老坡口水電站設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題

林飛

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院　長沙市　410007）

老坡口水電站設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題

林飛

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院長沙市410007）

湖南省汝城縣老坡口水電站為湘江二級支流淇水的最后一個梯級，因前期規(guī)劃工作深度有限，按原規(guī)劃開展地勘工作后，根據(jù)陸續(xù)揭露的地質(zhì)條件，原方案實施難度大，投資高。經(jīng)技術(shù)會商，全面結(jié)合該流域梯級布置實際和河段地形地質(zhì)條件，決定將壩址上移4.0 km，廠址下移1.3 km，由高壩方案變?yōu)榈蛪伍L引水形式，工程難度大為降低，投資節(jié)省。樞紐布置和具體建筑物設(shè)計因地制宜，安全經(jīng)濟，可供類似工程設(shè)計參考。

老坡口水電站選址優(yōu)化因地制宜安全經(jīng)濟

1　工程概況

老坡口水電站工程位于湖南省汝城縣暖水鎮(zhèn)境內(nèi)，距汝城縣約31 km，為淇水流域（湘江二級支流）規(guī)劃開發(fā)的最后一個梯級，上接魚仔口電站，下距河口5.7 km，與東江電站庫尾相銜接。壩址以上控制流域面積468 km2，總庫容182.82萬m3，調(diào)節(jié)庫容85萬m3。老坡口水電站是以發(fā)電為主的小（Ⅰ）型水電工程，樞紐由攔河重力壩、發(fā)電引水隧洞、廠房和110 kV開關(guān)站等主要建筑物組成。

大壩為常態(tài)混凝土重力壩，壩頂高程359.0 m，最大壩高28.0 m，壩軸線長117.25 m，開設(shè)3孔10 m×9.0 m“WES”型溢流表孔，戽流式消能，左岸壩體內(nèi)設(shè)有2.0 m×2.0 m放空底孔。廠址位于東江庫區(qū)的漚江右河岸沖溝內(nèi)，距汝城縣約19 km，通過引水隧洞從大壩右岸引水發(fā)電，電站設(shè)計水頭68 m，引用流量39.04 m3/s，裝機2×12 MW，多年平均電量8 148萬kW·h，尾水渠全長160.88 m。發(fā)電引水隧洞采用圓形斷面，襯后內(nèi)徑4.5 m，全長2 950.581 m，在樁號2+781.896處設(shè)有內(nèi)徑9.5 m的圓筒式調(diào)壓井。110 kV戶外開關(guān)站位于廠房右后側(cè)，平面尺寸35.5 m×39.7 m，利用開挖石渣回填沖溝而成。

工程總工期29個月，第一臺機組發(fā)電工期24個月，靜態(tài)總投資15 612.99萬元。該工程2004年9月主體工程開工，2007年12月完工，至今運行良好。

2　工程地質(zhì)條件

老坡口水電站位于淇江下游峽谷，壩區(qū)兩岸山坡陡峻，下部基巖裸露，左右岸地形較為對稱，山頂高程（420～530）m，左岸地形緩于右岸，左岸山坡坡角35°～50°，沖溝不發(fā)育，右岸山坡坡角40°～55°，共發(fā)育3條沖溝；河床高程（334.8～335.5）m，當(dāng)河水位336.3 m時，水面寬為30 m左右，一般水深0.6 m。壩址區(qū)巖性為寒武系淺變質(zhì)砂板巖及第四系松散堆積物組成。

廠址位于下游漚江右河岸廢棄銅礦廠下游沖溝內(nèi)，距暖水鎮(zhèn)約4.4 km，有暖水鎮(zhèn)至涼灘碼頭的公路通過。東北面緊靠仙頭腦山脈，山坡地形較陡峻，坡角40°～60°，山頂高程410 m，河床高程（269～274）m。山坡腳公路一帶，基巖裸露。廠區(qū)地層巖性主要為寒武系青灰、灰黑色淺變質(zhì)石英砂巖夾薄層板巖，巖石風(fēng)化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，上部巖石較為破碎。

