金沙水電站樞紐布置設(shè)計(jì)研究

鄢雙紅 王志宏 夏傳星

摘要：金沙水電站樞紐布置受到攀枝花城區(qū)布局、壩址區(qū)自然條件及周邊環(huán)境因素影響。在各階段勘察、設(shè)計(jì)及科研工作的基礎(chǔ)上，經(jīng)專題研究壩址、壩線及樞紐布置方案，選擇了下壩址下壩線，提出了“左廠右泄、三期導(dǎo)流”樞紐布置方案。2021年10月，金沙水電站4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。目前，金沙水電站運(yùn)行狀況良好，表明該方案安全可靠、技術(shù)可行且經(jīng)濟(jì)合理。

關(guān)鍵詞：樞紐布置; 壩址選擇; 消能設(shè)計(jì); 金沙水電站; 攀枝花市

中圖法分類號(hào)：TV61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.001

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）03 - 0001 - 04

0 引 言

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，是金沙江水電基地中游河段“一庫(kù)十級(jí)”規(guī)劃的第九級(jí)，上距觀音巖水電站28.90 km，下距銀江水電站21.30 km。電站正常蓄水位1 022.00 m，總庫(kù)容1.08億m3，裝機(jī)容量56萬(wàn)kW（560 MW），多年平均發(fā)電量21.77億kW·h。金沙水電站的主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件及對(duì)觀音巖水電站的反調(diào)節(jié)作用等綜合功能。

金沙水電站位于攀枝花城區(qū)，具有低水頭、大流量、高淹沒的特點(diǎn)。根據(jù)工程開發(fā)任務(wù)、運(yùn)行特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外低水頭徑流式電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[1-4]，通過壩址、壩線及樞紐布置的專題研究及相關(guān)科研論證[5-7]，解決了城區(qū)水電站選址、縱向圍堰位置選擇、高淹沒出流消能等問題，確定了合理的樞紐布置方案。

1 設(shè)計(jì)基本條件

（1） 水文、泥沙條件。金沙江攀枝花河段處于干熱河谷地帶，多年平均氣溫20.9 ℃。壩址多年平均流量1 870 m3/s，徑流量590億m3，徑流主要集中在6～11月。壩址天然多年平均輸沙量5 120萬(wàn)t，含沙量0.868 kg/m3。

（2） 地形、地質(zhì)條件。壩址區(qū)屬中山峽谷地貌，山高400～700 m，呈不對(duì)稱V型谷，兩岸坡形均呈上陡下緩狀，上部坡角30°～50°，下部坡角20°～25°。金沙江流向在503電廠由SE轉(zhuǎn)折為NE，壩址處河流流向NE22°，河道較順直。壩址區(qū)基巖為三疊系上統(tǒng)大蕎地組（T3dq）、丙南組（T3b）碎屑巖及華力西期正長(zhǎng)巖（ξ4）。第四系堆積物主要有人工堆積物、崩坡積物、沖積物等。左岸與河床基巖為華力西期正長(zhǎng)巖。右岸為丙南組與大蕎地組砂巖，呈單斜構(gòu)造，巖層走向45°～85°、傾向SE、傾角30°～45°，走向與金沙江交角30°～55°，傾向上游偏右岸。壩址區(qū)構(gòu)造形跡主要有撓曲、斷層、層間剪切帶、裂隙等。

壩址區(qū)右岸山坡分布有牛筋樹堆積體和花石崖?lián)锨掠斡欣滠垙S堆積體;金沙江左岸分布有503堆積體、獅子石強(qiáng)卸荷危巖體。

（3） 工程等別和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。金沙水電站工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型，擋水、泄洪和電站等主要建筑物為2級(jí)建筑物，次要建筑物為3級(jí)建筑物，水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)?；炷林亓?、河床式電站按100 a一遇洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量14 200 m3/s;1 000 a一遇洪水校核，洪峰流量18 000 m3/s;消能防沖建筑物按50 a一遇洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量11 700 m3/s（考慮上游觀音巖水電站調(diào)蓄）。工程場(chǎng)地的地震基本烈度為Ⅶ度，壩址50 a超越概率為10%的基巖水平峰值加速度值為120 cm/s2。

