嚴(yán)士纏

(深圳市環(huán)境水務(wù)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(nèi)沒有1座骨干電站，嚴(yán)重影響了縣域經(jīng)濟的發(fā)展，也關(guān)系到一個區(qū)域的脫貧問題。開發(fā)水電是利用當(dāng)?shù)貎?yōu)勢資源、解決近期發(fā)供電矛盾、增加并帶動域內(nèi)經(jīng)濟規(guī)模增長的重要舉措。

2001年5月，經(jīng)省有關(guān)部門審查批復(fù)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(shè)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(biāo)超過3元/kW·h，多方設(shè)計仍難以開工建設(shè)。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(shè)計報告后得到開發(fā)。

2 原可研方案存在的主要問題

經(jīng)對原審批可行性研究報告分析，原設(shè)計方案為小(1)型水庫、壩后引水式日調(diào)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(shè)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(fēng)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(shù)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(shù)多，機型適應(yīng)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(biāo)為目標(biāo)開展總體方案優(yōu)化。

3.1 工程規(guī)模等級匹配與設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)選擇

根據(jù)流域規(guī)劃調(diào)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(shè)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(shù)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(shè)壩后徑流電站。壩后式水電站投資指標(biāo)主要受水庫投資變幅控制，如何控制水庫規(guī)模是關(guān)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(shè)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(shè)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(jīng)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(zhì)板巖，傾向右岸，產(chǎn)狀N15°E,SE∠38°～43°，無不利構(gòu)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(chǎn)狀N5°W,NE∠43°。除進出口55 m為弱風(fēng)化Ⅳ類圍巖，中部108 m為Ⅲ類圍巖。經(jīng)調(diào)節(jié)計算，仍可以不設(shè)調(diào)壓井，結(jié)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(chǎn)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(fēng)化厚4～7 m。建基面高程為357 m，為弱風(fēng)化基巖，巖性為中厚層板巖夾砂巖，產(chǎn)狀為N5°W,NE∠25°，經(jīng)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(jié)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(shè)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(shè)計洪水位。項目回水末端為縣城，縣城規(guī)劃設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇，防洪控制斷面都江路口堤頂高程389.40 m?？紤]泥砂淤積20 a后，采用伯努利方程反推壩前設(shè)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(shè)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(yīng)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(jīng)回水計算并與復(fù)核水位庫容曲線對接后，不改變工程等級標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，通過調(diào)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(yù)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(yuǎn)期上游泠水溝中型水庫建成后，有利調(diào)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(diào)節(jié)運行需要，調(diào)節(jié)庫容不小于100萬m3，選擇死水位380.00 m，調(diào)節(jié)庫容410萬m3?？紤]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(quán)平均水頭23.66 m，全年加權(quán)平均水頭24.40 m。

3.3.4 總結(jié)

按照引用流量系數(shù)與水量利用率、設(shè)備利用率及水能利用率的關(guān)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(shù)和送出線路回數(shù)

項目原設(shè)計采用3臺軸流式水輪發(fā)電機組，經(jīng)比較不同水輪機型號和臺數(shù)，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(wǎng)分開，取消直供電送出功能，將原設(shè)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(wǎng)至縣電網(wǎng)，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(jīng)設(shè)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(chǎn)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(biāo)合理。

大壩為鋼筋混凝土包細(xì)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(shè)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(jīng)優(yōu)化壩體細(xì)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(shè)置高于溢流堰頂高程，取消了沖砂放空底孔。閘門啟閉設(shè)備減少3套，金屬結(jié)構(gòu)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(jù)動能經(jīng)濟比較選擇內(nèi)徑5.0 m，設(shè)計流速2.73 m/s。進水口為岸塔式結(jié)構(gòu)，位于右岸壩前小沖溝處下游側(cè)，進水口高程設(shè)為371.5 m。斷面經(jīng)調(diào)保計算可不設(shè)調(diào)壓井。

主廠房經(jīng)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(dāng)。尾水管底板高程為353.00 m，設(shè)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(nèi)開關(guān)站布置于主廠房上游側(cè)。

電站經(jīng)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(zhǔn)備，2007年可研暨初設(shè)報告取得審查同意，因區(qū)域涉高速、高鐵等布局調(diào)整影響， 2010年批復(fù)興建，2013年投產(chǎn)發(fā)電。雖推遲建設(shè)投產(chǎn)，物價上升，投資增加到8 227萬元，經(jīng)濟指標(biāo)仍較好，經(jīng)受多次超設(shè)計洪水考驗，安全可靠，發(fā)電量超過設(shè)計；如結(jié)合上游水庫建設(shè)和洪水資源化利用，效益將有較大提升空間，社會經(jīng)濟效益良好。

4 結(jié) 論

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

(2)河床式壩后電站多為日調(diào)節(jié)水電站，水庫大壩投資高低，是投資效益指標(biāo)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(biāo)，提高水頭壩高比，有利于均衡技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，降低開發(fā)難度。

(3)與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行水電站網(wǎng)內(nèi)水電裝機比例下降，適當(dāng)減少裝機利用小時數(shù)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(shù)與送出線路，有利于簡化設(shè)備系統(tǒng)布局和運行維護成本。