長河壩水電站引水發電建筑物的布置與設計

譚 可 奇，　蒲 曉 峰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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長河壩水電站引水發電建筑物的布置與設計

譚 可 奇，蒲 曉 峰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：長河壩水電站左岸引水發電系統具有地下洞室群復雜、規模大且巖體結構面發育、地應力高、地下水豐富、通風散煙難等特點和難點。系統概述了該引水發電系統各建筑物的布置與設計，旨在為類似工程設計提供有益的啟示。

關鍵詞：長河壩水電站;引水發電系統;布置與設計

1工程概述

長河壩水電站系大渡河干流水電規劃“三庫22級”開發中的第10級電站，工程的主要任務為發電，電站總裝機容量為2 600 MW，水庫總庫容10.75億m3，調節庫容4.15億m3，具有季調節性能。工程樞紐建筑物主要由礫石土直心墻堆石壩、左岸引水發電系統、右岸2條開敞式進口溢洪洞、1條深孔泄洪洞及1條放空洞組成。引水發電建筑物布置于河道左岸山體，采用首部式地下廠房布置方案，主要由電站進水口、壓力管道、主副廠房、主變室、開關站、尾水調壓室、尾水洞等建筑物組成。引水及發電等永久性主要建筑物為1級建筑物，電站廠房防洪標準按200 a一遇洪水設計，1 000 a一遇洪水校核，地下廠房內布置4臺單機容量為65萬kW混流式機組，電站設計引用流量為1 458 m3/s， 場址地震基本烈度為Ⅷ度。

2引水發電系統區的工程地質情況

引水發電系統布置在左岸，樞紐區山體雄厚，巖性為花崗巖，完整性較好，無區域性斷裂通過，次級小斷層發育稀疏，具備布置大型地下洞室群的工程地質條件。

進水口邊坡由較堅硬的花崗巖構成，坡體無貫穿性軟弱結構面，天然坡整體基本穩定。進水口自然邊坡地形較陡，巖體卸荷松弛強烈，松動巖帶、危巖體、坡崩積塊碎石等均較發育。

壓力管道圍巖總體較完整，以鑲嵌～次塊狀結構的Ⅲ類圍巖為主，部分為Ⅱ、Ⅳ類，成洞條件較好。

地下廠房等三大洞室水平及垂直埋深均大于200 m，巖體新鮮，致密堅硬。三大洞室均處于地下水位線以下，洞室上部地下水不發育，以滲水～線狀流水為主，在中、下部開挖時地下水將逐漸增多。廠區圍巖多呈次塊～塊狀結構，局部鑲嵌結構，以Ⅲ、Ⅱ類圍巖為主，局部小斷層交匯區域為Ⅳ類圍巖，成洞條件較好。廠區最大主應力σ1量級為25.68～31.96 MPa，屬高地應力區。

尾水隧洞巖體較完整，以鑲嵌～次塊狀結構為主，Ⅲ～Ⅱ類圍巖，成洞條件較好。

開關站開挖邊坡的變形破壞主要受斷層及同組長大結構面的控制，邊坡巖體破碎，局部穩定性較差。

3引水發電建筑物的布置與設計

3.1總體布置

進水口位于倒石溝下游側，采用岸塔式進口，4臺機組進水口呈“一”字型并排布置，進水口塔體尺寸為137.2 m×30 m×74 m(長×寬×高)。壓力管道內徑為9.5 m，采用單機單管供水，設計引用流量為364.5 m3/s，洞內流速為5.178 m/s。

發電廠房位于左壩肩壩軸線下游約18 m處，最小垂直埋深230 m，最小水平埋深約200 m，廠房縱軸線方位N82°W。主廠房尺寸為228.8 m×30.8 m×73.35 m(長×寬×高)，主變室尺寸為150 m×19.3 m×26.15 m(長×寬×高)，尾調室尺寸為144 m×22 m×79 m(長×寬×高)；三大洞室平行布置，尾水調壓室中心線和廠房頂拱中心線間距為135.2 m，主變室和廠房、尾水調壓室間的巖柱厚度分別為45 m和44.5 m。

