潘口水電站引水發電系統的優化設計

游 志 純

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖北 宜昌 443002)

潘口水電站引水發電系統的優化設計

游 志 純

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖北 宜昌 443002)

在潘口水電站施工詳圖設計階段，本著技術可行、施工便利、經濟合理的原則，對工程引水發電系統進行了一系列優化設計，包括進水口引水渠布置優化、引水隧洞斷面及支護方式優化、廠房布置優化等，取得了較好的經濟效益。

引水發電系統；結構設計；優化設計；潘口水電站

1 概 述

潘口水電站位于湖北省十堰市竹山縣境內堵河干流上游河段，為湖北省近幾年修建的最大的水電站。潘口水電站引水發電系統主要由進水口、壓力引水隧洞、發電廠房、戶外開關站、進廠交通洞及尾水渠等建筑物組成。筆者論述了引水發電系統建筑物結構的優化設計。

岸塔式進水口布置在左岸壩前1#沖溝處，共設2孔，并排對稱布置，單管單機引水。進水口底板頂面高程為309m，進水塔高55m。進水口引水渠渠底高程為307m，靠山體側長120m，沿①號機軸線長71m。兩孔進水口中心線間距34m，孔口設3個中墩與2個邊墩，4孔攔污柵，1孔檢修閘門和1孔事故閘門。進水口頂部平臺與左岸上壩公路之間采用預應力鋼筋混凝土空心板橋連接。

兩條引水隧洞平行布置于左岸。根據實際工程地質條件，引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌與鋼板襯砌兩種型式。兩條引水隧洞自漸變段至蝸殼進口段總長度分別為462.714m和398.278m，其中鋼筋混凝土襯砌段(內徑9.5m)長度分別為317.743m和276.443m，鋼板襯砌段(內徑8.5m)長度分別為144.971m和121.285m；鋼筋混凝土襯砌段襯厚0.7m，鋼板素混凝土襯砌段襯厚0.6m。隧洞設計額定引用流量為339.4m3/s，最大凈水頭為91.92m，最大HD(水擊作用下)為1 100m2。

廠房為Ⅰ級建筑物，抗震設防烈度為7度，抗震概率水準采用50a超越概率0.05，基巖水平加速度峰值0.134g。主廠房尺寸為94.3m×31.1m×59m(長×寬×高)，廠內安裝2臺單機容量為2 500MW的水輪發電機組，機組間距26m，安裝高程258.1m。兩臺機組段間及機組段與安裝場間均設20mm寬的永久縫。主廠房水輪機層以上為框架結構，以下為鋼筋混凝土墻體結構。

2 主要設計優化及取得的成效

2.1 進水渠布置優化

根據樞紐區地形地質條件和水位線高程，原設計方案將進水口布置于庫區左岸壩前1#沖溝處。受1#沖溝影響，引水渠左側邊坡為順向坡，進水口左側邊坡為反向坡。施工詳圖階段，為減少順向坡開挖、避免開挖擾動形成新的邊坡問題，設計人員結合現場開挖揭露情況進行了以下兩方面優化：(1)調整了引水渠布置，取消了進水口前50m長的引水渠直線段，引水渠轉角相應由17°調整為45°，沿①號機軸線長度由近150m縮短至71m，基礎面積由8 670m2減少為3 270m2，減少了62%(圖1、2)。(2)取消了引水渠60cm厚混凝土底板襯護。進水渠經過優化，較好地解決了順向坡開挖問題，減少了開挖支護工程量，節省工程投資150多萬元。

圖1 設計階段引水發電系統平面布置圖(優化前)

圖2 施工詳圖階段的引水發電系統平面布置圖(優化后)

