金川水電站先于雙江口水電站兩年投產(chǎn)初步研究

成 磊

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610041)

1 概述

按照大渡河流域開發(fā)時序的初步安排，金川水電站將于2016年汛前投產(chǎn)發(fā)電。雙江口水電站由于受到核準等因素影響，初估于2018年底(最早2017年底)投產(chǎn)發(fā)電。目前，由于金川水電站的最低蓄水位(高程2 248 m)將造成雙江口壩址下游側(cè)的當卡摻和料場及其它6處施工生產(chǎn)生活設施處于淹沒水位以下，給雙江口水電站的主體工程施工造成重大影響，若采取工程措施抬高場地高程，代價巨大。為了有效化解二者在建設程序上“連環(huán)套”的矛盾，實現(xiàn)工程效益的最大化，筆者從微調(diào)金川水電站水工建筑物體型布置入手，在采取適當?shù)墓こ檀胧﹣韺崿F(xiàn)金川水電站按期蓄水發(fā)電的同時，確保雙江口水電站主體工程施工不受金川水庫蓄水的干擾。

2 工程概況

金川水電站為大渡河干流規(guī)劃22級方案的第6個梯級電站，上游與雙江口水電站相銜接、下游為巴底水電站。壩址位于四川省金川縣城以北約13 km、大渡河右岸新扎溝匯合口以上約1 km的河段上。工程區(qū)沿省道S211線北行36 km至紅旗橋接國道G317可到達成都，壩址距成都的公路里程約425 km，對外交通較方便。

大渡河金川水電站水庫正常蓄水位高程2 253 m，水庫長32.9 km，正常蓄水位高程以下庫容4.877 5億m3，為日調(diào)節(jié)水庫;裝機容量為860 MW，安裝4臺單機容量215 MW的混流式水輪發(fā)電機組，電站額定水頭93 m;與雙江口水庫聯(lián)合運行枯水年枯水期平均出力213.7 MW，與雙江口水庫聯(lián)合運行年發(fā)電量35.666億kW·h，年利用小時數(shù)4 147 h。

2.1 樞紐總體布置

該工程樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、右岸2孔溢洪道和1條泄洪洞、左岸輸水建筑物及地下廠房等組成。

擋水建筑物為建造在深厚覆蓋層、強卸荷巖體上的混凝土面板堆石壩，最大壩高112 m。壩頂高程2 258 m，壩頂長275.78 m，頂寬10 m，最大底寬 400.1 m。

泄水建筑物由右岸2孔開敞式岸邊溢洪道和1條有壓泄洪洞組成。溢洪道為岸邊開敞式，總長約450 m。溢洪道每孔寬度為14 m，進口引渠底板高程為2 225 m，堰頂高程為2 232 m，工作門孔口尺寸為14 m×21 m(寬×高)，最大泄流能力為6 732 m3/s。泄洪洞布置在溢洪道右側(cè)，前期參與施工期度汛，永久運行期則泄洪，最大泄流能力為1 612.00 m3/s，總長 933.5 m。泄洪洞進口為岸塔式，進口底板高程為2 175 m，出口工作閘室底板高程為2 170 m，工作門孔口尺寸為8 m×7 m(寬 ×高)。

輸水建筑物及地下廠房布置在左岸山體中，由電站進水口、輸水隧洞、地下廠房、主變洞、尾水閘門操作室、尾水隧洞、尾水渠和地面GIS開關站等組成。進水口采用岸塔式進水口，進水口底板高程2 230 m，總長92 m，寬24.5 m。輸水方式為“單機單洞”供水，輸引水洞洞徑9 m。

2.2 金川水庫正常蓄水對雙江口水電站的影響

由于雙江口水電站工程巨大，蓄水采用分期蓄水方式。在第八年11月(截流后第五年11月)1#導流洞下閘蓄水后，主體工程離全部結(jié)束尚有2.5年工期，此時上游施工場地基本被淹沒，整個工程建設所需的場地(主要為大壩工程、廠房工程、溢洪道工程所需場地)均需由大壩下游場地解決。

下游金川水電站正常蓄水位高程2 253 m，最低發(fā)電水位高程2 248 m。既使不考慮庫尾水位在高標準洪水情況下的壅高，在金川水電站最低發(fā)電水位運行時仍將淹沒雙江口水電站下游部分施工場地。受影響施工場地的主要情況見表1。

表1 處于金川水電站正常蓄水位高程以下的場地表

從表1可以看出，若金川水電站在雙江口電站完建前蓄水發(fā)電，將導致木足渡大橋下游的所有場地(包括當卡摻和場、5#混凝土系統(tǒng)及其它5處臨時施工生產(chǎn)輔助設施等)位于金川水電站正常蓄水位以下，將影響到雙江口水電站主體工程的施工。