2 樞紐布置研究

2.1 布置原則

（1） 適應(yīng)河谷地形地質(zhì)、河段水文條件及城市周邊環(huán)境制約因素，減少對(duì)上下游廠礦企業(yè)等的影響，發(fā)揮各建筑物功能，協(xié)調(diào)相互關(guān)系。

（2） 在滿足下游城市河道泄洪安全及庫(kù)區(qū)淹沒等限定條件下，優(yōu)先選擇泄洪規(guī)模大、超泄能力強(qiáng)的泄洪設(shè)施，滿足徑流式電站的運(yùn)行安全。

（3） 樞紐布置應(yīng)結(jié)合導(dǎo)流方式統(tǒng)一規(guī)劃，兼顧工程導(dǎo)流要求，考慮臨時(shí)建筑物和永久建筑物相接合，充分發(fā)揮綜合效益。

（4） 樞紐各建筑物布置應(yīng)緊湊合理，方便施工，節(jié)省投資，便于運(yùn)行管理。

2.2 樞紐布置面臨的問題

2.2.1 城區(qū)水電站選址

金沙水電站位于攀枝花城市西區(qū)，是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多在城市區(qū)域布置的水電站工程。樞紐布置涉及的影響因素與其他工程不同，除地形地質(zhì)基本條件外，還受到城市規(guī)劃、壩址區(qū)廠礦企業(yè)分布、施工爆破震動(dòng)限制等城市特有制約因素的影響，給金沙水電站壩址、壩線選擇工作帶來新的挑戰(zhàn)。

金沙水電站在壩址選擇時(shí)，對(duì)相距2.4 km的中、下兩個(gè)壩址進(jìn)行比選，兩壩址地質(zhì)條件相差不大、施工條件基本相當(dāng)。其中，下壩址比中壩址多利用水頭約2 m，發(fā)電效益可增加近2億kW·h。鑒于下壩址具有明顯優(yōu)勢(shì)，通常應(yīng)將其作為大壩選址方案。然而，在金沙水電站下壩址左岸上游側(cè)存在一個(gè)電冶廠企業(yè)，下壩址樞紐布置將涉及該企業(yè)的搬遷復(fù)建。因此，建設(shè)周期長(zhǎng)、補(bǔ)償費(fèi)用多等成為制約下壩址方案的主要因素，一度給選址決策帶來較大影響。后來，經(jīng)業(yè)主不斷與地方政府及相關(guān)企業(yè)進(jìn)行協(xié)商溝通，在明確解決了拆遷補(bǔ)償費(fèi)、搬遷周期等問題后，確定了下壩址的選址方案。之后在壩線選擇時(shí)，為了盡量遠(yuǎn)離電冶廠，減少前期施工爆破對(duì)其振動(dòng)影響，只能考慮壩線下移，但下游約400 m處又分布有大型冷軋廠堆積體，受這些周邊廠礦企業(yè)位置因素的影響，壩軸線只能在70 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)選擇。

因此，對(duì)于城區(qū)水電站進(jìn)行樞紐布置研究時(shí)，需兼顧城市總體規(guī)劃布局，充分考慮外部環(huán)境制約因素影響，及時(shí)與地方政府及相關(guān)企業(yè)溝通協(xié)商，及早消除影響壩址、壩線及樞紐布置的潛在干擾。

2.2.2 縱向圍堰位置的確定

金沙水電站采用三期導(dǎo)流施工，這是河床式電站常采用的導(dǎo)流方式。對(duì)于河床式電站，導(dǎo)流方案對(duì)工程樞紐布置影響很大，特別對(duì)于金沙水電站這樣采用分期施工導(dǎo)流的工程，縱向圍堰位置的選擇至關(guān)重要。無論導(dǎo)流明渠設(shè)置在左岸還是右岸，首先要選擇縱向圍堰的合適位置。從減少導(dǎo)流明渠及其邊坡開挖工程量方面考慮，縱向圍堰應(yīng)盡量靠向河床，但同時(shí)要求保護(hù)縱向圍堰施工的一期圍堰束窄河床不能過多，否則會(huì)使原河床流速過大，對(duì)一期圍堰沖刷產(chǎn)生不利影響?？v向圍堰位置對(duì)導(dǎo)流施工影響較大，直接關(guān)系到導(dǎo)流工程的施工進(jìn)度及投資。同時(shí)，縱向圍堰壩身段又屬于永久建筑物的一部分，位置的確定是整個(gè)樞紐布置的起點(diǎn)。因此，縱向圍堰位置選擇需要權(quán)衡利弊、慎重考慮。

