楊若軒，孔繁

(商洛市水電勘測設(shè)計院，陜西 商洛 726000)

1 概 述

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

薄嶺水電站建成于20世紀80年代末，裝機容量3×630 kW，設(shè)計引水流量17 m3/s，設(shè)計水頭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，裝機年利用小時6 794 h。廠房緊靠壩左岸山坡，引水隧洞長69.1 m，沖沙洞長29.9 m，壓力洞長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際情況，初選方案時，對可能的站址位置進行了綜合比較，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目樞紐工程設(shè)計僅采用原壩加高2 m與原壩高不變兩種方案進行比較(見表1)。

表1 兩種方案下的沖沙閘主要參數(shù)對比

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)計洪水位309.76 m，校核洪水位311.68 m；下游河道設(shè)計洪水位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鋼筋混凝土護面。

攔河壩堰上設(shè)計洪水位311.71 m，校核洪水位313.62 m；壩下游河道設(shè)計洪水位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)，采用手電兩動螺桿式啟閉機操作。沖沙閘前設(shè)檢修門槽，關(guān)閉時采用備用的木質(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，上部設(shè)置磚混結(jié)構(gòu)啟閉機房，建筑面積為25 m2。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟指標比較可知，原壩高不變方案投資19.34萬元，原壩加高方案投資181.59萬元。

3 進水口

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

表2 兩種方案進水閘主要參數(shù)對比

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)計引水流量32 m3/s。根據(jù)電站實際地質(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；而輸水隧洞進口處有寬敞的地形適合布置流量調(diào)節(jié)池和進水口建筑物，水流經(jīng)導(dǎo)流渠到進水口，經(jīng)壓力洞到廠區(qū)。在筑壩取水的情況下，進水口與原電站進口相距50 m，河水水流經(jīng)50 m明渠導(dǎo)流至進水口；導(dǎo)流堤左岸長152 m，右岸長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)計流量32 m3/s時調(diào)節(jié)需要。在設(shè)計引水流量32 m3/s時，經(jīng)水力計算進口為雙孔進水，閘室進口前設(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。

進水閘門采用平面鋼閘門，采用單吊點卷揚式啟閉機控制；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；進水閘及攔污柵操作平臺采用鋼筋混凝土梁、板結(jié)構(gòu)，下部支撐采用排架、混凝土墩臺，上部設(shè)置磚混結(jié)構(gòu)啟閉機房，建筑面積各為52 m2。擬定啟、閉門力按在動水中啟閉、設(shè)計洪水位情況下考慮。經(jīng)計算，選用單吊點卷揚式25 t啟閉機2臺。

3.2 原壩加高方案

從電站實際地質(zhì)地貌看，采用在輸水洞進口處布置調(diào)節(jié)池和進水建筑物方案。在筑壩取水的情況下，水流經(jīng)56 m明渠導(dǎo)流至進水口，導(dǎo)流堤左岸長152 m，右岸長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)計流量32 m3/s時調(diào)節(jié)需要。采用單孔進水，閘室進口前設(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。進水閘門與不加高方案相同，進水閘上部的啟閉機房，建筑面積為48 m2。

按在動水中啟閉、設(shè)計洪水位情況下擬定進水閘啟、閉門力，經(jīng)計算，選用40 t雙吊點卷揚式啟閉機1臺。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟指標比較可知，原壩加高方案進水口投資262.96萬元，原壩高不變方案進水口投資240.50萬元。

4 輸水隧洞

根據(jù)實際地形條件，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，洞線長度132 m，開挖方量3 326 m3,混凝土襯砌759 m3，比降1/1 000，過水斷面4.25 m(高)×3.8 m(寬)，主要工程費用134.4萬元。

方案二：采用獨立供水方式，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，過水斷面3.2 m(高)×3.0 m(寬)，洞線長度分別為123.2 m和135.0 m，主要工程費用190.1萬元。

經(jīng)比較，方案一施工簡單，費用低，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 水能計算比較

薄嶺水電站設(shè)計保證率取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)計發(fā)電水頭H=10.0 m；原壩加高方案初估電站設(shè)計發(fā)電水頭H=12.0 m，分別按兩種水頭進行水能計算及裝機容量的確定。

5.1 保證出力

計算公式：N保=AηQH

式中，N保為電站設(shè)計保證出力(kW)；A為水輪發(fā)電機組的出力系數(shù)，根據(jù)初選機組確定為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)按初選機組確定為A=8.3。對確定的4種裝機方案，分別計算出各裝機容量下的多年平均年發(fā)電量及年利用小時(注：原電站裝機容量2×630 kW，發(fā)電流量2×8.5 m3/s，發(fā)電水頭10.5 m)。

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

表3 裝機容量方案比較

各裝機方案的裝機容量變化對工程造價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的主要因素。

由于引水樞紐僅起到穩(wěn)定水位、固定進水口的作用，相同水頭情況下各裝機方案中其造價變化幅度很小。受裝機容量影響，造價變化較大的項目主要是輸水建筑物、壓力洞以及廠區(qū)工程。這是因為，在發(fā)電水頭不變的前提下，裝機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斷面、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，且洞線長度較短，約為130 m；壓力洞軸線長度只有27.3 m。因而，相同水頭下裝機容量的變化對造價的影響較小，所以薄嶺水電站增容改造裝機容量方案主要應(yīng)從經(jīng)濟指標方面來比較。

從經(jīng)濟指標來看，由于發(fā)電水頭一定，增加裝機容量對單位容量造價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，但并非是與裝機容量同比例增加，相對年發(fā)電量增加較?。患又竟こ虨樵鋈莞脑旃こ?，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，增加裝機容量，相同水頭條件下，對單位容量造價雖然有較好的影響，但對單位電能造價反而具有不利影響。

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

進一步對方案二、方案四細化設(shè)計，估算投資，計算經(jīng)濟指標，分別進行國民經(jīng)濟評價和財務(wù)評價(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、國民經(jīng)濟指標、財務(wù)評價指標方面明顯優(yōu)于方案四；因此推薦采用方案二，即裝機容量2×1 600 kW，規(guī)劃發(fā)電水頭12 m。

6 結(jié) 語

通過分析計算，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，在距原電站進口約50 m處設(shè)置進水口，進水口后設(shè)1條輸水隧洞，設(shè)計流量為32.0 m3/s，總長度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5 442 h，原薄嶺水電站年利用小時2 447 h。