陡溝水電站優(yōu)化設計分析

□李 麗（河南省鎮(zhèn)平縣趙灣水庫管理局）

1.工程概況

陡溝水電站壩址河谷呈“U”形，河床寬度約190～220m，兩岸山坡平緩。河床靠左岸側(cè)為深水主河槽，靠左岸側(cè)為漫灘。水電站為低水頭大流量發(fā)電工程，采用攔河壩（閘）和電站廠房并列聯(lián)合擋水的河床式水電站布置型式。擋水建筑物由兩岸連接建筑物、擋水溢流壩段、泄洪沖砂閘壩段、發(fā)電廠房壩段組成。因壩址以上集水面積廣，洪水洪峰流量大，為減少水庫淹沒損失和政策處理的難度，重點考慮維持壩前洪水位與同標準天然洪水位高差不超過30cm，要求泄水建筑物有足夠泄洪能力。根據(jù)以上特殊情況，對水電站的壩型、壩軸線設計方案進行優(yōu)化。

2.設計方案

2.1 壩型比較

結(jié)合泄水建筑物和樞紐布置要求，因泄水建筑物是擋水建筑物的一部分，擋水建筑物型式又要求結(jié)合泄水建筑物型式進行，初步設計階段擋水溢流壩段壩型推薦選擇水力自控翻板閘壩和橡膠壩兩種壩型，現(xiàn)將兩種壩型設計方案進行比較，分析如下：

2.1.1 水力自控翻板閘壩

翻板閘壩壩段總寬度165m，溢流總凈寬160m（未扣除支墩），堰頂設有16扇10m×5.5m（寬×高）混凝土翻板閘門，翻板閘門門頂高程34.0m。溢流堰采用折線型實用堰，堰頂高程28.5m，堰頂寬度9.0m，下游銜接1:2的斜坡，堰基高程23.0～25.0m，堰高5.5～3.5m，堰基寬度14.4m。溢流堰堰體主要材料為C15細骨料混凝土灌砌塊石，堰面通過計算采用C20混凝土，堰基為C15混凝土。

2.1.2 橡膠壩橡膠壩壩段總寬度180.5m，溢流堰頂處溢流總凈寬150m，橡膠壩袋頂高程34.2m，壩袋長172.8m。溢流堰為折線型實用堰，堰頂高程28.5m，堰頂寬度根據(jù)橡膠袋平鋪長度的結(jié)構(gòu)要求確定為18.0m，下游銜接1:2的斜坡，堰基高程23.0～25.0m，堰高5.5～3.5m，堰基寬度23.4m。溢流堰堰體內(nèi)部為C15細骨料混凝土灌砌塊石，堰面和堰基采用C20和C15混凝土。

2.1.3 翻板閘壩和橡膠壩壩型方案工程量及投資見下表

翻板閘壩和橡膠壩均是目前較為廣泛采用的壩型，在技術上均是可行的，但就目前的技術水平來看，翻板閘壩較橡膠壩成熟些。翻板閘壩方案的主要優(yōu)點是總體布置簡單，運行管理和維修方便，施工起來安裝簡便，并且工期短，工程投資比橡膠壩節(jié)省。并且翻板閘門可隨著水庫水位的升降自動開啟，不需要工程管理人員去現(xiàn)場操作，又可節(jié)約大量的工程管理費用。雖在遭遇大洪水時，翻板閘門有阻水作用，稍影響行洪，但壩址處河床平坦開闊，彌補了其泄流能力較差的缺點，完全可以滿足河道行洪泄流的要求。

橡膠壩主要優(yōu)點是行洪期間塌壩，河道有效行洪斷面基本上不會縮小，不影響河道行洪，自然美觀。但是橡膠壩需要考慮壩袋兩側(cè)混凝土邊墩，其壩段寬度比翻板閘門方案壩段還長15.5m，泄洪沖砂閘需布置在灘地上，電站廠房壩段除利用灘地外還需占用部分河岸，樞紐布置困難，還要考慮布置沖排水泵站，工程投資和運行費用大。另外橡膠壩袋如果遇尖銳物易破損，修補時需放空水庫或修筑臨時圍堰，維修起來比較困難。