金沙水電站壩址處兩岸岸坡呈“上陡下緩”狀，均有條件布置導(dǎo)流明渠。在綜合考慮導(dǎo)流明渠寬度、邊坡開挖高度、一期圍堰束窄河床度、一期圍堰的防護(hù)難度等因素后，經(jīng)左右岸位置比選并結(jié)合樞紐布置格局的研究，最終確定了在右岸布置混凝土縱向圍堰的方案，為金沙水電站“左廠右泄”樞紐布置方案的形成奠定了基礎(chǔ)。因此，對(duì)于類似采用分期導(dǎo)流的河床式電站，不能僅考慮將導(dǎo)流工程作為臨時(shí)建筑物，其位置的合理確定對(duì)導(dǎo)流工程及樞紐布置格局都非常重要，需要重點(diǎn)論證。

2.2.3 高淹沒出流消能問題

金沙水電站為河床徑流式電站，具有“低水頭、大泄量、高淹沒”的特點(diǎn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)已建成的同類工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于淹沒度較大的工程，由于消能不充分，容易導(dǎo)致下游河床受到?jīng)_刷。改善泄流條件、提高消能率是高淹沒出流工程的難題之一。

金沙水電站泄洪水頭較低，設(shè)計(jì)、校核工況上下游水頭不大于6 m，50 a一遇洪水的水頭差也僅7 m，且下游淹沒度均大于0.6，屬于大淹沒出流。水工模型試驗(yàn)表明，若采用常規(guī)的平尾閘墩，水躍基本在表孔閘室內(nèi)部，閘室內(nèi)水流紊亂。同時(shí)，由于弗氏數(shù)低（Fr=2～3），下游淹沒度大，消能率不高，出消力池后流速較大，對(duì)下游冷軋廠堆積體的防沖保護(hù)會(huì)產(chǎn)生不利影響。為了解決上述問題，研究了在閘墩末端設(shè)置寬尾墩的方案，通過對(duì)收縮比為0.4，0.5和0.6的寬尾墩體型進(jìn)行對(duì)比研究，最終采用收縮比為0.5的Y型寬尾墩方案。設(shè)置寬尾墩后，各工況下的水躍躍首基本被推出閘室，未發(fā)現(xiàn)水花觸及弧門支座的現(xiàn)象，且水流出消力池后與下游水流銜接平順。金沙水電站采用的“Y型寬尾墩+底流消能”方式，較好地解決了低弗氏數(shù)、高淹沒條件下的消能問題，確定了金沙水電站樞紐布置中泄洪消能方案。

2.3 樞紐布置方案

在解決了上述樞紐布置研究過程的主要問題后，經(jīng)綜合比選，金沙水電站最終選擇了下壩址下壩線。采用了混凝土重力壩、河床式電站廠房、導(dǎo)流明渠分期導(dǎo)流方式，形成了“左廠右泄、三期導(dǎo)流”的樞紐布置方案。

金沙水電站主要由擋水、泄洪、生態(tài)泄流、電站廠房和魚道等建筑物組成。河床及左岸布置電站廠房，右岸側(cè)布置泄水建筑物;縱向圍堰壩段以左布置3個(gè)泄洪表孔，以右布置2個(gè)泄洪表孔和1個(gè)生態(tài)泄水孔;魚道布置在安裝場(chǎng)左側(cè)。金沙水電站樞紐布置見圖1。

2.4 主要建筑物設(shè)計(jì)

