官地水電站的設計調(diào)整

饒宏玲

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 工程概況

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi),系雅礱江卡拉至江河口河段水電規(guī)劃五級開發(fā)方式的第三個梯級電站?？ɡ两诤佣伍L 412km,天然落差 930m,水能資源 14700MW,規(guī)劃了錦屏一級(3600MW)、錦屏二級(4800MW)、官地 (2400MW)、二灘(已建,3300MW)、桐子林(600MW)5級開發(fā)。錦屏一級水電站水庫為該河段控制性水庫,具有年調(diào)節(jié)能力,對下游梯級的補償調(diào)節(jié)效益顯著。

官地水電站壩址距西昌市的直線距離約 30km,公路里程約 80km,電站主要任務是發(fā)電,水庫正常蓄水位 1330.00m,總庫容 7.6億 m3,水庫回水長58km,裝機容量 2400MW,裝 4臺 (4×600MW)水輪發(fā)電機組。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩,最大壩高 168m,最大水頭 128m,設計水頭 115.0m,最小水頭 108.2m。本工程等別為一等工程。大壩、廠房、引水尾水系統(tǒng)等主要建筑物為 1級建筑物。本工程永久性擋水建筑物和泄水建筑物設計洪水重現(xiàn)期為 500年,流量 14000m3/s;校核洪水重現(xiàn)期為5000年,流量 15500m3/s;廠房設計洪水標準為200年一遇,流量 12800m3/s,校核洪水標準 1000年一遇,流量14700m3/s;消能防沖設計洪水標準采用 100年一遇,流量 11900m3/s。發(fā)電引用流量2345m3/s(4×586.25m3/s)。

1998年 3月,官地水電站可行性研究報告獲審查通過,之后由于種種原因工程未能開工。2004年5月,官地水電站進行重編可行性研究設計,重編可行性研究設計完成后,根據(jù)工程實際情況,對樞紐布置進行了調(diào)整。

官地水電站樞紐區(qū)為橫向谷,主要分布玄武巖,玄武巖巖石堅硬,無區(qū)域性斷裂通過,具有較好的建壩條件;但其經(jīng)歷了多次構造運動,巖層陡傾,斷層、錯動帶及裂隙發(fā)育,且方向分散,陡中緩傾結構面在各部位均有分布。在此基礎上,因地殼強烈抬升,雅礱江迅速下切,形成陡峻地形,加之順坡向結構面發(fā)育,巖體卸荷強烈,次生夾泥分布深度大,岸坡表淺部巖體松弛,局部已顯示出變形現(xiàn)象,邊坡穩(wěn)定問題較突出;壩區(qū)緩傾角結構面分布較普遍,性狀較差,以傾下游為主,是壩基抗滑穩(wěn)定性的控制因素;樞紐區(qū)巖體完整性不均一,在河床壩基右側(cè)及地下廠房等局部地段形成了裂隙承壓水。

樞紐區(qū)無區(qū)域性斷裂(Ⅰ級結構面),根據(jù)結構面規(guī)模及構造作用強度將其分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。Ⅱ級結構面:即斷層,共發(fā)現(xiàn) 7條,主要分布于壩址區(qū) 0線上游 P2β21地層及下游 Ⅲ線一帶 P2β21～P2β13地層中;Ⅲ級結構面不甚發(fā)育,僅發(fā)現(xiàn) 22條;Ⅳ級結構面共發(fā)現(xiàn) 600余條,分布于整個樞紐區(qū),水平線發(fā)育率一般為 7～8條/100m,大者可達 15～20條/100m。Ⅲ、Ⅳ級結構面統(tǒng)稱為錯動帶;Ⅴ級結構面:即節(jié)理裂隙,方向較為分散,總體十分發(fā)育,但各處發(fā)育程度差別較大。