尾水系統采用“二機一室一洞”布置方案，共設置了兩個長條形圓拱直墻阻抗式調壓室，總長度為144 m，中間用15 m厚的巖柱隔開。1#、2#尾水洞長度分別為1 306.57 m、1 134.51 m，斷面尺寸為12 m×16 m (寬×高)。

地面開關站位于左岸壩下游約120 m處，地坪高程1 685 m，與地下洞室采用兩條豎井和一條平洞連接，開關站尺寸為145 m×30 m(長×寬)。

3.2引水建筑物布置

引水建筑物由進水口和壓力管道組成，采用“單機單管引水”的布置格局。

電站進水口布置于左壩肩上游側倒石溝堆積體下游溝壁約300 m范圍的邊坡段，受地形、地質條件的限制，進水口位置相對固定，可調整的范圍不大。采用岸塔式進水口，塔高74 m，塔體總長137.2 m，順水流方向長30 m。塔體基礎高程為1 624 m，塔頂高程1 698 m，進口底高程1 628 m。塔內設有清污機槽、攔污柵槽、檢修閘門槽、工作閘門槽及通氣孔，塔頂布置有啟閉設備及控制系統。

壓力管道采用單機單管供水，4條管道平行布置，管軸線間距為33.8 m。壓力管道由上平段、上彎段、斜井段、下彎段、下平段及連接管段組成，上、下平段采用60°斜井連接，上彎段為空間轉彎，下彎段為立面轉彎。1#～4#壓力管道長645.447～532.538 m(至廠房上游邊墻)。主管管徑9.5 m，連接管管徑7.657 m，單管設計引用流量為364.5 m3/s，主管流速為5.14 m/s，連接管流速為7.92 m/s。壓力管道進口底板高程為1 628 m，上平段底坡為1%，斜井傾角為60°，下平段中心高程為1 463.45 m。考慮到斜井段下部內水壓力較大，對下彎段上部20 m以下管段采用鋼板襯砌，管外回填1 m 厚C20微膨脹混凝土；對下彎段上部20 m以上管段(包括上平段、上彎段、斜井段)采用襯砌厚度為1 m的 C25鋼筋混凝土襯砌。

3.3發電廠房及開關站布置

3.3.1廠房軸線的選擇

圍巖類別以Ⅲ～Ⅱ類為主，局部小斷層交匯區為Ⅳ類，整體成洞條件和圍巖自穩能力較好。廠區次級小斷層和擠壓破碎帶寬度較小，發育較稀疏，且以NE向為主，走向介于N15° ～50°E，次為NW向，少量近EW向；優勢裂隙J1、J2間距較大，同一部位一般僅出現1～2組，走向介于N10°～40° E；廠區初始地應力最大主應力σ1量級為16～32 MPa，方向大致為N60°～80°W。

在綜合考慮優勢裂隙、地應力方向、樞紐布置、施工方便等因素后，選取廠房縱軸線走向為N82°W，與壩軸線近似平行。

3.3.2主副廠房、出線系統及開關站設計

經對圍巖穩定、廠內外交通、機電設備布置、運行管理、工程投資等多方面進行綜合比較后最終確定的三大洞室布置格局采用平行布置，主變室布置于廠房和尾水調壓室之間，主變室與廠房和尾水調壓室中心線間距分別為70.05 m和65.15 m。

地下廠房由山里至山外依次布置安裝間、主機間、副廠房；主機間長147 m，安裝間長60.9 m，副廠房長20.9 m，主副廠房總長度為228.8 m；主廠房吊車梁以上開挖跨度為30.8 m，以下為27.3 m；主廠房凈跨度為25.5 m，其中機組中心線上游側寬10.25 m，下游側寬15.25 m；廠房頂拱高程為1 510.8 m，基礎高程為1 437.45 m，主廠房高度為73.35 m。

主機間內安裝4臺單機容量為650 MW的水輪發電機組及其附屬機電設備，機組安裝高程為1 463.45 m，機組間距為33.8 m。為便于結構布置并使設備布置更加緊湊以減少廠房跨度，在參考國內外已建類似工程經驗，最終決定采用方圓形的機墩和風罩結構，緊貼上游側巖壁布置，下游側布置廠內各層的縱向通道。廠內安裝2臺400 t+400 t/50 t雙小車橋式起重機，吊車梁型式為巖壁式。廠內布置從上至下依次為：廠房頂拱風道層、發電機層、電氣夾層、水輪機層、蝸殼層及尾水操作廊道層。

