土賢莊水電站工程設(shè)計與優(yōu)化

左燕霞

（河北省石津灌區(qū)管理局，石家莊050051）

土賢莊水電站位于石津總干渠土賢莊村，是石津總干渠規(guī)劃的第3座梯級水電站，上游有杜童和田莊2座水電站，下游有規(guī)劃中的紫城水電站。電站利用黃壁莊水庫經(jīng)總干渠的灌溉放水、汛前泄水和南水北調(diào)中線供水（以下簡稱引江供水）在跌水處形成的落差發(fā)電。黃壁莊水庫除險加固工程的完成使灌區(qū)的灌溉用水得到有效保證，而南水北調(diào)中線工程的實施，又把引江水同灌溉放水相結(jié)合，使石津總干渠水量調(diào)配更加合理化和科學化。

該電站的興建將使水力資源得到充分利用，增大水電在電網(wǎng)中的比重，同時擴大總干渠在市區(qū)內(nèi)的水域面積，對提高灌區(qū)及引江綜合利用效益，改善市區(qū)小氣候，美化市容等至關(guān)重要。因此，電站的設(shè)計合理與否，將直接影響工程的運行、管理和效益的發(fā)揮。

1 自然條件

本站地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多年平均降水量507.2mm，降水量年內(nèi)分配不均，多集中在6～8月，占全年降水量的70%左右，并且多以暴雨形式出現(xiàn)。年蒸發(fā)量1000～1200mm。年平均氣溫12 ℃～13 ℃，1月份平均最低氣溫-9 ℃，7月份平均最高氣溫32 ℃。年最大凍土深47cm。全年無霜期190～200d。年日照總時數(shù)為2629.5h，最大風速5m/s。

總干渠渠首多年平均放水量5.23億m3，引江水經(jīng)田莊分水樞紐到趙陵鋪進入石津總干渠，常年通水，日平均流量20m3/s。從渠首到電站33.3km，區(qū)間無徑流。

2 樞紐工程布置

電站采用河道旁側(cè)式布置方式，工程規(guī)模為小（Ⅱ）型。石津總干渠為灌溉興利渠道，基本不存在防洪問題。設(shè)計流量89.02m2/s，毛水頭5.63m，總裝機容量4800kW，安裝2臺2000kW豎井貫流式機組，1臺800kW軸伸貫流式備用小機組。多年平均年發(fā)電量1298.60萬kW·h，裝機年利用3247h，水能利用率0.938。

該工程包括攔污柵、前池、進水閘、泄水閘、壓力管道、主副廠房、尾水閘、尾水池等建筑物，全長139.975m，總寬度47.73m。泄水閘布置在右岸，3臺機組并排布置在左岸，進水閘閘室段和壓力管道，長16.9m，上部為電站的事故流道和3層副廠房，事故流道底高程66.313m，副廠房地面高程70.813m；下游主廠房和尾水段，長40.94m，機組的安裝高程59.54m，在其上部為事故流道和敞開式安裝間，安裝間的高程70.103m。

該電站以一回10kV線路并入上游670m處紅光變電站，電纜線埋入渠道南岸距離石家莊市二環(huán)快速路3.33m處，埋深1.0m，并網(wǎng)線路1.4km，輸送容量

5630kV·A。

電站與外界連接方便，北側(cè)距二環(huán)快速路13.27m，南側(cè)距二環(huán)快速路4.43m，副廠房、安裝間和3號機組的大門均布置在北側(cè)與進場公路和東二環(huán)相連接。

整個電站的布置，除副廠房在地面以上，其余工程布置在地面以下，放水發(fā)電期間只能看到大面積的水域和副廠房，將成為石家莊市二環(huán)路的一道風景。

3 工程設(shè)計優(yōu)化

進入施工圖階段，受石家莊市二環(huán)路提升工程的影響，電站的站址向上游移動170m，對電站設(shè)計進行了優(yōu)化，兩側(cè)布置改為單側(cè)布置方式。優(yōu)化后建筑物結(jié)構(gòu)和布置更為合理，工程量減少，便于施工，節(jié)省了工期和投資，同時運行和管理更加方便，尤其為二環(huán)快速路的建設(shè)提供了位置保障。

3.1 裝機方案優(yōu)化

初設(shè)方案僅選用2×2000kW的豎井貫流式機組，考慮在來水量不能使機組進行滿發(fā)的情況下，發(fā)1臺機和2臺機出力相同，多余的水只夠建立另1臺機的空載，或只能維持另1臺機在極低效率區(qū)運行，會造成這段時間單擊容量的功率損失，出現(xiàn)棄水現(xiàn)象造成水源浪費，使電站無法正常發(fā)電。

經(jīng)分析，若選用大小裝機匹配，可以克服以上缺陷，因此，重新增加1臺功率800kW的軸伸貫流式機組作為備用小機組，這樣既可以應(yīng)對灌溉期來水量不穩(wěn)定的情況下流量和水頭的變化，又可以在非灌溉期利用小流量的引江水進行長期發(fā)電，提高機組平均效率，增加發(fā)電量。

