煙崗高水頭水電站設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

趙 瑋，黨 力，董旭榮

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

1 工程概況

煙崗電站是四川木里縣鴨嘴河干流規(guī)劃的第二級水電站，上游接鴨嘴河“龍頭”水庫—布西水庫（電站），下游接跑馬坪水電站。其設(shè)計發(fā)電流量23.6 m3/s，額定水頭601 m，最大動水頭720 m，電站裝機(jī)容量120 MW，多年平均年發(fā)電量4.96 億kW·h。

工程由首部樞紐（閘壩）、發(fā)電引水建筑物等組成。首部樞紐（閘壩）由泄洪閘、沖沙閘、生態(tài)用水管以及擋水壩段組成；發(fā)電引水建筑物由進(jìn)水口、發(fā)電引水洞、壓力管道、電站廠區(qū)建筑物等組成。

2 工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 首部樞紐

煙崗水電站發(fā)電額定水頭為601 m，為高水頭電站，壩址多年平均輸沙量12.7 萬t，含沙量312 g/m3。在設(shè)計過程中，充分考慮了引水排沙設(shè)計方案，確保過機(jī)含沙量在允許范圍內(nèi)、解決水輪機(jī)防泥沙磨損、確保機(jī)組運(yùn)行的安全性。

根據(jù)河流泥沙特點(diǎn)及電站水頭高的特點(diǎn)，研究分析確定了大排大泄的全閘方案，樞紐在主河道中部布置了3 孔泄洪閘，1 孔沖沙閘和一個排漂孔，兩側(cè)以擋水建筑物與兩岸相連接，取水建筑物布置在左岸。

2.1.1 方案比選

根據(jù)水電站沉沙池的設(shè)置條件及泥沙沉降設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，額定水頭為600 m～300 m，設(shè)計最小沉降粒徑為0.1 mm。多年平均過機(jī)含沙量應(yīng)小于0.08 kg/m3～0.12 kg/m3，過機(jī)多年平均d＞0.1 mm粗粒徑泥沙含沙量應(yīng)小于0.012 kg/m3～0.02 kg/m3。依據(jù)水文泥沙資料和國內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)，首部樞紐設(shè)計進(jìn)行了“以庫代池”方案和沉沙池方案的綜合比較。

（1）“以庫代池“方案

“以庫代池”是指利用水庫沉沙，采用敞泄排沙的泥沙調(diào)度方式，以降低引水含沙量，確保過機(jī)含沙量在規(guī)范允許范圍內(nèi)。其機(jī)理為建閘壅水后，閘前流速降低，泥沙淤落，在洪水期，降低水位大排大泄進(jìn)行溯源沖刷，把中小水期抬高水位運(yùn)行時淤積在庫內(nèi)的泥沙排往下游，同時沖刷出庫容供重新淤積之用，如此交替運(yùn)用，達(dá)到長期保持調(diào)節(jié)庫容的目的。

首部樞紐“以庫代池”方案在主河道中部布置了3 孔泄洪閘、1 孔沖沙閘，閘體與左、右兩岸以擋水壩段連接。電站進(jìn)水口布置在河床左岸，進(jìn)水口軸線與沖沙閘軸線夾角70°，進(jìn)水口底板高程為3126.00 m。水庫正常蓄水位為3136.50 m，死水位為3133.00 m，汛期運(yùn)行水位為3135.00 m。

（2）沉沙池方案

沉沙池方案也是在主河道中部布置了3 孔泄洪閘、1 孔沖沙閘，閘體與左、右兩岸以擋水壩段連接。與“以庫代池”方案不同之處在于河床左岸布置的進(jìn)水口后接地下沉沙池，進(jìn)水口底板高程為3124.00 m，進(jìn)水口分兩孔，每孔各設(shè)兩道攔污柵，孔口尺寸均為3.0 m×8.5 m（寬×高），進(jìn)水閘閘孔尺寸均為3.0 m×4.0 m（寬×高）。進(jìn)水閘后接地下沉沙池，池凈寬20 m，分兩廂，深22.5 m～26.0 m。池身長120 m，池廂末端設(shè)2.5 m×3.0 m 排沙閘孔，排沙廊道斷面尺寸為2.5 m×3.75 m，圓拱直墻型。沉沙池方案正常蓄水位為3134.00 m，死水位為3132.00 m。