綜上所述，翻板閘壩方案具有布置簡單、施工簡便、運行起來管理方便、工程投資和運行管理費用省等優(yōu)點，因此擋水建筑物壩型推薦采用水力自控翻板閘壩方案。

表1 壩型方案比較表

2.2 壩軸線選擇

根據(jù)工程規(guī)模和工程區(qū)地形地質(zhì)條件以及河道和水面比降，對陡溝水電站選擇的上、下兩個壩址進行詳細工程地質(zhì)勘察以及方案進行比較，上壩軸線位于黃灣村下游約0.4km處，河床坡度較陡、水面坡降較大，下游1000m后河床坡度平緩、河床寬度較窄；下壩軸線選在陡溝村處，距上壩軸線1.0km。兩壩址均具備修建低水頭混凝土壩的條件，工程樞紐布置及施工條件相似，現(xiàn)從地形、地質(zhì)條件及技術經(jīng)濟綜合分析兩個壩軸線，擇優(yōu)選擇。

2.2.1 上壩軸線方案

上壩軸線位于黃灣村下游約0.4km處，該壩區(qū)屬低山丘陵河谷地貌，兩岸壩肩地形不對稱，左壩肩山坡坡角約20°～30°；右岸發(fā)育一寬度為240m左右的階地山坡坡角約20°左右；壩軸線處河谷寬闊，呈“U”字形。壩基外露巖性為變質(zhì)砂巖和板巖，巖層產(chǎn)狀傾角陡，對壩基穩(wěn)定有利，巖層劈理發(fā)育，完整性差，斷層在壩址不發(fā)育，不存在較大構(gòu)造軟弱結(jié)構(gòu)面及壩基抗滑的不利組合。

設計攔河（閘）壩呈“一”字形布置，總長度為270.5m，攔河（閘）壩從左到右依次為：左岸連接建筑物為土石結(jié)構(gòu)；翻板閘壩，長165.0m（含中隔墩和邊墩5.0m），溢流總凈寬160m，溢流堰為折線型實用堰，堰頂寬度9.5m，堰高3.5m，堰頂設16扇10m×5.5m（寬×高）翻板閘門；泄洪沖砂閘段長9.9m，共2孔，孔口尺寸3.0m×3.0m；發(fā)電廠房壩段長44.0m，廠房內(nèi)設有4臺2MW軸伸貫流式水輪發(fā)電機組，副廠房布置在主廠房下游側(cè)；右岸連接建筑物的土石結(jié)構(gòu)；大壩右岸下游階地上布置升壓站，右壩肩階地設永久公路至廠房及壩頂。

上壩軸線方案水庫正常蓄水位34.00m，設計洪水位（P=5%）為40.97m，校核洪水位（P=2%）為43.75m，電站總裝機容量為8MW，多年平均發(fā)電量2530萬kW·h。

2.2.2 下壩線方案

下壩軸線選在陡溝村處，距上壩軸線1km。壩址河谷相對較寬，兩岸地形不對稱，左側(cè)河床為沖刷深槽區(qū)，河谷地形條件可滿足建低水頭混凝土壩的要求。壩址右壩肩為一較寬的沖積階地，地勢較高，地形相對較平緩。壩址河床部位出露弱風化巖體，可直接利用基巖面進行適當整平后作建基面。壩址出露巖性主要為變質(zhì)砂巖和板巖，有利于壩基抗滑穩(wěn)定。兩岸壩肩及壩基整體穩(wěn)定，工程地質(zhì)條件較好。