主變室長150 m，寬19.3 m，高26.15 m，斷面為圓拱直墻型。主變室按功能分為上、下二層。上層為500 kV電纜層，高程為1 494.7 m，下層為主變層，高程為1 480.7 m，通過交通聯系洞與進廠交通洞相連。

2條電纜出線豎井布置在主變室下游側，豎井中心線距主變室下游墻14.3 m，兩豎井之間水平中心距離為67.6 m；出線豎井通過兩條交通洞聯系洞、兩條電纜出線下平洞與主變室相連，其豎井內徑均為8 m，高度均為205.3 m；在1 686.5 m高程通過電纜出線支洞和1條出線上平洞與地面開關站GIS樓500 kV電纜層連接，地面高程為1 685 m。

地面開關站由地面副廠房、GIS樓、出線場、回車場及進站公路組成。地面副廠房與GIS樓按一字型布置，其間設0.1 m的伸縮縫，總面積為150 m×30 m(長×寬)，地面高程為1 685 m，室內比室外高0.3 m。

3.3.3廠區防滲帷幕的布置

廠區防滲帷幕與大壩左岸防滲帷幕相接，防滲帷幕沿廠房縱軸線方向延伸至安裝間外50 m后再順河向延伸至主變室下游邊墻外15 m，形成廠區防滲帷幕的灌漿廊道。灌漿廊道距主廠房上游邊墻約50 m，平行于主廠房布置，廊道內設灌漿孔和排水孔。與壩肩灌漿廊道對應，從1 697 m高程至1 473 m高程共設置了5層灌漿廊道，平面上5層灌漿廊道的平均長度約為384.7 m。灌漿廊道斷面尺寸為3 m×4 m，城門洞型。各層灌漿廊道均設兩排灌漿孔。灌漿孔與鉛直面呈5°夾角，布孔間距為2 m，排距1.5 m，梅花形布置。上、下兩層帷幕采用淺孔灌漿進行搭接。

3.3.4廠區排水系統的布置

廠區排水自成系統，在廠房及主變室附近設置了3層平面上呈半封閉型式布置的排水廊道，廊道內設排水孔，將廠房和主變室籠罩在排水孔幕內以有效排除地下水，提高地下廠房洞室群的圍巖穩定性，確保廠房系統的安全運行。

深圳市佳士科技股份有限公司高級副總裁羅衛紅先生、杭州華光焊接新材料股份有限公司董事長金李梅、南京大地水刀股份有限公司技術總監蔣鎮漢、伏能士智能設備（上海）有限公司中國技術支持總監Gerd Holzschuh分別做了題目為“持續追求技術發展 全面打造佳士質量”、“面向綠色智能制造的釬焊技術展望”、“超高壓水射流技術的應用”、“TPS/i-基于焊接工藝和用戶設計的智能平臺”的精彩報告。

3.3.5地下廠房通、排風系統的設計

(1)送風系統的布置。

送風系統由進風平洞、進風機室(組合空調機房)、主副廠房頂拱送風道組成，采用集中空調處理加進廠交通洞輔助(自然)進風方案。

送風系統洞室群空氣流程如下：

① 室外新風→進風平洞→進風機室→進風兼排風平洞→廠房拱頂送風道→主廠房各層和副廠房。

② 室外新風→進風樓→進廠交通洞→主變室和GIS層→出線豎井。

(2)排風系統的布置。

排風系統主要由主副廠房頂拱排風道、進風兼主廠房排風平洞和主廠房排風平洞、主變室頂拱排風道、排風機室、排風豎井、排風上平洞組成；另外2條500 kV出線豎井、出線上平洞兼排風，以確保將全廠的余熱、余濕及廢氣排至室外。