3 金川水電站利用低水位提前發(fā)電初步研究

3.1 方案的基本構(gòu)思

為了有效解決金川與雙江口水電站在建設程序上的連環(huán)套問題，在金川水電站提前蓄水發(fā)電的前提下，確保雙江口水電站主體工程的正常施工，首先考慮20年一遇洪水的庫尾回水在雙江口當卡料場平臺高程2 240 m以下(其它5處加工廠暫不考慮，通過其他措施解決)，同時還要滿足金川水電站機組在穩(wěn)定運行情況下的最低運行水位底限值。在低水位確定的前提下，相應對引水發(fā)電系統(tǒng)進水口底板高程進行調(diào)整，同時，通過對溢洪道或?qū)Я鞫催M行適當改建，以滿足低水位運行期間的防洪度汛要求。

3.2 低水位的選擇和發(fā)電進水口底板高程的初步擬定

3.2.1 低水位的選擇

低水位的選擇考慮了兩方面因素:(1)確保該水位回水在雙江口當卡摻和料場平臺高程2 240 m以下;(2)滿足機組運行最低發(fā)電水頭要求。

金川水電站正常蓄水位高程2 253 m，最低發(fā)電水位高程2 248 m。按照當卡摻和料場20年一遇的防洪標準，庫尾水位必須在2 240 m高程以下(考慮1～2 m的超高)，則金川水電站臨時低水位選擇最高不能超過2 238 m。

對使用混流式機組的大多數(shù)水電站的統(tǒng)計和分析表明:當運行水頭H在水輪機設計水頭H0的下述范圍內(nèi)是比較穩(wěn)定的:(0.6～0.65)H0≤H≤(1.1～1.15)H0，運行水頭 H 偏離H0越小越穩(wěn)定。過低的水頭會引起葉片進口邊正面脫流空化，過高的水頭會引起葉片進口邊背面脫流空化渦帶和葉道渦，后者更為嚴重。基于此考慮，當金川水電站設計水頭為93 m，則最低運行水頭擬定為60.5 m。在不考慮雙江口水電站調(diào)蓄的情況下，多年平均流量為527 m3/s;按照2臺機額定流量情況下發(fā)電尾水位高程2 155.15 m，外加水頭損失4.24 m，則最低運行水位底限為高程2 219.84 m。

綜合考慮上述兩個因素，擬定臨時發(fā)電低水位為高程2 238 m。

3.2.2 進水口底板高程的確定

根據(jù)《水電站進水口設計規(guī)范》DL/T 5398－2007，有壓進水口應保證在上游最低運行水位以下有足夠的淹沒深度。

按戈登公式估算最小淹沒深度S如下:

S=Cvd1/2

式中 C為經(jīng)驗系數(shù)。C=0.55～0.73(取C=0.73);d為閘門孔口高度;v為閘門斷面的流速。

保證進水口不產(chǎn)生負壓的最小淹沒深度按以下公式計算:

式中 K為安全系數(shù)，不小于1.5;Σ△h為進水口及輸水道總水頭損失;V為輸水道平均流速。

經(jīng)計算，最小淹沒水深由戈登公式控制，S=6.77 m。根據(jù)電站低水位高程2 238 m確定進水口底板高程為2 220 m，淹沒水深9 m。

3.3 低水位發(fā)電情況下安全度汛研究

3.3.1 度汛標準

筆者的研究主要考慮低水位發(fā)電期間(2016年底至2018年底)的安全度汛。按照相關規(guī)范要求，在工程完建前，大壩的臨時防洪標準取P=1%，相應流量Q=5 330 m3/s。在臨時低水位發(fā)電期，上游雙江口當卡摻和料場等臨建設施的度汛標準取P=5%，相應流量Q=4 190 m3/s。

3.3.2 度汛方式研究

由于金川水電站在2015年底實現(xiàn)初期蓄水后，僅能維持高程2 238 m低水位運行。根據(jù)金川水電站泄洪系統(tǒng)建筑物布置，承擔泄洪主力任務的溢洪道的堰頂高程(2 232 m)低于臨時發(fā)電低水位(高程2 238 m)6 m，泄洪洞能滿足正常開啟的運行要求。按照20年一遇洪水標準4 190 m3/s、參照泄洪洞水位-泄量關系曲線，在水位為高程2 238 m時，泄洪洞泄量為1 380 m3/s，其余2 810 m3/s的流量需要由新的泄洪建筑物來承擔。為此，擬定了以下兩種方案作初步比較分析。

(1)方案一。考慮“泄洪洞+無堰平底溢洪道”方案，將溢洪道引渠段局部及堰閘段底板預先澆筑至2 222.5 m高程，以滿足2 810 m3/s的泄量要求。在結(jié)束低水位發(fā)電后，再按照原設計方案加高。根據(jù)水力學計算得出:在泄流量為2 810 m3/s時，根據(jù)堰流流量公式Q=mBH3/2(式中:m為流量系數(shù)，取0.385;B為凈寬度，取28 m)，推算堰上水頭H=15.3 m(考慮一定的富裕系數(shù)，取15.5 m)，得出底板高程為2 222.5 m。

