石城子二級電站引水系統優化設計研究

曾冬梅 潘君燕 倪 龍 張 強 趙德亮

（1.新疆水利廳農牧區水利規劃總站 新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆哈密地區石城子水系流域管理總站 新疆 哈密 839000；3.新疆亨得利投資有限公司 新疆 烏魯木齊 830002；4.新疆巴州水利水電勘測設計院 新疆 庫爾勒 841000；5.新疆水利水電勘測設計研究院 新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

石城子二級電站位于新疆哈密市石城子河，為石城子河“三級”開發方案中的第二級電站，系引水式開發。電站主體建筑物主要由引水系統和廠區樞紐等組成。電站裝機容量為2×5MW，機組為2臺混流式機組,額定水頭130m，發電設計引用流量8.34m3/s。

引水系統布置在石城子河左岸，引水建筑物由引水隧洞、引水暗渠、引水明渠、壓力前池、壓力管道等水工建筑物組成。無壓引水隧洞長5965.14m，采用城門洞形式，斷面尺寸為底寬2.6m，直墻2.2m，拱頂1.25m，半徑為1.75m，圓心角125°，引水暗渠長394.82m，引水明渠長為275.60m，壓力前池長45.62m，壓力鋼管道總長306.59m。廠房位于石城子水庫壩址下游左岸7270m處，沿著石城子河左岸布置，廠址地形較平坦，為地面廠房，長53.53m，寬20.11m。利用石城子一級水電站尾水進行取水發電。

電站屬于小型電站，工程等級為Ⅳ等小（1）工程。永久主要建筑物按4級設計，次要建筑物按5級建筑物設計。引水系統較長，且地形地質條件復雜，為本工程設計的關鍵和重點。本文對石城子二級電站引水系統的方案優化設計進行充分的論證。

2 引水系統各建筑物方案設計

2.1 引水工程區地質條件

石城子二級水電站引水工程區無區域性大斷裂構造及不良地質體分布，山體及邊坡自然穩定。主要出露的地層為華力西中期的侵入巖體γ42b，巖性以中粒黑云毌花崗巖為主，次為輝長輝綠巖巖脈。無壓引水隧洞沿線河谷峽谷，山體雄厚，谷坡陡峻，岸坡平均坡度40°~60°，除個別進口段、出口段及施工支洞段埋深較淺，圍巖為強~弱風化巖石外，大部分洞段埋深大于100m，圍巖呈微風化巖石，隧洞圍巖以堅硬的花崗巖為主，大部分為Ⅲ類，Ⅳ類次之，少量Ⅴ類，具備較好的成洞條件。洞線處于地下水位線以上，不會發生涌水現象。

2.2 引水隧洞及明渠線路方案設計

考慮水能規劃和下游兩岸的地形地址條件，壓力前池只能布設在左岸。根據引水渠和引水隧洞的布置條件，結合施工道路和供電線路的比較，選擇左岸布置引水線路。擬定了三個引水方案：

方案一：短隧洞加明渠方案。該方案的引水隧洞全長約為2261m，為城門洞型，隧洞寬2.60m，邊墻高2.20m，上部圓弧半徑1.48m，拱高0.85m，正常水位2.0m（糙率 n=0.020），水面比降i=1.0‰。隧洞布置在厚實的左岸山體內，無斷裂構造及不良地質體分布，山體及邊坡自然穩定。其后接明渠，長度為5644m，底寬2.6m，深度為2.5m。渠道末端與下游二級電站的壓力前池銜接。

方案二：長隧洞加明渠方案。該方案的引水隧洞與方案一的斷面形式相同，其全長約為5965.14m，水面比降i=1.0‰，布置在厚實的左岸山體內，無斷裂構造及不良地質體分布，山體及邊坡自然穩定。隧洞段共經過5個小的沖溝，沖溝段采用暗渠連接。五段暗渠的長度分別為155.39m、94.99m、8.02m、57.99m、78.43m。最后與下游275.60m的引水明渠銜接，引水明渠形式也與方案一相同。渠道末端與下游二級電站的壓力前池銜接。

方案三：明渠方案。引水明渠全長為8083m，斷面形式與方案一的明渠相同。渠道末端與下游二級電站的壓力前池銜接。

三種引水線路方案的平面布置圖見圖1。對上述三種引水線路方案進行了施工工期及投資比較，詳見表1。

從表中可以看出三種引水線路的方案的工程靜態總投資分別為：短隧洞加明渠方案4469萬元；長隧洞加明渠方案4216萬元；明渠方案4398萬元。施工工期分別為2年、1.5年、2年。綜合來看長隧洞加明渠方案投資最小，施工工期最短，且工程量易于控制，另外引水明渠要受限于修建施工道路的制約，在山區修建滿足工程要求的施工道路非常困難，并且隧洞施工難度較明渠施工難度小。根據地形、地質條件、工程布置條件和施工工期等因素綜合考慮，方案二較優。

