黃金峽水利樞紐泵站、電站聯(lián)合布置方案研究

鄭湘文 毛擁政 黨力

摘要：黃金峽水利樞紐是引漢濟渭工程的第一水源地，包括大壩、泄水、電站、泵站及通航建筑物，協(xié)調(diào)布置水工建筑物尤其是電站、泵站的布置是工程設(shè)計的重點和難點。對3個方案分別從進水布置及條件、廠房布置、交通及施工條件、出線等進行技術(shù)、經(jīng)濟比較，最終推薦了河床式泵站與壩后式電站聯(lián)合布置的型式。工程布置充分利用了泵站與電站機組安裝高程的高差，統(tǒng)籌布置兩個建筑物進水口，進廠道路協(xié)調(diào)分層關(guān)系，出線平臺采用兩站共用，施工、交通、導流等臨時設(shè)施布置與樞紐大壩統(tǒng)一考慮。通過聯(lián)合布置設(shè)計，樞紐工程布置緊湊、簡潔，工程占地少，減少了開挖量，空間布局合理，節(jié)約了投資，有利于工程集中運行管理，具有可行性。

關(guān)鍵詞：壩后式電站;聯(lián)合布置;可行性;布置方案;河床式泵站

中圖分類號：TV61;TV222 文獻標志碼：A

1 工程概況

黃金峽水利樞紐是引漢濟渭工程的第一水源地[1]，是以供水為主，兼有發(fā)電、航運的綜合利用水利工程。在滿足調(diào)水區(qū)生產(chǎn)生活環(huán)境需水前提下，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)供水、發(fā)電、航運等關(guān)系，達到綜合效益最優(yōu)。

該工程是漢江上游干流河段規(guī)劃中的第一個水利樞紐工程。樞紐由攔河壩、泄洪建筑物、泵站、水電站及升船設(shè)施等組成。大壩為2級建筑物，泵站為1級建筑物，電站為3級建筑物。水庫正常蓄水位450m，死水位440m，水庫總庫容2.29億m³，調(diào)節(jié)庫容為0.69億m³。多年平均設(shè)計供水量9.6億m³。泵站設(shè)計流量70.0m³/s，設(shè)計總揚程117.0m，泵站裝機容量129.5MW（7臺18.5MW），電站額定流量3×130m³/s，總裝機容量為135MW（3臺45MW）[2]。泵站工程規(guī)模大，是國內(nèi)進入建設(shè)程序排位第一的大型高揚程大功率泵站工程，也是亞洲最大型的泵站工程[1]。

2 泵站、電站布置方案研究

2.1 站址地形、地質(zhì)特征

樞紐由大壩、泄洪消能、泵站、引水發(fā)電和航運五大系統(tǒng)組成。主要建筑物布置在黨家溝至戴母雞溝700m長的河段上，該段河道順直、狹窄，兩岸為400m高的山坡，基巖裸露，為典型V形河谷。兩岸沖溝發(fā)育且切割深度較大，谷底寬度約180m，正常蓄水位450m處河谷寬約260m。河谷表層分布沖積卵石層，厚度為6～12m，下伏基巖為花崗片麻巖。壩址區(qū)兩岸坡大部分基巖裸露，坡面有零星坡積碎石土層分布，下伏基巖巖性為花崗片麻巖。壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，斷層一般規(guī)模較小，巖體相對較完整。兩壩肩巖體風化、卸荷作用強烈，風化深度較大，不同部位風化深度差異性大，強風化帶水平深度為7～27m。工程主要地質(zhì)問題是風化厚度大，無其他不良地質(zhì)條件[3]。

根據(jù)以上地形、地質(zhì)條件，工程有利于布置混凝土閘壩樞紐。從工程地形條件看，工程宜布置在黨家溝和戴母雞溝之間，以避開兩個沖溝對工程開挖和導流的影響。

2.2 布置方案比較

該工程為閘壩樞紐，協(xié)調(diào)布置供水泵站及電站對工程成敗意義重大。黃金峽水利樞紐壩址處河道狹窄，兩岸岸坡陡峭，樞紐泄洪流量大，泵站機組臺數(shù)較多。受地形地質(zhì)條件的限制，需要滿足大壩、泄水建筑物、通航建筑物、引水系統(tǒng)、泵站、電站等主要水工建筑物最佳位置的布置需求，矛盾比較突出[4]。同時，引漢濟渭工程輸水隧洞已明確布置在漢江左岸，因此泵站、電站都只能布置在左岸，并且盡量滿足工程布置緊湊、交通樞紐方便布置、占地面積小、投資省等原則[5]。根據(jù)以上原則，選擇兩種布置型式。型式（1）泵站、電站分離式布置，其中：方案1泵站布置在壩前岸邊，電站布置在河床;方案2泵站布置在壩后岸邊，電站布置在河床。型式（2）泵站、電站聯(lián)合式布置，其中：方案3泵站、電站前后布置，方案4泵站、電站上下布置。由于方案4泵站、電站體型復雜，設(shè)計難度大，可行性差，因此僅對前3種方案進行布置研究。