（3）方案比選

兩方案綜合比選見表1[1]。

綜合以上比較，設(shè)計沉沙效果好、電站動能指標(biāo)優(yōu)、工程投資較省的沉沙池方案。為進(jìn)一步優(yōu)化和細(xì)化“以庫代池”方案，進(jìn)行泥沙數(shù)模計算分析，又委托科研單位進(jìn)行了首部樞紐河工模型試驗(yàn)，驗(yàn)證其合理性。

表1 “以庫代池”和沉沙池方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比選表

2.1.2 “以庫代池”方案驗(yàn)證

以中水年水庫沖淤模型試驗(yàn)過程來看，水庫淤積量最大的時段為每年的6 月30 日～8 月27 日，該時段水庫處于持續(xù)淤積狀態(tài)，泥沙淤積三角洲不斷向前推進(jìn)，其前坡已達(dá)壩址，是最不利情況，取水口前的泥沙淤積高程達(dá)到3125 m，庫區(qū)淤積量達(dá)到最大。時段末，3134.0 m 以下有效庫容在持續(xù)淤積下減小至21.8 萬m3。

根據(jù)庫區(qū)淤積地形實(shí)測資料可估算出庫區(qū)各斷面平均流速分布見表2。

表2 庫區(qū)平均流速

由表2 可知，隨著淤積的持續(xù)進(jìn)行，由于各斷面過水面積不斷減小，流量即使變化不大，流速仍逐漸增大。時段末，泥沙淤積三角洲前坡已達(dá)壩址，取水口水流含沙量明顯增大，入庫流量51.2 m3/s、含沙量為3.0 kg/m3時，取水口含沙量為0.12 kg/m3。

電站取水口含沙量沿垂線分布采用勞斯公式計算，公式如下：

電站取水口底板高程為3127 m，水位為3135 m，壩前河底高程為3121 m，取水口底板離河底高度為6 m。依據(jù)上述公式及數(shù)據(jù)，針對中水年庫區(qū)淤積量達(dá)到最大時（此時入庫流量為51.2 m3/s、含沙量為3.0 kg/m3）的情況，分析計算過機(jī)含沙量的大小。經(jīng)分析計算，可繪出取水口前懸沙濃度垂向分布，見圖1。

圖1 中水年取水口前懸沙濃度垂向分布圖

中水年庫區(qū)淤積最不利情況下，入庫流量為51.2 m3/s、入庫含沙量為3.0 kg/m3時，實(shí)測取水口含沙量為0.12 kg/m3，根據(jù)實(shí)測取水口泥沙級配（見表3）可計算出取水口處大于0.1 mm粒徑級泥沙含沙量為0.017 kg/m3。說明即使在最不利（庫區(qū)淤積較多，而且入庫流量和含沙量較大）的情況下，過機(jī)含沙量也基本滿足規(guī)范規(guī)定的多年平均過機(jī)含沙量要求。

表3 取水口泥沙級配（Q=51.2 m3/s）

由以上分析結(jié)果可見，煙崗水電站過機(jī)含沙量滿足規(guī)范規(guī)定的過機(jī)多年平均含沙量小于0.08 kg/m3～0.12 kg/m3，過機(jī)多年平均d＞0.1 mm粗粒徑泥沙含沙量為小于0.01 kg/m3～0.02 kg/m3要求[1]。

泥沙沖淤計算采用逐時段模擬水庫泥沙沖淤過程的全沙沖淤數(shù)學(xué)模型。在水庫運(yùn)行6 a 后，入庫懸移質(zhì)泥沙的出庫率可達(dá)90%以上，庫區(qū)泥沙沖淤基本達(dá)到平衡。為使河道推移質(zhì)泥沙進(jìn)入電站引水口，并使閘前維持一定水深，以便沉降懸移質(zhì)粗沙，每年汛期需不定期敞泄沖沙2 次，每次沖沙歷時8 h；另外，每年電站需避來水沙峰運(yùn)行約2 d，即全年停機(jī)敞泄沖沙時間總共約64 h（含避沙峰運(yùn)行的時間），可保證取水口前沿的泥沙淤積高程低于取水口擋沙坎高程。