方案二的主要優點如下：

（1）避免了洪溝對明渠的不利影響；

（2）減少了渡槽或倒虹吸等跨河（溝）建筑物，便于縮短施工工期和工程投資，同時降低施工難度；

（3）便于工程運行管理。

推薦方案二的引水隧洞全長約為5965.14m，為城門洞型，隧洞寬2.60m，邊墻高2.20m，上部圓弧半徑1.48m，拱高0.85m，正常水位2.0m(糙率n=0.020)，水面比降i=1.0‰。隧洞段共經過5個小的沖溝，沖溝深度均小于2.0m，沖溝段采用暗渠連接，以防止沙石進入，同時采取工程措施防止沖刷。五段暗渠的長度分 別 為 155.39m、94.99m、8.02m、57.99m、78.43m。對于洞線高于溝槽床面的渠段，基礎進行回填，并設置了排水涵管。隧洞進口與石城子一級水電站尾水渠相接，隧洞進口底板高程1317.50m，隧洞出口與下游275.6m的引水明渠銜接。明渠斷面型式采用矩形（基巖）或梯形（覆蓋層），縱坡i=0.8‰，渠道內寬2.6m，高2.5m，明渠全長275.60m。明渠進口底板高程1314.91m，渠道末端底板高程1314.69m，渠道末端與壓力前池銜接。

圖1 三種引水線路方案平面布置圖

表1 三個方案施工工期及投資比較表

圖2 壓力前池及壓力管道平面布置圖

2.3 壓力前池布置

壓力前池布置在引水渠道末端的山頭上，平面中心軸線與渠道軸線一致，長度為49.23m，寬度6.0m，深度8.0m，正常水位以下容積1206.6m3，主要由擴散段、池身、溢流堰、泄槽、沖沙孔和壓力管道進水口組成，采用側向溢流、側向進水、正向沖沙的布置方式。水流從明流轉換為壓力流進入壓力管道，電站負荷發生變化時通過溢流堰宣泄多余水量。

壓力前池利用天然洼地蓄水，溢洪道下游利用天然沖溝行洪。溢洪道和排沙洞的工作水頭不足5.0m，溢洪道水流到達擋水壩體壩腳處和排沙洞出口的下泄流速小于10m/s，天然沖溝基礎均為較為完整的花崗巖，抗沖流速大于12m/s，沖溝底部分布有直徑約為1.0m～2.0m的巨石，設計時考慮利用這些現存的星羅棋布的大石消能，減緩水流下泄的沖刷。因此，溢洪道和排沙洞的防護范圍為壓力前池擋水壩體的10m范圍。

2.4 壓力管道布置及型式選擇

本電站為地面式引水廠房，管道布置為明管和地下埋管兩種型式均可。采用地下埋管施工難度較大，且必須增加施工支洞；采用明管布置施工簡單，縮短工期，避免了洞挖和回填混凝土工程量，因此推薦明管方案。

壓力管道進水口側向布置在右側邊墻末端，軸線與前池縱軸線垂直，因管道較長，采用一管二機聯合供水方式。平面寬度6.8m，順水流方向設置攔污柵，檢修閘門，工作閘門及通氣孔，后接漸變段進入壓力鋼管。

壓力管道經過斜坡地段，無斷裂構造及不良地質體分布，山體及邊坡自然穩定。高程1320.0m～1185.0m，基巖、坡角、邊坡均穩定。

壓力鋼管由前池順坡明敷至山腳，根據地形變化，平面設置2個轉彎點，剖面設置4個轉彎點，其中前池出口和廠房上游2個轉彎點為空間轉彎，轉彎點設置鎮墩，中間設置支墩，鎮墩下游側設置伸縮節。管道在進入廠房前分岔，岔管為對稱Y型分岔，分岔角60°。

前池管道進水口中心高程1325.50m，機組安裝高程1180.00m。

壓力管道主管直徑 1.6m，長292.594m，岔管采用內加強月牙肋型，對稱Y型分岔，分岔角60°，支管直徑1.2m，長14.000m。均采用Q235鋼材。根據結構計算，主管管壁厚度10mm～18mm，從上至下依次增加2mm，支管管壁厚度14mm。

壓力前池及壓力管道平面布置見圖2。

3 結語

石城子二級電站的額定水頭為130m，設計引用流量8.34m3/s，裝機容量為2×5MW，屬于典型的山區小流量引水式電站，此類電站的設計重點在于引水線路的布置，避開不良地質條件和地形條件的限制，有利于節省工程投資，縮短施工工期。該引水系統布置是在工期緊、任務重條件下完成的，得到了業主方的同意，為工程解決了實際困難，本電站多年平均發電量為2805萬kW·h，單位千瓦投資7661.2元，單位電能投資2.73元/kW·h，同時也帶來了巨大的經濟效益與社會效益。

[1]王恩潤.小水電站[M].北京∶水利電力出版社,1992.

[2]張潤.山區徑流引水式電站設計的幾點體會[J].小水電,2007,（3）∶28-29.

[3]柴建新,柴建江.引水式水電站水工設計經驗介紹[J].中國農村水利水電,2000,(12)∶53-54.