(2)方案二。考慮“泄洪洞+溢洪道+導流洞”方案，參照溢洪道水位-泄量關系曲線(兩孔全開)，在水位為高程2 238 m時，溢洪道泄量為800 m3/s，其余2 010 m3/s的流量需要由新的泄洪建筑物來承擔。在原導流洞設計方案基礎上，將導流洞進口閘室頂高程抬高，在出口處設置一弧形閘門并配備相應的啟閉設備，將導流洞作為施工期臨時度汛使用。導流洞進口尺寸為12.5 m×14.5 m，出口底板高程 2 149.9 m，根據(jù)水力學計算得出，在水位高程2 238 m時，出口10 m×10 m的工作弧門在85 m水頭下的泄量根據(jù)孔口出流流量計算公式Q=μA(式中:μ為流量系數(shù)，取0.63;z為上下游水位差，取75 m)，得出泄流量為2 415 m3/s，完全滿足2 010 m3/s的泄量要求。

上述兩種方案均可達到安全度汛的目的，且在技術上可行。方案一在低水位運行期結(jié)束后，需按設計高程對引渠段與堰閘段底板、WES曲線堰進行加高，在平板門前需澆筑一臨時門槽，以滿足施工期間擋水需要。方案二需要對導流洞進出口進行加高、改建處理，工序上更為復雜。

3.4 新增工程量及預估費用匯總

方案一需采取的工程措施如下，具體情況見圖1和圖2。

圖1 進水口改建前后示意圖

圖2 溢洪道改建前后示意圖

(1)將引水發(fā)電系統(tǒng)進水口底板在原設計高程2 230 m基礎上降低10 m;

(2)在對溢洪道改建期間，需在平板門上游側(cè)澆筑一臨時門槽并附帶部分金屬結(jié)構(gòu)埋件。

方案一的主要工程量增加及預估費用見表2。

表2 方案一的主要工程量增加及預估費用匯總表

方案二需采取的工程措施如下:

(1)將引水發(fā)電系統(tǒng)進水口底板在原設計高程2 230 m基礎上降低10 m;

(2)導流洞進口閘室排架原設計高程為2 201 m，較運行水位高程2 238 m低37 m。為了滿足泄洪期間導流洞進口啟閉設備能正常工作，將原進口閘室排架高程抬高了38 m，同時，在出口處設置了一弧形閘門并配備了相應的啟閉設備。

方案二的主要工程量增加及預估費用見表3。

表3 方案二的主要工程量增加及預估費用匯總表

經(jīng)綜合技術與經(jīng)濟比較后推薦方案一，即采取“泄洪洞+無堰平底溢洪道”方案來達到低水位發(fā)電期間的安全度汛目的。

3.5 提前兩年發(fā)電電量估算

兩個項目在建設程序上的關聯(lián)性被破解后，金川水電站的建設計劃將不受雙江口水電站的制約。按金川水電站2012年底核準、同年底主體工程開工安排建設計劃，2013年11月就可以實現(xiàn)截流，2015年10月將實現(xiàn)導流洞下閘蓄水。2015年11月至2016年5月對導流洞進行改建，則2016年6月底可實現(xiàn)首臺機組發(fā)電。2016年10月初、2017年2月初、2017年6月初，后三臺機組將實現(xiàn)投產(chǎn)。待2017年12月底，雙江口水電站具備蓄水發(fā)電條件后，利用溢洪道前沿的平板檢修閘門擋水，澆筑WES溢流堰，2018年6月底，金川水電站恢復原設計水位運行。

按照上述機組相繼投產(chǎn)的時間作電量估算，兩年所發(fā)電量約為31.98億kW·h，電量毛收益約為9.6億元，凈利潤超過約1億元。

3.6 投入產(chǎn)出分析

綜上所述，廠房進水口及溢洪道等部位改建主要工程量增加費用預計為950萬元，而提前兩年發(fā)電的凈利潤則超過1億元，同時，金川水電站提前兩年發(fā)電，對盡早改善集團公司清潔能源比重及大渡河公司的滾動開發(fā)作用非常明顯。

4 結(jié)論與建議

金川水電站臨時低水位(高程2 238 m)發(fā)電方案的初步研究表明:采取適當降低金川水電站發(fā)電進水口的高程，并對溢洪道體型和施工工序進行適當調(diào)整，可以在維持金川水電站低水位發(fā)電及安全度汛的前提下，為雙江口水電站主體工程的正常施工提供有利條件。同時，從經(jīng)濟方面進行綜合比較分析，所需資金投入遠遠小于發(fā)電產(chǎn)生的綜合效益，因此，金川水電站先于雙江口水電站兩年投產(chǎn)，無論從技術層面還是經(jīng)濟層面都是可行的。