2.2 引水隧洞優化

(1) 壓力鋼管段隧洞斷面的優化。

在前期設計階段，壓力鋼管管徑采用與混凝土襯砌段相同洞徑的9.5m，而蝸殼進口斷面直徑為6.9m，兩者相差較大，故在施工詳圖階段對其進行了專項分析，研究了壓力鋼管管徑減小的可能性。經計算分析，將壓力鋼管直徑優化為8.5m。經模擬分析，優化后的引水道末端壓力升高、蝸殼最大動水壓力、機組轉速上升和尾水管內真空度等在相應工況下均能滿足規范要求。壓力鋼管段隧洞斷面的優化，既減少了隧洞施工設備的投入、緩解了隧洞施工壓力，同時也降低了壓力鋼管制安的難度和工程量，大幅降低了投資，節省投資2 526萬元(表1)。

表1 引水隧洞優化前后主要工程量及投資對比表

注：表中僅列出引水隧洞優化調整引起的主要工程量及對應的靜態投資。

(2)支護方式的調整。

兩條引水隧洞工程地質條件基本相同，上平段置于弱風化～微風化的白云母石英片巖夾云母片巖中，下平段深埋于微風化～新鮮的灰綠色綠泥鈉長片巖中。引水隧洞段洞軸與巖層走向夾角為60°～90°(除出口段夾角為32°外)。引水隧洞進出口巖體類別為Ⅳ～Ⅲ2類，洞身段為Ⅲ1類。工程實施過程中，隧洞支護方式由原系統設計調整為動態設計。根據引水隧洞開挖揭露的地質條件及采集到的監測數據，除上平段采用系統錨桿+掛網噴護(進口處采用鋼拱架及噴混凝土支護)外，其余洞段僅對節理發育段進行隨機支護，并取消了圍巖較完整洞段的支護。動態支護設計的采用，不但體現了設計服務于工程實際的原則，而且在減少工程問題的同時加快了施工進度。

2.3 廠房布置優化

壩后岸邊式地面廠房基礎座落于新鮮巖體上，基巖主要為綠泥鈉長片巖。廠房縱軸線方向為NE17°，岸坡自然坡角為40°～45°，廠房后邊坡巖層弱風化埋深為5～20m。左岸邊坡存在影響其穩定的3組節理：(1)NE40°～60°，SE，∠40°～85°；(2)NW280°～300°，NW，∠50°～80°；(3)NW330°～350°，NE，∠40°～80°。

前期設計階段，廠房后邊坡最大開挖高度近120m，受左岸邊坡3組節理影響，邊坡穩定情況不容樂觀。施工詳圖階段，為避免開挖形成高邊坡，將廠房沿橫軸線向河床方向平移了17m；同時，為使引水隧洞總長不增加，又將廠房沿縱軸線向壩址方向平移了7.6m(圖1、2)。經調整后，廠房后邊坡最大開挖高度由近120m降至72m，減少了大量的邊坡開挖支護工程量及相應的投資，初估節省投資1 052萬元(表2)，同時也加快了施工進度，減少了對周圍環境的影響。

3 結 語

表2 廠房優化前后主要工程量及投資對比表

注：表中僅列出因廠房優化引起的主要項目的工程量及對應投資。

根據潘口水電站工程特點，在施工詳圖設計階段，設計人員結合現場實際，對引水發電系統進行了一系列優化設計，在確保結構安全、加快施工進度的同時，節省工程投資3 700多萬元，占引水發電工程靜態投資的14%，取得了較好的經濟效益。該工程實例說明：在項目實施過程中，可深入現場收集資料、做出符合工程實際的設計優化工作，對縮短項目建設工期、節省工程投資具有現實的技術經濟價值。

[1] 丁家仁, 王宗敏，張雪峰.設計優化對馬尼拉供水工程項目實施的重要性[J]. 水利水電技術 , 2012，43(2)：42-45.

[2] 何 強，陳貴強.芙蓉江清溪水電站發電引水系統設計及施工優化[J].貴州水力發電，2011，25(6)：24-27.

[3] 李水瀧，姜新忠.白水坑水電站發電引水系統優化設計[J].浙江水利科技，2006，34(3)：37-38.

(責任編輯：李燕輝)

2016-10-10

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1001-2184(2017)01-0095-03

游志純(1978-)，女，江西南城人，高級工程師，工程碩士，從事水電工程水工結構設計工作.