（1） 混凝土重力壩?；炷林亓螇雾敻叱? 027.00 m，最大壩高66.00 m。壩軸線長(zhǎng)度392.50 m，共15個(gè)壩段，從左至右依次為左岸非溢流壩段、安裝場(chǎng)及機(jī)組壩段、河床溢流壩段、縱向圍堰壩段、右岸溢流壩段、生態(tài)泄水孔壩段、右岸非溢流壩段。

（2） 泄洪消能建筑物。泄洪建筑物采用5個(gè)孔口尺寸為14.50 m×23.00 m的泄洪表孔。其中，縱向圍堰左側(cè)3孔，右側(cè)2孔，表孔堰型采用WES實(shí)用堰型式[8]，堰頂高程999.00 m。下游采用底流消能型式，消力池底板高程988.00 m，消力池長(zhǎng)90.00 m，河床內(nèi)消力池末端設(shè)置高4.00 m的尾坎，明渠內(nèi)消力池末端不設(shè)置尾坎。河床內(nèi)消力池底寬54.50 m，明渠內(nèi)消力池底寬45.50 m。

（3） 電站建筑物。電站廠房型式為河床式，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為14萬(wàn)kW（140 MW）的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)，廠房尺寸為231.80 m×96.50 m×84.20 m。電站建筑物包括機(jī)組壩段、安裝場(chǎng)壩段、引水渠、尾水渠、排沙孔及攔沙坎、進(jìn)廠交通公路等。電站建筑物沿壩軸線總長(zhǎng)231.80 m，機(jī)組段長(zhǎng)163.80 m，安裝場(chǎng)長(zhǎng)68.00 m，順?biāo)飨驅(qū)挾?6.50 m。機(jī)組壩段上游為引水渠，下游為尾水渠。中控室、主變壓器及GIS室均布置于主廠房下游側(cè)尾水管頂部的下游副廠房?jī)?nèi)。

電站裝機(jī)高程為997.50 m，壩式進(jìn)水口底板高程為988.50 m，尾水管出口底板高程970.17 m，尾水平臺(tái)高程為1 021.00 m。尾水渠長(zhǎng)88.80 m，底寬163.80 m，尾水渠上游接尾水管出口，下游以1∶4的反坡接原河床。進(jìn)廠交通由安裝場(chǎng)下游側(cè)進(jìn)廠，對(duì)外接左岸進(jìn)廠公路，廠前設(shè)回車場(chǎng)，高程為1 021.00 m。

（4） 過魚建筑物。魚道布置在電站廠房以左的岸坡上，全長(zhǎng)約為1 486.00 m，設(shè)有3個(gè)進(jìn)魚口和2個(gè)出魚口。魚道主要建筑物包括：魚道主體結(jié)構(gòu)（進(jìn)魚口、過魚池、出魚口）、廠房集魚系統(tǒng)以及補(bǔ)水系統(tǒng)等。過魚池采用整體U型結(jié)構(gòu)。單個(gè)過魚池凈寬3.00 m，長(zhǎng)3.50 m，底坡1∶50，側(cè)墻寬1.00 m，底板厚2.00 m。隔板采用單側(cè)導(dǎo)豎式，隔板厚0.20 m，豎縫寬度0.40 m。

（5） 生態(tài)泄水建筑物。生態(tài)泄水建筑物采用1個(gè)生態(tài)泄水表孔，孔口寬度為6.00 m，堰頂高程1 007.00 m。采用底流消能型式，與明渠內(nèi)泄洪表孔共用一個(gè)消力池，消力池底板高程988.00 m，消力池長(zhǎng)90.00 m。

3 結(jié) 語(yǔ)

在金沙水電站樞紐布置方案研究中，綜合考慮了攀枝花市城市規(guī)劃布局、壩址地形地質(zhì)條件、河勢(shì)流態(tài)以及周邊環(huán)境等因素。在各階段勘察、設(shè)計(jì)及科研工作的基礎(chǔ)上，經(jīng)充分研究比較，最終選定的樞紐布置方案適應(yīng)了壩址區(qū)基本條件，建筑物可滿足各項(xiàng)功能要求，工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，運(yùn)行安全有保障。2020年11月底，金沙水電站首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。2021年10月，4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電，目前工程運(yùn)行情況良好。

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（編輯：李 慧）

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