潘口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

游 志 純

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖北 宜昌 443002)

潘口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

游 志 純

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖北 宜昌 443002)

在潘口水電站施工詳圖設(shè)計階段，本著技術(shù)可行、施工便利、經(jīng)濟合理的原則，對工程引水發(fā)電系統(tǒng)進行了一系列優(yōu)化設(shè)計，包括進水口引水渠布置優(yōu)化、引水隧洞斷面及支護方式優(yōu)化、廠房布置優(yōu)化等，取得了較好的經(jīng)濟效益。

引水發(fā)電系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；潘口水電站

1 概 述

潘口水電站位于湖北省十堰市竹山縣境內(nèi)堵河干流上游河段，為湖北省近幾年修建的最大的水電站。潘口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)主要由進水口、壓力引水隧洞、發(fā)電廠房、戶外開關(guān)站、進廠交通洞及尾水渠等建筑物組成。筆者論述了引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

岸塔式進水口布置在左岸壩前1#沖溝處，共設(shè)2孔，并排對稱布置，單管單機引水。進水口底板頂面高程為309m，進水塔高55m。進水口引水渠渠底高程為307m，靠山體側(cè)長120m，沿①號機軸線長71m。兩孔進水口中心線間距34m，孔口設(shè)3個中墩與2個邊墩，4孔攔污柵，1孔檢修閘門和1孔事故閘門。進水口頂部平臺與左岸上壩公路之間采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋連接。

兩條引水隧洞平行布置于左岸。根據(jù)實際工程地質(zhì)條件，引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌與鋼板襯砌兩種型式。兩條引水隧洞自漸變段至蝸殼進口段總長度分別為462.714m和398.278m，其中鋼筋混凝土襯砌段(內(nèi)徑9.5m)長度分別為317.743m和276.443m，鋼板襯砌段(內(nèi)徑8.5m)長度分別為144.971m和121.285m；鋼筋混凝土襯砌段襯厚0.7m，鋼板素混凝土襯砌段襯厚0.6m。隧洞設(shè)計額定引用流量為339.4m3/s，最大凈水頭為91.92m，最大HD(水擊作用下)為1 100m2。

廠房為Ⅰ級建筑物，抗震設(shè)防烈度為7度，抗震概率水準采用50a超越概率0.05，基巖水平加速度峰值0.134g。主廠房尺寸為94.3m×31.1m×59m(長×寬×高)，廠內(nèi)安裝2臺單機容量為2 500MW的水輪發(fā)電機組，機組間距26m，安裝高程258.1m。兩臺機組段間及機組段與安裝場間均設(shè)20mm寬的永久縫。主廠房水輪機層以上為框架結(jié)構(gòu)，以下為鋼筋混凝土墻體結(jié)構(gòu)。

2 主要設(shè)計優(yōu)化及取得的成效

2.1 進水渠布置優(yōu)化

根據(jù)樞紐區(qū)地形地質(zhì)條件和水位線高程，原設(shè)計方案將進水口布置于庫區(qū)左岸壩前1#沖溝處。受1#沖溝影響，引水渠左側(cè)邊坡為順向坡，進水口左側(cè)邊坡為反向坡。施工詳圖階段，為減少順向坡開挖、避免開挖擾動形成新的邊坡問題，設(shè)計人員結(jié)合現(xiàn)場開挖揭露情況進行了以下兩方面優(yōu)化：(1)調(diào)整了引水渠布置，取消了進水口前50m長的引水渠直線段，引水渠轉(zhuǎn)角相應(yīng)由17°調(diào)整為45°，沿①號機軸線長度由近150m縮短至71m，基礎(chǔ)面積由8 670m2減少為3 270m2，減少了62%(圖1、2)。(2)取消了引水渠60cm厚混凝土底板襯護。進水渠經(jīng)過優(yōu)化，較好地解決了順向坡開挖問題，減少了開挖支護工程量，節(jié)省工程投資150多萬元。

圖1 設(shè)計階段引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置圖(優(yōu)化前)

圖2 施工詳圖階段的引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置圖(優(yōu)化后)

2.2 引水隧洞優(yōu)化

(1) 壓力鋼管段隧洞斷面的優(yōu)化。

在前期設(shè)計階段，壓力鋼管管徑采用與混凝土襯砌段相同洞徑的9.5m，而蝸殼進口斷面直徑為6.9m，兩者相差較大，故在施工詳圖階段對其進行了專項分析，研究了壓力鋼管管徑減小的可能性。經(jīng)計算分析，將壓力鋼管直徑優(yōu)化為8.5m。經(jīng)模擬分析，優(yōu)化后的引水道末端壓力升高、蝸殼最大動水壓力、機組轉(zhuǎn)速上升和尾水管內(nèi)真空度等在相應(yīng)工況下均能滿足規(guī)范要求。壓力鋼管段隧洞斷面的優(yōu)化，既減少了隧洞施工設(shè)備的投入、緩解了隧洞施工壓力，同時也降低了壓力鋼管制安的難度和工程量，大幅降低了投資，節(jié)省投資2 526萬元(表1)。