方案1：泵站布置于壩前左岸，泵站需擋水，主廠房平行于等高線，副廠房上游側(cè)布置，主廠房兩側(cè)均有安裝間。泵站采用二次起吊方案，泵站廠頂高程與壩頂高程一致。7個獨立進水口，進水口高程408.96m，一列式布置。電站采用河床式布置，副廠房布置在下游側(cè)。泵站、電站施工條件較優(yōu)，施工不存在干擾，但電站導墻長度增長，施工臨時工程量略有增大。

方案2：泵站布置于壩后左岸，主廠房平行于等高線，副廠房下游側(cè)布置，主廠房兩側(cè)均有安裝間。泵站有1個獨立進水口，一個母管，分7個岔支管進水。河床式電站，副廠房下游側(cè)布置，獨立進水口。泵站、電站施工條件較優(yōu)，施工不存在干擾。

方案3：河床式泵站，壩后式電站聯(lián)合布置，充分利用泵站擋水前緣設(shè)置泵站、電站進水口，上下錯層，一列式布置，泵站進水口高程為420m，電站進水口高程為408m[6]。泵站、電站利用安裝高程的高差前后布置，為了合理利用空間，電站適當降低安裝高程。泵站與電站之間縱向分縫，結(jié)構(gòu)相對獨立同時使某些平臺共用，相互輔助。泵站、電站施工占地小，但施工工序復雜，需合理安排施工工序與施工機械。

2.3 方案分析

（1）在研究廠區(qū)布置問題時，應(yīng)充分考慮泵站、電站、開關(guān)站、交通樞紐等之間的高程、空間關(guān)系[7]。方案1、方案2將泵站置于壩前或壩后岸邊，在空間上沒有充分互相利用，交通也沒有兼顧結(jié)合，這都大大增加邊坡開挖量，高邊坡問題突出，經(jīng)濟性差。而將泵站、電站聯(lián)合布置的方案3合理地安排了各個建筑物的位置，充分利用了泵站、電站安裝高程的階梯性，使得建筑物錯層布置，共用了GIS樓及中控室，統(tǒng)一出線，廠區(qū)布置樞紐緊湊，有效利用空間，節(jié)省了投資[8]。方案1、方案2、方案3平面布置見圖1、圖2、圖3。

（2）3個方案泵站安裝高程一致，電站安裝高程方案1、2一致，而方案3為結(jié)合布置，將電站安裝高程人為降低近10m，從直觀上講似乎方案3建筑物基坑的開挖量會增加較多，施工難度也會加大。但是泵站、電站聯(lián)合布置方案恰好有效利用了大壩的壩基開挖，使得建筑物的基坑開挖工程量較少，施工難度減小。

（3）進水口的布置是設(shè)計的一個難點。方案1泵站、電站有獨立進水口，進水條件優(yōu)，但方案1壩前庫內(nèi)布置泵站，泵站廠房本身作為擋水建筑物需要滿足校核洪水位時廠房的穩(wěn)定，所以廠房混凝土澆筑量較大。方案2泵站一個母管分7個支管與泵站進水側(cè)相接，泵站母管為了避免穿越電站安裝間，需人為將母管降至電站安裝間底板高程以下。在電站施工期間，需充分考慮泵站進水母管與電站安裝間的高程需求，進水母管先下降至電站安裝間底板以下，再上升至泵站進水肘管中心線高程，電站的開挖量、回填混凝土量都會因進水管道的布置而增加。并且泵站的進水側(cè)母管的布置較復雜，進水條件較差。方案3則充分利用了壩段前緣寬度，上下錯層，一列式布置了10個進水口，布置緊湊，節(jié)約投資。

（4）從交通條件來比較，方案1與方案3相當，而方案2交通條件較差。方案1泵站采用二次起吊設(shè)計，廠房頂高程與上壩道路高程一致，泵站進廠道路不需要重新修建。室外廠房頂平臺布置開關(guān)站，上壩道路旁不做過多的邊坡開挖。電站的進廠道路與進尾水平臺的兩條道路邊坡沒有過度開挖，設(shè)計合理。方案2泵站為地面廠房，為便利交通、消防、進線、出線、排水等要求，需要開挖出泵站廠區(qū)平臺、泵站進廠道路，而電站仍需兩條交通道路，上壩道路必不可少。廠區(qū)平臺與交通都是依靠邊坡的大量開挖實現(xiàn)的，施工時，泵站、電站施工道路交錯布置，施工交通干擾大[9]8-9。

