會頻繁開啟拉沙排沙,因此適當(dāng)降低其底板高度非常有利于保證電站進(jìn)水口 “門前清”。原方案 3孔泄洪沖沙閘底板高程均為2129.00m,經(jīng)優(yōu)化后將右岸的1#閘底板高程降至2128.00m,其余2孔高程不變,隨結(jié)構(gòu)分縫相應(yīng)調(diào)整的閘前導(dǎo)墻 (兼做縱向圍堰)也起到了很好的束水束沙作用。經(jīng)模型試驗驗證排沙效果良好。

圖2 泄洪沖沙閘閘壩橫斷面圖

3.3 引水建筑物

樞紐引水建筑物為電站進(jìn)水閘。由于采用了凸岸引水的布置方案,進(jìn)水口的排沙非常重要,除采用1#泄洪沖沙閘、閘前導(dǎo)墻、進(jìn)水閘前導(dǎo)沙坎組成的常規(guī)主排沙系統(tǒng)外,結(jié)合泄洪沖沙閘優(yōu)化,充分利用1#泄洪沖沙閘與進(jìn)水閘底板形成的3.0m高差,又對進(jìn)水閘的布置進(jìn)行了優(yōu)化。在攔污柵進(jìn)口底板下面增設(shè)排沙底孔、控制球閥和通向下游的排沙管組成副排沙系統(tǒng),同時該系統(tǒng)也是樞紐下游脫流河道段生態(tài)流量的下泄通道,利用長期穩(wěn)定下泄生態(tài)流量的同時進(jìn)行閘前排沙。

圖3 進(jìn)水閘平面及剖面圖

根據(jù)模型試驗驗證,主、副排沙系統(tǒng)聯(lián)合使用,電站取水排沙效果好,降低了 “凸岸引水”的不利影響,實現(xiàn)了電站進(jìn)水口的 “門前清”,較好地解決了樞紐泥沙入洞問題,使電站效益得到最大發(fā)揮。

排沙底孔布置在進(jìn)水閘攔污柵底板下部,底高程為2128.50m,孔口高度由1.6m通過圓弧漸變?yōu)?.0m,進(jìn)口共設(shè)置3孔,同于攔污柵孔數(shù),寬度與攔污柵一致均為5.0m,3個排沙底孔在平面上經(jīng)導(dǎo)流墩及流線型漸變段匯總至排沙管后排入1#泄洪沖沙閘下游,排沙管直徑1.0m,中間設(shè)控制球閥和檢查井。

4 結(jié)語

針對大孤山水電站樞紐工程黑河漂浮物多、流冰期長、含沙量高的水情、冰情和泥沙特點(diǎn),結(jié)合地形地質(zhì)條件,在常規(guī)水電站樞紐建筑物設(shè)計的基礎(chǔ)上,采取了合理有效的優(yōu)化措施,從而較好的解決了上述問題。

(1)采用在右岸混凝土擋水壩段設(shè)置排漂排冰閘的優(yōu)化設(shè)計方案,解決了靜水區(qū)漂浮物、浮冰滯留問題。

(2)運(yùn)用將3孔泄洪沖沙閘底板高程錯落布置的方案,改善了進(jìn)水閘前拉沙效果。

(3)在主排沙系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,采用在進(jìn)水閘底板以下設(shè)置排沙底孔等措施以布置副排沙系統(tǒng),利用下泄生態(tài)流量進(jìn)行閘前排沙,較好的解決了樞紐泥沙入洞問題。

上述各項優(yōu)化措施在工程運(yùn)行中已取得良好的效果,該電站自2009年7月建成發(fā)電至今,經(jīng)歷了兩個汛期和兩個冬季,排漂、排冰和排沙等問題都已得到了良好的解決。因此該工程對于其他類似樞紐工程的設(shè)計也具有很好的借鑒價值。

1 楊捷.小孤山水電站方案布置及設(shè)計特點(diǎn) [J].中國水利,2010,(18)

2 梁雪瑾.大孤山水電站樞紐泄洪沖砂閘后消能防沖設(shè)計及優(yōu)化[J].甘肅水利水電技術(shù)2010,(06)

3 蔣小鵬.多松多水電站引水樞紐布置及其特點(diǎn) [J].甘肅水利水電技術(shù)2007,(03)

4 劉維東.甘溪三級水電站樞紐布置設(shè)計[J].小水電2004,(01)

5 SL265—2001水閘設(shè)計規(guī)范 [S].北京:水利電力出版社,2001

6 水工設(shè)計手冊7水電站建筑物 [M].北京:水利電力出版社,1989