2.1.3 泥沙物理模型試驗(yàn)

首部樞紐物理泥沙模型為正態(tài)模型，選用天然沙為模型沙，按全沙動床模型相似率設(shè)計并試驗(yàn)。在死水位時，電站投運(yùn)前水庫的有效可調(diào)節(jié)庫容為69.5 萬m3。電站多年運(yùn)行后，有效庫容雖有損失，但可以長期保持有效庫容28 萬m3左右，滿足設(shè)計所需的日調(diào)節(jié)庫容16 萬m3的要求。模型試驗(yàn)懸移質(zhì)含沙量及其級配試驗(yàn)成果和代表年年平均過機(jī)懸移質(zhì)級配見表4和表5。

表4 模型試驗(yàn)懸移質(zhì)含沙量及其級配試驗(yàn)成果

表5 代表年年平均過機(jī)懸移質(zhì)級配

試驗(yàn)及計算分析結(jié)果表明，“以庫代池”方案年平均過機(jī)含沙量為72 g/m3，粒徑大于0.1 mm 泥沙沉降率91.5%，滿足規(guī)范要求[1]。

結(jié)合泥沙數(shù)學(xué)模型計算分析和河工模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，“以庫代池”設(shè)計方案成功解決了高水頭電站引水防沙的難題。

2.2 壓力管道

煙崗水電站鋼管布置水頭落差為600 m 量級，根據(jù)地形、地質(zhì)條件，經(jīng)設(shè)計研究對比分析，壓力管道采用地下埋藏式布置方案，工程區(qū)埋深約80 m～220 m，外水水頭約60 m～90 m，圍巖以整體穩(wěn)定性較好的Ⅲ類石英巖、變石英巖和Ⅱ石英巖為主。

2.2.1 設(shè)計原則

設(shè)計考慮到壓力管道全段圍巖條件較好，故在分析設(shè)計計算時全管段均按砼、圍巖聯(lián)合受力設(shè)計，由于該地區(qū)地下水位線較高，按照自然水位線進(jìn)行計算，水頭折減系數(shù)設(shè)計取0.45。按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定的荷載組合以及各運(yùn)行工況進(jìn)行分析計算。設(shè)計假定及原則如下：

（1）壓力管道內(nèi)水壓力由圍巖、鋼襯共同承擔(dān)，回填混凝土只起壓力傳遞作用；

（2）各種材料均為各向同性材料，且都在彈性變形范圍內(nèi)工作，洞室開挖后變形已完成、應(yīng)力已釋放；

（3）壓力管道內(nèi)水壓力全部外壓由鋼管結(jié)構(gòu)自身承擔(dān)；

（4）壓力管道岔管段和支管段結(jié)構(gòu)按“明管”理論進(jìn)行設(shè)計。

2.2.2 管道材質(zhì)選擇

鋼管材質(zhì)首選16 MnR，當(dāng)計算壁厚超過34 mm、實(shí)際壁厚超過36 mm 時，考慮到焊接需要預(yù)熱、卷板和焊接后要進(jìn)行消除殘余應(yīng)力熱處理，故鋼管材質(zhì)選用高強(qiáng)鋼，以減小剛才壁厚，同時有利于鋼管的運(yùn)輸及洞內(nèi)安裝。

選材立足于國內(nèi)采購、鋼板性能穩(wěn)定、焊接性能良好的原則，對國內(nèi)幾個大型的鋼材廠首鋼、鞍鋼、武鋼等進(jìn)行調(diào)研。最終認(rèn)為目前國內(nèi)600 MPa 級的鋼材質(zhì)量較穩(wěn)定可靠，比較該級別的鋼材后選用高強(qiáng)鋼WDB620，其抗拉強(qiáng)度σb為620 MPa、屈服強(qiáng)度σs為490 MPa，該鋼材具有P 和S 等有害化學(xué)成分含量低、焊接裂紋敏感性低、低溫韌性優(yōu)良、抗時效性能良好、易加工制造的特點(diǎn)，可以滿足本工程鋼管、岔管制造和運(yùn)用的要求。按照壓力管道布置，結(jié)合結(jié)構(gòu)計算對管道材質(zhì)分段采用：水頭較低段采用常規(guī)鋼材16 MnR、水頭較高的斜坡段、下平段段和岔管材質(zhì)選用WDB620 高強(qiáng)鋼材。