引水發(fā)電隧洞位于河流右岸,進(jìn)口位于壩址上游255 m的②沖溝上游，調(diào)壓井位于廠房東北面山坡。

3　壩址選擇

原規(guī)劃壩址位于河流匯合口以上1.0 km的峽谷出口處，為“V”型河谷，地形條件較好，洞線短，基巖為泥盆系石英砂巖，初定大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高76.0 m，總庫容2 472萬m3，通過1.47 km引水隧洞至歐江右岸的碳素場處修建電站廠房，裝機2×12 MW。

隨著地勘和設(shè)計工作的深入，發(fā)現(xiàn)所選壩址存在兩個關(guān)鍵問題，決定了項目的可行性：一是大壩、廠址地質(zhì)條件均較差，壩址巖石風(fēng)化強烈，緊鄰左壩頭庫內(nèi)存在較大崩積體，廠區(qū)整體位于坡崩積體上，工程難度大，不可預(yù)見因素多；二是壩高較高，投資大，雖引水隧洞較短，但整體項目經(jīng)濟指標(biāo)差，方案實施較困難，經(jīng)濟評價為基本不可行。因此，選址成為該項目成敗的關(guān)鍵因素，為此，設(shè)計對工程選址重新進(jìn)行復(fù)核，決定將壩址上移4.0 km至小江背村附近，地形條件較好，雖洞線增長，但壩高由76.0 m降低至28.0 m左右，對地質(zhì)條件要求較低，廠房沿歐江下移1.3 km左右，發(fā)電引水隧洞長度增加約1.4 km，廠區(qū)地質(zhì)條件較好。大壩投資大大降低，僅為原高壩方案的1/4。

壩址上移廠址下移方案變更后，壩高降低48 m，由高壩降為低壩，工程難度大大降低，水庫庫容雖減小，但可利用上游魚仔口水庫的調(diào)節(jié)性能進(jìn)行聯(lián)調(diào)。雖引水隧洞長度增加，但沿線地質(zhì)條件較好，工程風(fēng)險可控；廠房下移后，雖廠區(qū)布置不如原方案順暢，受東江頂托影響更大，但通過設(shè)計合理布置，充分利用該處沖溝地形布置廠房和開關(guān)站，節(jié)省導(dǎo)流費用。發(fā)電水頭影響約（0.5～2.4）m，東江為多年調(diào)節(jié)水庫，根據(jù)20多年的實際蓄水資料，目前尚未蓄至正常水位，故其對電站的頂托影響實際難以準(zhǔn)確計算，由實測資料分析，該兩處廠址水能指標(biāo)差別不大。壩址上移后項目整體經(jīng)濟指標(biāo)較好、可行，且實施難度小，項目救活了。

由老坡口壩址變更可見，中小河流規(guī)劃方面的工作深度一般較淺，資料較缺乏，對規(guī)劃的復(fù)核工作非常重要，在中小項目上往往易被忽視，造成開發(fā)方案的偏誤，甚至項目被“打死”。

4　消能方式

4.1原初設(shè)方案

受壩高和下游水位制約，該工程采用簡單經(jīng)濟的挑流消能方式不適合。通過水力計算分析，自然狀態(tài)下，由于壩址下游水位整體較淺且變幅較大，難以形成穩(wěn)定的面流和戽流，故初設(shè)推薦采用底流消能形式。

底流消能主要參數(shù)：孔口尺寸為3 m×10 m×9.0 m，堰頂高程為347.0 m，反弧半徑R=10 m，圓心角53°,最大單寬流量70.0 m3/s,河床高程約334.5 m，擬定消力池底板高程331.5 m。經(jīng)計算，3孔溢流壩均需設(shè)置消力池，設(shè)置輔助消能工后，消力池底板厚1.5 m，長度30 m，池深3.5 m，出池流速為3.76 m/s，接近基巖的抗沖流速，在池后不設(shè)護(hù)坦。