2 裝機容量調(diào)整

電站可行性研究階段的總裝機容量為1800 MW,裝 5臺單機容量 360MW的水輪發(fā)電機組。

可行性研究報告于 1997年 9月完成,至 2004年重編可研時已有 7年。7年間,雅礱江流域的水電開發(fā)形勢發(fā)生了較大變化,二灘水電站已建成,官地水電站上游錦屏一級、兩河口兩大控制性水庫的開發(fā)進程大大加快,與 1997年相比,官地水電站開展可研工作的外部環(huán)境和邊界條件發(fā)生了很大變化,因此在重編可研階段,有必要對電站裝機規(guī)模進行調(diào)整。

2.1 死水位及極限死水位

原可研階段,官地水電站死水位的選擇主要側(cè)重于調(diào)節(jié)性能和電站運行靈活等方面,推薦為1321m,水庫可達月調(diào)節(jié)。由于官地、錦屏一級、錦屏二級及兩河口水電站建設進程加快,預計 2015～2020年前后將先后投產(chǎn),屆時梯級電站聯(lián)合運行時,官地水電站水庫具有年調(diào)節(jié)性能,且由于在平、枯水期,入庫徑流量小,從徑流和水頭特性分析,盡量維持在高水位運行對提高電站發(fā)電量是有利的,但從系統(tǒng)調(diào)峰需求和發(fā)揮電站裝機容量效益出發(fā),本電站必須承擔一定的調(diào)峰任務,設置一定的日調(diào)節(jié)庫容。經(jīng)計算,官地水電站日調(diào)節(jié)庫容需要 2000萬 m3左右。考慮適當留有余地,并考慮梯級聯(lián)合運行的可靠性、壩前水庫地形及泥沙淤積對日調(diào)節(jié)庫容的影響等因素,確定電站的死水位按正常蓄水位消落 2m考慮,其相應調(diào)節(jié)庫容為2840萬 m3,死水位為 1328m。

為了增強官地水電站與上游錦屏一、二級電站在非常時期聯(lián)合運行的靈活性,借鑒二灘水電站運行的實際經(jīng)驗,在分析官地水電站取水口底板高程與工程量以及投資變化趨勢的前提下,設置極限死水位 1321m,以便非常時期動用極限調(diào)節(jié)庫容。

2.2 汛期排沙運用水位

錦屏一級水庫庫容大,攔沙作用強,其出現(xiàn)以后,可攔截全部的入庫推移質(zhì)泥沙和 86.3%的懸移質(zhì)泥沙。入庫泥沙主要來自錦屏一級壩址～官地壩址區(qū)間,汛期排沙運用水位在原可研確定的 1321m基礎上適當抬高是可能的。對重編可研階段汛期排沙運用水位擬定的 1321m、1326m、1328m及1330m共四個方案進行比較。

經(jīng)對各汛期排沙運用水位方案進行水庫泥沙沖淤及回水計算,成果表明:

水庫總淤積量隨汛期排沙運用水位的抬高而增加,但差異很小。水庫運用 100年,汛期排沙運用水位 1330m方案總淤積量為 2.781億 m3,比 1321m方案多淤積 0.039億 m3;各方案間相差 80萬～210萬 m3。水庫泥沙淤積洲頭推進速度差異不大,低方案略快。水庫運用 100年,各方案淤積洲頭距壩里程在 13.6～17.7km之間。各方案淤積對水庫調(diào)節(jié)庫容的損失都較小,水庫運用 30年,1321m、1326m、1328m、1330m方案調(diào)節(jié)庫容損失率分別為 0.42%、1.18%、3.16%、5.13%。

水庫淤積回水對錦屏二級電站廠房的防洪影響,計算了水庫運行 30年、遭遇錦屏二級電站廠房的設計洪水和校核洪水的水庫回水水面線,結果表明:1321m方案對錦屏二級廠房設計洪水位、校核洪水位無抬高,對錦屏二級廠房防洪無影響;1326m方案分別抬高 0.34m、0.41m,對錦屏二級廠房防洪影響較小;1328m方案分別抬高 0.64m、0.71m;1330m方案分別抬高 1.05m、1.08m。