（5）方案1較方案3投資增大0.47億元，方案2較方案3投資增大0.99億元。從經(jīng)濟性來講，方案3具有較強的優(yōu)勢。

經(jīng)以上綜合分析比較，方案3有效利用壩基開挖，共用了GIS室、中控室，統(tǒng)一出線，施工及交通問題都能妥善解決，樞紐布置型式合理，投資較少。最終樞紐布置推薦方案3泵站、電站聯(lián)合布置方案。方案3布置剖面見圖4，

3 泵站、電站聯(lián)合布置的特點

（1）充分利用了壩段前緣寬度，上下布置了10個進水口，布置緊湊。在泵站、電站壩段擋水前緣一字排開上下錯層布置10個進水口，充分利用了擋水前緣的空間，節(jié)省了投資。但該方案泵站電站進水口布置復雜，當泵站、電站同時運行時兩個建筑物必須滿足進水口水流順暢，流態(tài)平穩(wěn);在低水位運行時保證泵站、電站進水流量，進水口避免產(chǎn)生旋渦[10]16。對于如此復雜的進水口布置，當泵站、電站同時運行時其流量、流態(tài)、水力條件能否滿足要求，需要通過水工模型試驗進一步驗證、優(yōu)化[10]18。

（2）整體結(jié)構(gòu)簡單，受力明確。泵站與電站廠房之間縱縫分割，對于泵站與電站單體建筑物而言，兩個建筑物獨立受力，分單元運行。但電站機組流道從泵站廠房基礎(chǔ)穿過，且泵站與電站機組振動頻率不同，泵站機組流量大、揚程高、轉(zhuǎn)速高，需要研究不同工況下廠房振動及相互之間的影響。

（3）利用導墻布置一臺機組，減少了非泄流壩段的長度，有利于泄洪建筑物的布置。泵站共7臺機組，對于有限的河床寬度來講，機組臺數(shù)越多，邊坡開挖量越大，而在設(shè)計中將1#機組設(shè)置在廠壩導流墻壩段，合理利用了空間，減少了邊坡開挖量。

（4）電站進水流道間隔布置，合理彎轉(zhuǎn)，充分利用空間。這樣布置可使機組間距不受進水口尺寸控制，不會因聯(lián)合布置而增大各個廠房工程量，電站廠房設(shè)計采用平屋頂，與泵站、尾水平臺同高，使泵站進廠回車平臺可以有效利用電站廠房屋頂空間。因此，即使在下游左岸布置3條道路（左岸上壩道路、泵站進廠道路、電站進廠道路），壩肩開挖仍然合理，節(jié)約了投資[9]7。

（5）泵站、電站電氣副廠房與GIS樓在廠區(qū)平臺集中修建，中控室與GIS樓泵站、電站可以共用，節(jié)約了投資，有利于運行、管理。

4 結(jié)論

經(jīng)多方案比較，分別從工程量、進出水條件、交通條件、施工條件等多方面論證分析，最終黃金峽水利樞紐采用泵站、電站聯(lián)合布置方案。

（1）該布置型式充分利用泵站、電站的安裝高程差及進水口前沿寬度，合理布置泵站、電站建筑物，并充分利用河床有限寬度及非溢流壩段，具有工程布置緊湊、簡潔且投資較省的優(yōu)點。

（2）泵站電站進水口布置復雜。泵站、電站同時運行時兩座建筑物必須滿足進水口水流順暢、流態(tài)平穩(wěn)，減少水頭損失;在低水位運行時進水口的布置需要同時滿足泵站、電站運行的進水流量，并且避免產(chǎn)生旋渦。為保證工程可靠實施，需通過水工模型試驗研究進水口水流條件，并通過試驗提出優(yōu)化進口體型，使流態(tài)平穩(wěn)，并提出防渦措施[10]18。

（3）泵站、電站前后聯(lián)合布置，兩廠房之間縱縫分割。對于泵站與電站單體建筑物而言，理論上兩個建筑物獨立受力，分單元運行。但電站進水流道從泵站廠房基礎(chǔ)穿過，且泵站與電站機組振動頻率不同，泵站機組屬于目前亞洲裝機容量最大的抽水機組，流量大、揚程高、振動頻率高。仍需要研究不同工況下泵站廠房的振動特性，以及振動對電站廠房的影響，評估振動影響的危害[9]6，并確定改善或消除振動影響的設(shè)計方案。

（4）泵站、電站分單元運行，統(tǒng)一出線，共用GIS樓及中控室，運行管理方便。黃金峽水利樞紐采用河床式泵站、壩后式電站聯(lián)合布置的型式，設(shè)計方案新穎獨特，具有工程布置緊湊、節(jié)省投資的優(yōu)勢，具有可行性。2011年該方案可研階段已通過水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院審查。仍需研究進水水流條件、機組振動、體型結(jié)構(gòu)、聯(lián)合布置分單元運行等，確保工程實施的安全可靠。

參考文獻：

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