4.2消能方案優(yōu)化

技施設(shè)計時，設(shè)計就大壩消能形式問題進(jìn)行了專門研究，該工程壩高較低，庫容較小，下游河岸巖體條件相對較好，經(jīng)詳盡計算分析表明，將下游河床局部范圍適當(dāng)下挖以人為增加壩址處下游水深，可基本實現(xiàn)戽流消能，簡化了消能布置，增強消能效果，同時節(jié)省了投資。

參考同類成功運行的工程實例，在保證大壩安全的前提下盡量降低工程投資，實際采用斷面：反弧半徑R=8.0 m，挑射角45°,下游堰坡1∶0.75，鼻坎高程335.34 m，戽底高程333.0 m，下游河床疏挖至保證基巖出露高程333.0 m，戽末用深齒槽保護(hù)，兩岸岸坡適當(dāng)疏挖防護(hù)。運行期注意監(jiān)測，如下游河床沖毀嚴(yán)重，及時修復(fù)，確保大壩安全。

老坡口水電站自2007年12月建成投產(chǎn)，到目前為止，大壩歷經(jīng)多次開閘泄洪，最大泄量為600 m3/s，經(jīng)檢查，下游河床及消力戽基本完好，證明消能方式改為戽流方案是成功的，同時，消能方式改變后，工程投資節(jié)省230萬元，效益顯著。

5　引水隧洞

隧洞進(jìn)口段位于河流右岸壩址上游約255 m處,洞口位于山坡陡崖下,洞臉大面積基巖裸露，坡角50°～65°，設(shè)計上采用錨桿鎖口直接進(jìn)洞，減少洞口明挖，避免形成高邊坡帶來的不利影響。

引水隧洞全線穿過的地層均為寒武系中～下組淺變質(zhì)巖巖組，巖層產(chǎn)狀N35°～55°W,NE∠45～55°巖層走向與洞向（S20°W）一般交角較大，對隧洞圍巖穩(wěn)定有利。隧洞全線無區(qū)域性大斷層通過，水文地質(zhì)條件簡單，地下水主要為裂隙水。根據(jù)地形地貌及地層巖性，將隧洞圍巖分為Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等五個類別，Ⅱ1～Ⅱ2類圍巖為穩(wěn)定～基本穩(wěn)定，除局部網(wǎng)噴外，大部分不襯砌；Ⅲ～Ⅳ類圍巖為穩(wěn)定較差～穩(wěn)定差，需進(jìn)行襯砌；Ⅴ類圍巖為不穩(wěn)定，一般是較大規(guī)模的斷層破碎帶，開挖時不斷坍塌及大量涌水的洞段，必須及時支護(hù)和加強襯砌。發(fā)電引水隧洞鋼筋砼襯砌段長520.581 m，占全長的17.2%；混凝土噴護(hù)段長1 226 m，鋼襯段長42.796 m。

發(fā)電引水隧洞應(yīng)根據(jù)開挖揭露的實際地質(zhì)條件，選擇合適時段及時跟進(jìn)一次支護(hù)，保證洞室穩(wěn)定，不過分追求鋼筋混凝土襯砌長度，節(jié)省投資。老坡口發(fā)電洞開挖及支護(hù)采用該原則，整個過程中未發(fā)生不利狀況，多年來的實際運行情況良好。