綜上所述,從工程泥沙的角度而言,由于上游錦屏一級水庫攔沙,進入官地水庫的泥沙大量減少,使官地水庫泥沙淤積的年限延長,對于各汛期排沙運用水位方案,在水庫運用 100年內(nèi)均不會出現(xiàn)壩區(qū)泥沙問題。從對上游錦屏二級電站廠房防洪的影響考慮,汛期排沙運用水位越高,對廠房的防洪影響越大。但隨著官地水電站汛期排沙運用水位的提高,考慮對錦屏二級水電站回水對電量的影響后,兩電站年平均發(fā)電量仍然在增加,其中汛期排沙運用水位1326m方案比 1321m方案年平均電量增加1.84億 kW·h左右,汛期排沙運用水位 1328m方案比 1326m方案年平均電量增加 0.51億 kW·h左右,汛期排沙運用水位 1330m方案比 1328m方案年平均電量增加 0.26億 kW·h左右,因此,從盡量減小水庫回水對錦屏二級電站廠房的防洪影響和增加官地電站的發(fā)電效益等因素綜合分析,推薦官地水庫汛期排沙運用水位為 1328m。

2.3 裝機容量的調(diào)整

在重編可研階段擬定了三個裝機容量方案進行比較:(1)以原可研階段的 1800MW為下限方案,裝 5臺單機容量 360MW的水輪發(fā)電機組;(2)由于死水位和汛期排沙運用水位由可研階段的 1321m調(diào)整到本階段的 1328m,相應額定水頭由 109m調(diào)整到 115m,考慮水輪機組運輸條件與原可研階段一致,相應的水輪機參數(shù)基本相近,單機容量由360MW調(diào)整到 380MW,再考慮增加一臺機,相應的裝機容量由 1800MW方案增大到 2280MW,以此作為方案二;(3)考慮官地水電站與錦屏一、二級電站裝機年利用小時數(shù)基本一致和發(fā)電流量的協(xié)調(diào)關系,將裝機容量再增大到 2400MW方案,以此作為方案三。各裝機容量方案均采用混流式機組。

從各方案的水能資源利用率分析,錦屏一級電站建成后,各裝機容量方案的水量利用率在 78%～85%之間;當上游再出現(xiàn)兩河口電站后,各裝機容量方案的水量利用率在 85%～91%之間;南水北調(diào)西線一期工程建成后,各裝機容量方案的水量利用率在 86%～92%之間。各方案的平、枯水期電量基本相等,擴大裝機規(guī)模僅增加汛期電量,水資源利用程度明顯提高。

從電站靜態(tài)投資及動能經(jīng)濟指標分析,各方案的單位千瓦投資在 4432～5328元之間;單位電能投資在 0.868～0.953元之間。從補充單位千瓦投資指標分析,從方案一的1800MW增大到方案二的2280MW,補充單位千瓦投資僅 1370元;從方案二的 2280MW增大到方案三的 2400MW,補充單位千瓦投資 3229元。從補充單位電能投資看,上游出現(xiàn)錦屏一級電站后,方案一、方案二之間的補充單位電能投資為 0.812元,低于電站本身的單位電能投資;方案二、方案三之間的補充單位電能投資為1.427元,略高于電站本身的單位電能投資。當上游再出現(xiàn)兩河口水庫電站時,方案一、方案二之間的補充單位電能投資為 1.008元,略大于電站本身的單位電能投資 0.868元,方案二、方案三之間的補充單位電能投資為 1.928元,高于電站本身的單位電能投資指標。但從社會邊際成本來看,裝機容量2400MW方案仍是可行的。

從系統(tǒng)情況分析,官地水電站與錦屏一、二級電站聯(lián)合運行并具有年調(diào)節(jié)能力,其裝機容量適當增加,可以減少系統(tǒng)其它水電站的汛期水電棄水,替代系統(tǒng)火電電量。因此,從滿足系統(tǒng)電力電量需要考慮,適當增加裝機容量是可行的。對各裝機容量方案進行財務指標分析,按全部投資財務內(nèi)部收益率10%測算經(jīng)營期基礎出廠電價,在各方案的資本金財務內(nèi)部收益率大致相同的情況下,基礎出廠電價以 2400MW方案最小。