設計攔河（閘）壩呈“一”字形布置，總長度為293.4m。攔河（閘）壩從左到右依次為：左岸連接建筑物為土石結(jié)構(gòu)；翻板閘壩段長165.0m（含中隔墩和邊墩5.0m），溢流總凈寬160m，溢流堰為折線型實用堰，堰頂寬度9.0m，堰高5.5～3.5m，堰頂設16扇10m×5.5m（寬×高）翻板閘門；泄洪沖砂閘段長9.9m，共2孔，孔口尺寸3.0m×3.0m；發(fā)電廠房壩段長50.46m，廠房內(nèi)設有4臺 2.5MW軸伸貫流式水輪發(fā)電機組，副廠房布置在主廠房下游側(cè)；右岸連接建筑物為土石結(jié)構(gòu)；大壩右岸臨山坡布置升壓站，右岸下游設有永久公路至廠房及壩頂。

2.2.3 壩軸線比較與選擇

對兩條壩軸線的地形地質(zhì)條件、樞紐布置、水庫淹沒以及工程量和投資、工程經(jīng)濟效益等方面進行綜合分析比較后來確定壩軸線。

表2 壩軸線方案綜合比較表

2.2.3.1 地形地質(zhì)條件

下壩軸線地形寬闊，河床寬度比上壩軸線寬10～30m左右，河道比較順直，有利于施工導流建筑物和泄水建筑物的布置,下泄水流流態(tài)和廠房進出水條件較好。另外，上壩軸線下游300～1000m范圍河段水面坡降較大，河床坡度較陡，特別是上壩軸線下游300～600m河段河床高程比下壩軸線河床高程高約1.4～1.0m，該河段河床大部分基巖裸露在外，疏浚起來比較困難且工程投資大，而下壩軸線則可充分利用水頭。雖然兩壩軸線地質(zhì)條件相近，但明顯下壩軸線地形條件優(yōu)于上壩軸線。

2.2.3.2 樞紐布置

兩條壩軸線樞紐布置基本相同，因下壩軸線處河岸寬度和河床相對較寬，泄水建筑物設計布置在河床中，右岸岸坡較為平緩，因此土石方開挖量比較小，同時水流條件又較好，所以廠房基本布置在靠右岸邊河床中。上壩軸線所處地方，河床、河岸寬度較窄，左岸需開挖部分階地，以滿足泄水建筑物布置的要求，廠房布置還需利用右岸部分山體，而右岸山體高程較高，相對土石方開挖量大。因此，從樞紐工程布置上看，下壩軸線要優(yōu)于上壩軸線。

2.2.3.3 水庫淹沒

上壩軸線水庫淹沒處理投資為77.11萬元，下壩軸線水庫淹沒處理投資為94.54萬元，下壩軸線僅比上壩軸線增加17.43萬元。

2.2.3.4 工程投資及效益

上壩軸線工程靜態(tài)總投資5707萬元，下壩軸線工程靜態(tài)總投資6093萬元，下壩軸線比上壩軸線多年平均發(fā)電量增加583萬kW·h，但工程總投資僅比上壩軸線多386萬元，因此下壩軸線比上壩軸線優(yōu)。

經(jīng)綜合技術經(jīng)濟比較，推薦下壩軸線為選定壩軸線。

3.結(jié)束語

由于陡溝水電站壩址處河床平坦開闊，彌補了翻板閘壩泄流能力較差的缺點，擋水建筑物壩型采用水力自控翻板閘壩，施工簡便，運行起來管理方便，完全可以滿足河道行洪泄流的要求。下壩軸線為選定壩軸線，從技術經(jīng)濟綜合綜合分析論證效益明顯，既節(jié)省了工程投資和運行管理費用，又滿足了樞紐工程的總體要求，發(fā)揮了應有的功能效果，在同類水電站的設計中具有一定的借鑒作用。

[1]郭長江,王艷芳.水力自控翻板閘壩在牡丹江下游的推廣應用[J].黑龍江水利科技.2010（05）.

[2]劉風秋樂灘水電站優(yōu)化設計經(jīng)驗總結(jié)[J].紅水河.2006（03）.