排風系統洞室群空氣流程如下：

① 主副廠房→主副廠房頂拱排風道→進風兼排風平洞→主副廠房排風平洞→排風機室→排風豎井→排風上平洞→室外。

② 母線洞→主變室→主變室頂拱排風道→排風機室→排風豎井→排風上平洞→室外。

③ 電纜層→出線豎井排風道→出線豎井排風機室→出線上平洞排風道→室外。

3.4尾水系統的布置

尾水系統由尾水調壓室、尾水支洞、尾水洞、尾水閘門室及尾水洞出口等建筑物組成。

尾水調壓室1 498 m高程以上兩室連通。經引水發電系統水力過渡過程數值計算分析，確定尾水調壓室的型式為長條形阻抗式，尾水系統采用“兩機一室一洞”的布置方式，總長度為144 m，其間設置一道15 m厚的巖柱隔墻，在隔墻頂高程1 498 m以下，調壓室分為兩室， 即：1#調壓室連接1#、2#機組及1#尾水洞，室長67 m；2#調壓室連接3#、4#機組及2#尾水洞，室長62 m。調壓室上、下寬度分別為22 m和21 m，頂拱高程1 517 m，阻抗隔板頂高程為1 456 m，底板高程為1 440 m，調壓室高79 m。在調壓室上游側設置尾水檢修閘門，閘門槽兼作阻抗口，孔口尺寸為10.8 m×3.4 m。檢修平臺高程稍高于常年洪水位且高于下游正常尾水位。

尾水系統采用“兩機一室一洞”的布置格局。尾水支洞垂直于調壓室下游邊墻，相互平行布置，中心間距33.8 m。1#尾調室的1-1、1-2尾水支洞在尾調室外以卜形岔形式合流交匯于1#尾水洞，交匯角度為140.46°； 2#尾調室的2-1、2-2尾水支洞在尾調室外以卜形岔形式合流交匯于2#尾水洞，交匯角度為140.46°；尾水支洞及其交匯段均采用平坡。卜形岔后兩條尾水洞平行布置，洞軸線間距為65.7 m，巖柱厚度為50.7 m，巖柱厚度與開挖跨度之比為3.38。1#、2#尾水洞進口底板高程為1 440 m，出口底板高程為1 456.5 m；長度分別為1 306.57 m、1 134.51 m，縱坡i=-1.442%與i=-1.661%。尾水支洞及尾水洞均為城門洞型，斷面凈尺寸分別為9 m×14 m (寬×高)、12 m×16 m (寬×高)，采用鋼筋混凝土襯砌，標準段襯砌厚度為1.2～1.5 m。

尾水閘門室位于叮鐺溝上游側的山體內，閘室軸線走向為N6°48′14″'E，閘室高55.3 m，垂直埋深70～108 m，最小水平埋深約30 m。尾水閘門室長度為132 m，寬度為10 m，城門洞型。

尾水洞出口布置在大壩下游約500 m處，出口縱軸線與河道中泓線的交角約為40°。

4結語

長河壩水電站工程引水發電系統地下洞室群復雜、規模大，各建筑物布置緊湊，很好地解決了地應力高、地質構造復雜、地下水豐富、通風、排煙難等一系列問題，可為今后類似工程設計提供參考。

譚可奇(1980-)，男，陜西石泉人，副處長兼設計副總工程師，高級工程師，碩士，從事水電水利工程勘測設計、項目管理及科研工作；

蒲曉峰(1963-)，男，四川南部人，專業副總工程師，設計副總工程師，教授級高級工程師，學士，從事水電水利工程勘測設計、項目管理及科研工作.

(責任編輯：李燕輝)

Layout Design of Outlet Works at Changheba Hydropower Station

MENG Fuqiang

(PowerChina Chengdu Engineering Limited , Chengdu , 610072 , China)

Abstract:Based on topographical and geological conditions in damsite area at Changheba hydropower station , scheme comparisons are made for outlet works layouts and spillway tunnel schemes are selected. With further investigation and design , the scheme is optimized to reduce construction difficulties and risks. After determination of layout of outlet works , based on results from recheck hydraulic model tests, outlet works configurations and structures are properly designed to meet specifications and to provide reliable basis for construction . This will provide experiences and references to the similar outlet works.

Key words:Changheba hydropower station ; outlet works ; layout ; spillway tunnel ; test

作者簡介:

收稿日期:2015-11-04

文章編號:1001-2184(2016)01-0015-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV222;TV641