將容量效益、電量效益、工程投資納入綜合經(jīng)濟指標中比較,計算的總費用現(xiàn)值成果表明,裝機容量 2400MW方案的總費用現(xiàn)值最小。

綜上所述,從各方案水能資源利用率、電站靜態(tài)投資及動能經(jīng)濟指標、在電力系統(tǒng)中容量和電量發(fā)揮的作用等綜合分析后,將官地水電站裝機容量調(diào)整到 2400MW。

根據(jù)官地水電站的裝機容量、廠址的地形地質(zhì)條件、樞紐布置要求,從供電四川電網(wǎng)、電站運行靈活性和運輸條件等因素分析,重編可研階段擬定 4臺、5臺和 6臺三個方案進行機組臺數(shù)比較,各方案單機容量分別為 600MW、480MW和 400MW。

通過考慮廠房地質(zhì)條件、廠房樞紐布置條件、機電設備運輸及現(xiàn)場組裝條件、動能經(jīng)濟指標,以及便于流域梯級電站聯(lián)合運行等因素的綜合比較,重編可研階段推薦官地水電站機組臺數(shù)為 4臺。

3 樞紐布置調(diào)整

3.1 重編可研階段的樞紐布置

重編可研階段推薦的樞紐布置方案為碾壓混凝土重力壩,右岸首部地下廠房布置,壩身采用 5個表孔 +2個中孔,底流消能,壩軸線方位 N12°E,在右岸 23號壩段轉(zhuǎn)向為 N13°W與岸坡相接。

引水發(fā)電系統(tǒng)采用單機單管供水、“兩機一室一洞”尾水的布置格局。進水口布置在壩前右岸(河灣凹岸)竹子壩溝下游側(cè),與大壩右壩肩相連,型式為岸塔式,接近正向取水。進水口前沿總長157.40m,順水流方向長 30.00m,1～3號進水口底板高程為 1295.00m,4號進水口(考慮提前發(fā)電)底板高程為 1272.00m。4條壓力管道平行布置,采用豎井布置方案,斜向進廠。廠房、主變室、尾調(diào)室三大洞室平行布置,尾調(diào)室為阻抗長廊形,與廠房兩洞室中心間距 140.00m。首部式地下廠房安裝 4臺600MW的機組,機組安裝高程 1196.80m,主廠房長度 159.50m,跨度 29.80m(吊車梁以上最大跨度31.90m),安裝間長度 66.90m,副廠房長度17.00m,廠房總長度為 243.4m,最大高度 77.5m。尾調(diào)室與尾水洞的連接方式采用室內(nèi)交匯方式,布置兩個調(diào)壓室,兩條尾水洞。

重編可研階段樞紐布置見圖1。

3.2 樞紐布置調(diào)整的目的

在可研階段(1997年),于地下廠區(qū)部位布置了兩個地應力測點,采用孔徑法進行測試。根據(jù)測試結果得到的回歸最大主應力方向為 N74°～80°W,廠房縱軸線方位布置成 N60°E,與回歸最大主應力夾角為 40°～46°。在重編可研階段,根據(jù)廠房縱軸線與最大地應力小夾角、與主要結構面大夾角的原則,并考慮樞紐布置,將廠房主體洞室縱軸線方位調(diào)整為 N67°E,與回歸的最大主應力夾角為 33°～39°,減小了廠房縱軸線與最大主應力的夾角,有利于地下廠房圍巖的穩(wěn)定。