表1 引水隧洞優(yōu)化前后主要工程量及投資對比表

注：表中僅列出引水隧洞優(yōu)化調(diào)整引起的主要工程量及對應(yīng)的靜態(tài)投資。

(2)支護方式的調(diào)整。

兩條引水隧洞工程地質(zhì)條件基本相同，上平段置于弱風(fēng)化～微風(fēng)化的白云母石英片巖夾云母片巖中，下平段深埋于微風(fēng)化～新鮮的灰綠色綠泥鈉長片巖中。引水隧洞段洞軸與巖層走向夾角為60°～90°(除出口段夾角為32°外)。引水隧洞進出口巖體類別為Ⅳ～Ⅲ2類，洞身段為Ⅲ1類。工程實施過程中，隧洞支護方式由原系統(tǒng)設(shè)計調(diào)整為動態(tài)設(shè)計。根據(jù)引水隧洞開挖揭露的地質(zhì)條件及采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，除上平段采用系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)噴護(進口處采用鋼拱架及噴混凝土支護)外，其余洞段僅對節(jié)理發(fā)育段進行隨機支護，并取消了圍巖較完整洞段的支護。動態(tài)支護設(shè)計的采用，不但體現(xiàn)了設(shè)計服務(wù)于工程實際的原則，而且在減少工程問題的同時加快了施工進度。

2.3 廠房布置優(yōu)化

壩后岸邊式地面廠房基礎(chǔ)座落于新鮮巖體上，基巖主要為綠泥鈉長片巖。廠房縱軸線方向為NE17°，岸坡自然坡角為40°～45°，廠房后邊坡巖層弱風(fēng)化埋深為5～20m。左岸邊坡存在影響其穩(wěn)定的3組節(jié)理：(1)NE40°～60°，SE，∠40°～85°；(2)NW280°～300°，NW，∠50°～80°；(3)NW330°～350°，NE，∠40°～80°。

前期設(shè)計階段，廠房后邊坡最大開挖高度近120m，受左岸邊坡3組節(jié)理影響，邊坡穩(wěn)定情況不容樂觀。施工詳圖階段，為避免開挖形成高邊坡，將廠房沿橫軸線向河床方向平移了17m；同時，為使引水隧洞總長不增加，又將廠房沿縱軸線向壩址方向平移了7.6m(圖1、2)。經(jīng)調(diào)整后，廠房后邊坡最大開挖高度由近120m降至72m，減少了大量的邊坡開挖支護工程量及相應(yīng)的投資，初估節(jié)省投資1 052萬元(表2)，同時也加快了施工進度，減少了對周圍環(huán)境的影響。

3 結(jié) 語

表2 廠房優(yōu)化前后主要工程量及投資對比表

注：表中僅列出因廠房優(yōu)化引起的主要項目的工程量及對應(yīng)投資。

根據(jù)潘口水電站工程特點，在施工詳圖設(shè)計階段，設(shè)計人員結(jié)合現(xiàn)場實際，對引水發(fā)電系統(tǒng)進行了一系列優(yōu)化設(shè)計，在確保結(jié)構(gòu)安全、加快施工進度的同時，節(jié)省工程投資3 700多萬元，占引水發(fā)電工程靜態(tài)投資的14%，取得了較好的經(jīng)濟效益。該工程實例說明：在項目實施過程中，可深入現(xiàn)場收集資料、做出符合工程實際的設(shè)計優(yōu)化工作，對縮短項目建設(shè)工期、節(jié)省工程投資具有現(xiàn)實的技術(shù)經(jīng)濟價值。

[1] 丁家仁, 王宗敏，張雪峰.設(shè)計優(yōu)化對馬尼拉供水工程項目實施的重要性[J]. 水利水電技術(shù) , 2012，43(2)：42-45.

[2] 何 強，陳貴強.芙蓉江清溪水電站發(fā)電引水系統(tǒng)設(shè)計及施工優(yōu)化[J].貴州水力發(fā)電，2011，25(6)：24-27.

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(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-10

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1001-2184(2017)01-0095-03

游志純(1978-)，女，江西南城人，高級工程師，工程碩士，從事水電工程水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作.