3.2 擋水建筑物優(yōu)化

3.2.1 初步設(shè)計階段

擋水建筑物為橡膠壩，設(shè)計壩長14.40m，寬8m，壩高3m。

3.2.2 施工圖設(shè)計階段

經(jīng)多方面對比，將橡膠壩改為平面鋼閘門。鋼閘門具有以下優(yōu)點：

（1）鋼閘門使用壽命為50～60年，而橡膠壩10～15年就必須更換1次壩袋，壩袋更換必將增加投資。

（2）橡膠壩運行過程中壩體的振動、壩與河床及兩岸的摩擦，以及漂浮的各種垃圾都可能導致壩袋的摩損。發(fā)生微小的漏氣易于修復，若漏氣面積很大，修復起來比較困難，投資大。

（3）橡膠壩需要2～3h才能完全升壩或塌壩，而鋼性閘門采用啟閉機，運行速度可達1～2m/min。該電站要求不超過2min即完成開閘和閉閘，才能有效地保證突發(fā)洪水時及時泄洪。

（4）橡膠壩一般須建1座供氣站或水泵房，管路多且復雜，占地也多，而鋼閘門僅僅配套2臺卷揚式啟閉機，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，啟閉機配備手動裝置，若發(fā)生停電或其他故障時可以手動操作。

泄水閘布置在1號機組的右側(cè)，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分為2孔，單孔凈寬5.0m，高6.44m，閘室段長16.9m，寬12.8m；閘室底板為整體式，底板高程62.873m，閘墩頂高程70.813m。閘門采用平面鋼閘門，閘門槽深0.3m，高5m，寬4.94m，配QPK2×160固定卷揚式啟閉機；閘墩上設(shè)檢修便橋、排架和T型梁，排架上安裝啟閉機，機座高程78.613m。

3.3 廠房布置優(yōu)化

3.3.1 初設(shè)階段

主廠房位于橡膠壩兩側(cè)對稱布置，主廠房內(nèi)密封后的豎井室和水輪機室及豎井兩側(cè)過水流道頂部為發(fā)電機組的事故流道。副廠房分別布置在橡膠壩上部和廠房兩側(cè)。

3.3.2 施工圖階段

由于場地面積減小，為了合理利用空間，考慮增加的3號機組與2臺大機組的整體協(xié)調(diào)布置，使主機間布置更加簡潔合理，3臺機組油氣水及電纜等各種管路更集中，為了減少工程量，節(jié)省投資，同時在運行的過程中，方便巡查和管理。廠房由雙側(cè)布置改為單側(cè)布置。

（1）主廠房。地下主廠房并排布置在泄水閘的左側(cè)，布置時將水輪機和發(fā)電機放在2個豎井中，高程56.2m，同時在發(fā)電機豎井內(nèi)設(shè)稀油站、接力器和調(diào)速器。其中流道寬2.25m，高6.394m；發(fā)電機室寬3.1m，長8.4m；水輪機室寬3m，長8.083m；尾水段長12.78m。3 號機組主廠房長17.6m，寬9.8m，高15.523m。

主廠房內(nèi)各層有足夠的通道連接各部位，使廠房管理顯得有序，運行維護也很方便。可以從3號機組進入高程63.74m的管理廊道，通過2號與3號機組之間寬0.9m的通道，向下游進入1、2號機組的廊道，由樓梯進入發(fā)電機豎井室高程62.140m處的調(diào)速器平臺，通過爬梯進入56.2m高程處的稀油站。向上游為了合理利用空間，在中墩布置有樓梯，通過樓梯進入58.59m高程處，進入水輪機豎井室。在63.74m的管理廊道內(nèi)，利用爬梯可以方便地進入流道內(nèi)進行檢修。

（2）副廠房。事故流道上部為3層磚混結(jié)構(gòu)，功能分區(qū)更加合理。1、2層寬12m，3層寬17.1m，長度均為32.57m，地面高程70.813m，總高度13.25m，主要用于辦公室。進水閘和快速閘門的閉機室布置在副廠房的第3層，可以直接從副廠房3層進入，方便操作和管理。

機組上面的70.103m高程為敞開式安裝間，布置有5對牛腿，用來支撐吊車梁啟吊機組，進行機組的拆卸與安裝。牛腿的布置，充分利用了主廠房的基礎(chǔ)，減少了廠房工程量和工程投資。

廠房不同層布置既滿足了使用要求，也有利于通風和采光，減少能耗成本。副廠房、安裝間的利用天然采光和通風。下游主機間通過屋面采光帶和天井采光，其他部位主要采用人工照明。

4 結(jié)語

由于工程規(guī)模、結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)地形、水文氣象和施工條件等諸多因素的影響和制約，水電工程具有獨一性和不可復制性，設(shè)計和施工，都需要因地制宜，實時調(diào)整來更好地適應(yīng)工程需要。裝機方案、建筑物的選擇合適，廠房布置合理，不僅能降低施工難度，縮短建設(shè)工期，節(jié)省投資，同時還方便運行管理。

［1］邯鄲市水利水電勘測設(shè)計研究院.河北省欒城縣水電站農(nóng)村電氣化建設(shè)土賢莊水電站項目初步設(shè)計報告［R］.2009.

［2］凌春海.紅花水電站樞紐布置和建筑物優(yōu)化設(shè)計［J］.人民珠江，2007（1）：58-62.

［3］黃麟芬.樂灘水電站工程設(shè)計優(yōu)化與創(chuàng)新［J］.紅水河，2006，25（2）：39-43.