重編可行性研究階段,計劃引水發(fā)電系統(tǒng)從第一年 10月廠房進廠交通洞、廠房上支洞開挖,到第六年 12月 31日第一臺機組具備發(fā)電條件;大壩施工從第二年 2月壩肩開挖開始,至第六年 12月 31日廠房具備第一臺機組發(fā)電條件時,大壩已澆至壩頂高程,第七年 4月大壩閘門安裝完畢;導流洞于第六年 11月初下閘蓄水,第六年 11月～第七年 4月為其封堵時段,第七年 4月導流洞封堵完成。根據(jù)上述計劃,第六年 12月 31日第一臺機組具備發(fā)電條件時導流洞尚未封堵完成,此時發(fā)電需要采用導流洞閘門擋水,導流洞進口高程 1204.00m,考慮將導流洞擋水水頭控制在 96～100m范圍,初期發(fā)電水位定在 1300m,通過調(diào)節(jié)設置于大壩上的放空中孔工作閘門的開度來控制該時段庫水位不低于初期發(fā)電水位 1300m、不高于 1304m。第一臺機組發(fā)電后每 4個月投產(chǎn)一臺機組,即第二、三、四臺機組均在正常蓄水位發(fā)電。為滿足初期發(fā)電水頭要求,電站進水口采取高低布置,1～3號進水口底板高程為1295.00m,4號進水口高程考慮初期發(fā)電水頭要求降低到 1272.00m,廠房進水口采取高低布置。

圖1 重編可研階段的樞紐布置

由于官地水電站地下廠房跨度大、地應力高(可研階段實測最大主應力σ1=25.0～30.1MPa),地應力作為一個重要的荷載,地下廠區(qū)部位僅兩個實測點顯得較少,故在編制重編可行性研究報告編制的同時,我院在地下廠區(qū)增補了 3組地應力測點。由于重編可研報告編制完成時,3組新增的地應力測點尚未測試完成,故地下廠區(qū)地應力方向暫采用可行性研究階段結論。重編可研報告審查后,新增補的地應力測點測試完畢。新增補的地應力測點同時采用了孔壁法及孔徑法進行地應力測試,并采用了這兩種方法對可研階段測試的 2個地應力測點進行了復測。據(jù)對 5孔地應力測試成果的綜合分析,采用孔壁法測得的最大主應力方向平均為 N38.5°W,孔徑法測得的最大主應力方向平均值 N35.4°W,與可研階段測得的地應力方向差距較大,如廠房縱軸線維持重編可研階段布置,則廠房縱軸線與最大主應力的夾角為 74.5°(孔壁法)～77.6°(孔徑法),廠房縱軸線與最大地應力方向夾角較大,對地下廠房的圍巖穩(wěn)定不利,因此,有必要調(diào)整重編可行性研究階段的樞紐布置方案。

同時,重編可研完成后,根據(jù)工程實際情況,電站已不具備提前發(fā)電條件,故無需再布置高、低進水口,4個進水口可采用同一高程 1295m。

如上所述,重編可研后的樞紐布置調(diào)整主要是針對廠房布置及進水口高程進行的。

3.3 樞紐布置調(diào)整

針對上述情況,根據(jù)廠區(qū)地應力方向及主要結構面方向,擬定了四個樞紐布置方案進行比選:

方案一:為使廠房縱軸線與最大主應力方向夾角較小、與主要結構面走向有較大夾角,結合工程樞紐布置,擬定廠房縱軸線方位為 N 10°E。考慮進廠交通洞布置順暢,并部分利用過壩交通洞,將安裝間和副廠房的位置互換,安裝間布置在靠山側(cè),副廠房布置在靠河床側(cè)。該方案樞紐布置較緊湊,引水尾水系統(tǒng)布置較順暢;廠房三大洞室較靠山外,地應力量值稍低,但廠房縱軸線與最大主應力方向夾角為48.5°(孔壁法)～45.4°(孔徑法),且在主變室的北端 NNW～近 SN向的中陡傾角錯動帶密集,多數(shù)與洞軸線小角度相交,不利于廠房洞室群圍巖的穩(wěn)定。