6　廠區(qū)布置（附圖）

附圖　　老坡口廠區(qū)平面布置圖

老坡口電站廠房為引水式開發(fā)，建筑物級別為4級，防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水設(shè)計，100年一遇洪水校核。但該電站位于東江庫內(nèi)，受東江（正常蓄水位283.34 m）洪水頂托，水文情勢十分復(fù)雜，天然和頂托情況下電站處水位相差近11.0 m，合理利用該消落深度是該種庫內(nèi)電站設(shè)計的難點。因東江為多年調(diào)節(jié)水庫，為華中電網(wǎng)骨干調(diào)峰電站，應(yīng)充分了解其調(diào)度運行特點，以指導(dǎo)老坡口電站合理選擇安裝高程和防洪標(biāo)準(zhǔn)。本次統(tǒng)計分析東江建成運行以來近20年的月平均水位資料發(fā)現(xiàn)，建成后東江水庫還沒有達(dá)到過正常蓄水位運行，其在本電站廠房處的水位也無明顯規(guī)律，與天然狀況對比，頂托時段超過50%，最高頂托水位近5.0 m。對老坡口這樣規(guī)模的小型電站而言，廠房投資占整個樞紐投資比例相對較小，為安全，機組安裝高程確定按天然情況考慮，適當(dāng)留有余地，廠區(qū)防洪按東江正常蓄水位回水考慮頂托影響。各工況水位詳見附表1。

附表　　電站特征水位成果表

廠區(qū)布置共有兩個方案：

方案一：廠房位于漚江右岸廢棄的銅礦處，該段河床較狹窄，岸坡陡峻，地質(zhì)條件較好，基巖裸露，廠區(qū)建筑物采用沿河一字型布局，進(jìn)廠交通不暢，廠區(qū)防洪較麻煩。加上河床較窄，施工導(dǎo)流時需疏挖對岸岸坡25 m。該方案存在交通不暢；高邊坡處理風(fēng)險；侵占原河道，防洪投資大；與周邊環(huán)境不協(xié)調(diào)等弊病。

方案二：銅礦廠下游120 m處有一天然沖溝，為減小施工導(dǎo)流難度及方便廠區(qū)防洪，電站廠房布置于該沖溝內(nèi)，距河口155 m，與流向大致正交，雖開挖增加，但難度小，交通順暢。

在設(shè)計上因地制宜，將安裝場與發(fā)電機層錯層布置，廠區(qū)地面高程為284.605 m，一是與現(xiàn)有對外公路連接順暢，二是使結(jié)構(gòu)布置合理，節(jié)省開挖工程量，同時可保證東江水庫達(dá)到正常蓄水位時利用廠房自身墻體防洪不受淹。

經(jīng)方案比選，選定方案二為推薦方案，巧妙利用沖溝地形，較好地克服了峽谷河段的不利因素，廠區(qū)布置經(jīng)濟合理。

7　結(jié)語

（1）老坡口電站為引水式開發(fā)，其開發(fā)方式關(guān)系到工程經(jīng)濟性和成敗，應(yīng)充分考慮河段梯級布置及地形、地質(zhì)條件進(jìn)行綜合比選，中小工程盡量利用上游梯級電站的調(diào)節(jié)性能，選擇低壩長引水模式，減小壩高和水庫規(guī)模，降低工程難度和風(fēng)險。

（2）對低壩小庫的消能方式，在不對大壩造成嚴(yán)重危害且有可靠維修條件的情況下，可適當(dāng)降低標(biāo)準(zhǔn)合理選用，以節(jié)省工程投資和降低施工難度，老坡口水電站大壩消能采用人工增加下游水深，由常規(guī)的底流消能方式改變?yōu)殪媪鳎?jīng)實踐檢驗，效果較好，值得中小工程借鑒。

（3）發(fā)電引水隧洞的設(shè)計應(yīng)充分做好洞線走向、洞型、洞徑等前期工作，盡可能減少對圍巖的松動破壞，最大限度利用圍巖的自穩(wěn)作用。支護(hù)方式應(yīng)根據(jù)開挖后實際地質(zhì)情況合理選用，不過分追求鋼筋混凝土襯砌的長度、厚度，節(jié)省工程投資。

（4）受頂托影響的電站，合理選擇安裝高程和確定防洪型式是設(shè)計的關(guān)鍵。

（5）廠房置于離河床155 m的沖溝，發(fā)電尾水利用沖溝回歸主河道，基本為干地施工，較好地避免了峽谷河段廠區(qū)布置的困難。中小型電站有其自身特點，在保證安全前提下，靈活布置建筑物，往往能收到較好的效果。

林飛（1972-），男，大學(xué)本科，高級工程師，主要從事水工設(shè)計工作。

（2016-02-26）