2.2.3 壓力管道優(yōu)化

煙崗水電站工程壓力管道按照鋼管與圍巖聯(lián)合承載設(shè)計，從上平段采用管壁最小結(jié)構(gòu)厚度8 mm，隨著內(nèi)水壓力的增大，管壁厚度也逐漸增大，管道最下端厚度達(dá)38 mm，鋼材采用16 MnR，下段段管道、岔管、支管段鋼管壁厚達(dá)50 mm，采用WDB620 高強(qiáng)鋼材。考慮鋼管與圍巖聯(lián)合承載，要求在鋼管安裝完畢后，進(jìn)行回填灌漿、接縫灌漿以及固結(jié)灌漿。由于固結(jié)灌漿工作量大，工期較長，而且需要在鋼管上開孔，影響鋼管質(zhì)量。

壓力管道為本工程的關(guān)鍵線路，為加快施工進(jìn)度考慮取消固結(jié)灌漿，鋼管按單獨(dú)承擔(dān)全部內(nèi)水壓力進(jìn)行設(shè)計，雖鋼管壁厚和鋼材用量均有所增加，但可取消固結(jié)灌漿，大大簡化了施工難度，并可節(jié)約工期。

2.3 水輪發(fā)電機(jī)組

煙崗電站發(fā)電額定水頭601 m，最大動水頭720 m，設(shè)計根據(jù)電站水頭，對可采用的混流式和沖擊式兩種水輪機(jī)型進(jìn)行綜合比選論證。

從國內(nèi)外的高水頭水電站水輪機(jī)實(shí)際應(yīng)用情況來看，600 m以上水頭采用混流式和沖擊式兩種機(jī)型均有使用。設(shè)計經(jīng)過綜合研究分析，最終選擇了沖擊式機(jī)組，單機(jī)容量為60 MW，噴嘴數(shù)量為6 個，水斗21 個。國內(nèi)外大型制造廠生產(chǎn)制造600 m水頭量級、單機(jī)容量60 MW沖擊式在技術(shù)上都是可行的。

另外，考慮到本電站壓力管道長1323 m，若采用混流式機(jī)組，壓力管道壓力升高和機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高均較大，設(shè)計制造難度加大；沖擊式機(jī)組關(guān)機(jī)時，先采用偏流器先將水流遮擋，然后噴針緩慢關(guān)閉，壓力管道壓力升高值可控制在15%以內(nèi)，機(jī)組轉(zhuǎn)速增加值可控制在20%以內(nèi)[2]。

煙崗電站為低壩引水式電站，水庫水位變幅小，更適用于沖擊式水輪機(jī)，在電站正常運(yùn)行中，沖擊式水輪機(jī)使電站具有更靈活的適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化的能力，運(yùn)行管理方便。因此，設(shè)計從水輪機(jī)組運(yùn)行工況范圍、水能利用情況、機(jī)組發(fā)電效率、設(shè)計制造技術(shù)難度及設(shè)備維護(hù)方便性等方面綜合考慮，采用沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組。

3 結(jié)語

2012 年10 月電站機(jī)組正式并網(wǎng)投入運(yùn)行，截至目前工程運(yùn)行良好，電站并網(wǎng)發(fā)電近8 a，累計發(fā)電達(dá)38 億kW·h，緩解了四川省電網(wǎng)供需矛盾，電站調(diào)峰最高電價達(dá)到0.5 元/（kW·h），在給投資方帶來豐厚經(jīng)濟(jì)利益的情況下，又增加少數(shù)民族地方財政收入，對地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善當(dāng)?shù)孛裆兄匾囊饬x。