方案二:將廠房三大洞室向山內(nèi)平移 60m,同時將廠房縱軸線方位調(diào)整為正北向。該方案廠房縱軸線與最大主應力方向的夾角為 38.5°(孔壁法)～35.4°(孔徑法),夾角較小,且主變室的北端也基本避開了密集的中陡傾角錯動帶,有利于廠房洞室群圍巖的穩(wěn)定。但該方案廠房縱軸線與廠區(qū)內(nèi)優(yōu)勢結構面的夾角在 20°左右,三大洞室向山內(nèi)平移,地應力量值也加大,對廠房邊墻的穩(wěn)定不利;而且由于廠房三大洞室靠近山內(nèi),引水系統(tǒng)布置困難。為了滿足調(diào)保要求,3號、4號壓力管道的內(nèi)徑需加大,分別調(diào)整為 12.4m和 13.2m,壓力管道出現(xiàn)三種洞徑,使施工復雜化。

方案三:在方案一的基礎上,將廠房三大洞室向山內(nèi)平移 30m,將廠房縱軸線方位調(diào)整為 N5°E;同時,為使進水順暢,將電站進水口和壩肩分開,進水口向上游平移約 60m,前緣方位調(diào)整為 N62°E,為減少高邊坡開挖,將進水口向山外適當前移。由于電站進水口與壩肩分開,故將擋水建筑物右壩肩 23、24、25號壩段的壩軸線方位調(diào)整為 NE12°,使大壩軸線整個拉直。

總體看,方案三廠房縱軸線與廠區(qū)內(nèi)主要結構面走向的夾角為 25°左右,與孔徑法實測的最大主應力σ1方向平均值的夾角為 40.4°,與孔壁法實測的最大主應力σ1方向平均值的夾角為 43.5°。廠房三大洞室向山內(nèi)平移后,也在一定程度上避開了主變室北端密集的中陡傾角錯動帶。

上述三個方案主、副廠房按“一”字形布置,安裝間和副廠房分別布置在主機間的兩端,安裝間布置在靠山側(cè),副廠房布置在靠河床側(cè)。但在安裝間范圍內(nèi)分布有 fx6009(N 65°W/NE∠70°～ 76°)、fx6010(N25°W/NW∠55°～60°)兩條錯動帶 ,對巖壁吊車梁的開挖成型及使用安全不利。所以在方案三的基礎上,擬定了方案四。

方案四:安裝間布置在靠河床側(cè),副廠房布置在靠山側(cè)(與重編可研方案副廠房和安裝間位置一樣),其余布置與方案三一致。

由于安裝間比副廠房長,對方案四而言,安裝間布置在靠河床側(cè),其水平埋深和垂直埋深均減小;進廠交通洞的進廠交叉口處于主變室北端密集的中陡傾角錯動帶范圍內(nèi),需局部加強支護;進廠交通洞洞身跨過兩條尾水洞和尾調(diào)交通洞,交叉位置的最小巖層厚度為 18.9～10.4m,小于一倍的最大洞室開挖高度,且交叉部位可能位于 F6陡傾角斷層影響帶內(nèi),工程處理難度大。

經(jīng)綜合比較,最終選定方案三為官地水電站推薦的樞紐布置調(diào)整方案。樞紐布置調(diào)整后的推薦方案見圖2。

推薦方案的電站進水口和右壩肩分離,解決了進水口與大壩之間的施工干擾問題。由于不受進水口布置的影響,大壩軸線可不必折線布置,整個大壩軸線全部拉直,大壩整體布置簡單。

圖2 樞紐布置調(diào)整后的推薦方案

4 結束語

官地水電站可行性研究報告于 1998年 3月審查通過后,由于種種原因工程未能開工。2004年 5月,官地水電站進行重編可行性研究設計,由于雅礱江上游電站的修建,使官地水電站的死水位、汛期排沙運用水位抬高,額定水頭增加,通過系統(tǒng)研究,重編可行性研究設計階段將電站的裝機容量從可行性研究階段的 1800MW加大到 2400MW,提高了水能資源的利用率。重編可行性研究設計完成后,根據(jù)進一步實測的地應力資料,對樞紐布置進行了調(diào)整,調(diào)整后的廠區(qū)樞紐布置較好地協(xié)調(diào)了地應力及主要結構面對地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定的影響,同時,使大壩整體布置更加合理,引水、尾水系統(tǒng)布置更加順暢。