大興川水電站工程修改設計

侯光普，陳 博

（1.吉林省水利水電勘測設計研究院，長春 130021；2.浙江華東工程咨詢有限公司，杭州311122）

在水利水電工程建設過程中可能遇到大洪水和復雜地質條件等各種不利物質條件，使得工程的安全性不符合要求，需要進行相應處理，否則會產生漫頂甚至潰壩等嚴重后果。

本文以大興川水電站改造為例，通過方案比選及模型試驗驗證，擬定了經濟合理的改造方案。

1 工程概況

大興川水電站工程位于二道松花江中游，地處吉林省安圖縣兩江鎮大興川村一隊上游約2km處，是二道松花江中段規劃 （兩江電站～西金溝電站之間）的梯級水電站中的第二級電站，以水力發電為主，由重力壩、溢流壩、壩后式電站及升壓站等組成，裝機容量4.85萬kW，工程規模為中型工程，工程等別為Ⅲ等，擋水壩、溢流壩為3級建筑物，壩后式電站廠房為4級建筑物。

2008年大興川水電站開工建設，截止2016年大興川水電站原設計土建工程內容全部施工完成，擋水壩段已經封頂，溢流壩段及電站廠房已完成，變電站和送出工程也已完成，目前正在進行機電設備安裝調試。

電站于2010年7月28日和2013年8月16日遭遇兩次大洪水，導致校核標準洪峰流量（9750m3/s）比初步設計階段洪峰流量（5400m3/s）大80.56%，通過調洪計算，原設計5孔溢流壩泄流能力遠遠不足，當發生校核洪水時，庫水位將越過壩頂，導致漫頂，對下游發電廠房造成嚴重威脅。故需對電站進行改造，使其泄流能力滿足規定要求。

2 方案比選

2.1 初步方案

目前，電站土建工程已全部完工。主要建筑從右到左分別為由右側擋水壩段、電站進水口段、溢流壩段、左側擋水壩段，在河道內垂直于水流方向呈“一”字形排開，電站上游如圖1，如圖2。

圖1 電站上游立視圖

圖2 電站上游照片

由于右側擋水壩段前方為變電站，因此本工程對左側擋水壩段及山體進行處理，以增大電站的泄流能力。

2.1.1 新建無壓隧洞

依據GB 50288—2016《灌溉與排水工程設計規范》規定，無壓隧洞泄流能力公式如下：

其中 m為流量系數；ε為側收縮系數。

經計算，H0=15m時，B=11.36m。

構造凈空＞15%過流面積， 即H0＞1.15×15=17.25m。

根據計算結果，增建斷面尺寸不小于11.36m×17.6m（寬×高）的無壓隧洞，才能下泄原單孔溢流壩相應流量。因此，需新增5孔尺寸11.36m×17.6m（寬×高）的無壓隧洞才能下泄校核洪峰流量。

2.1.2 新建有壓隧洞

依據GB 50288—2016《灌溉與排水工程設計規范》規定，無壓隧洞泄流能力公式：

其中 m為流量系數，和洞線走向、斷面尺寸、進出口高程等均有關聯。

經計算，D=11.07m（圓形隧洞直徑），計算結果可知，增建直徑不小于11.07m的有壓隧洞，才能下泄原單孔溢流壩相應流量。因此，需新增5孔直徑11.07m的有壓隧洞，才能下泄校核洪峰流量。

2.1.3 新建有溢流壩

依據SL253—2000《溢洪道設計規范》，WES型實用堰泄流能力計算公式：

其中 m為流量系數；ε為側收縮系數。

經計算，保留原有已建5孔溢流壩，新建3孔溢流壩，每孔凈寬12m，堰頂高程453.50m（共8孔），可以下泄校核洪峰流量。

2.1.4 新建溢流壩并對原結構進行改造

為減少左壩肩山體開挖工程量及征林占地范圍，考慮施工導流，保留原有導流墻右側2孔溢流壩，并新增溢流壩。

依據SL253—2000《溢洪道設計規范》，WES型實用堰泄流能力計算公式：

其中 m為流量系數；ε為側收縮系數。

經計算改造3孔并新建2孔溢流壩，每孔凈寬12m，堰頂高程454.00m（共7孔），可以下泄校核洪峰流量。

2.2 方案比選

2.2.1 初步比選

新建無壓隧洞及有壓隧洞方案有以下缺點：

（1）征林占地范圍巨大，對環境造成較大影響，不利于工程獲批。

（2）山體開挖工程量巨大，導致工程投資急劇增加。

（3）隧洞斷面尺寸大，施工技術難度大。綜上，新建隧洞方案可不考慮。

2.2.2 進一步比選

保留原有已建5孔溢流壩，新建3孔溢流壩，每孔凈寬12m，堰頂高程453.50m（共8孔）方案（5+3方案），可以滿足泄流要求，但山體開挖量較大；保留原有導流墻右側2孔溢流壩，改造導流墻左側3孔溢流壩，再新建2孔溢流壩，每孔凈寬12m，堰頂高程454.00m（共7孔）方案（2+5方案），亦可滿足泄流要求，但對原有已建溢流壩段進行了較大破壞和改造，具體施工過程中施工技術難度較大。故進一步進行工程投資比選，如表1。

由表1可知，5+3方案投資較少，因此選定該方案進行改造設計。

表1 工程投資 單位：萬元

2.3 工程總體布置

本次改造設計方案主要建筑物由混凝土重力壩、溢流壩組成，在河道內垂直于水流方向呈“一”字形排開。拆除原設計并已建成的大壩左側混凝土重力壩擋水壩段后，接原有5孔溢流壩段向左岸擴建3孔溢流壩，擴建3孔溢流壩段左側為新建混凝土重力壩擋水壩段。

3 模型試驗及分析

3.1 模型試驗的必要性

本次改造設計有以下兩個難點：

（1）雖然新增3孔溢流壩和原5孔溢流都為WES型實用堰，但堰頂高程不一樣，故堰面曲線方程不同，當兩種堰型同時泄流時，水流流態復雜，實際泄流能力和理論計算可能不符。

（2）本次改造拆除原設計并已建成的左側混凝土重力壩后，向左岸擴建三孔溢流壩并新建混凝土重力壩段。由于向左岸山體側開挖一定距離，擴建后的8孔溢流壩中左側3孔溢流壩進、出水流不能平順流暢通過，水流條件受到影響。

為保證水流條件，基于WES實用堰的前提條件下，保障流量系數及側收縮系數不受影響，工程由壩軸線位置向壩體左岸的上、下游分別進行岸坡治理。

根據左岸山體地形實際情況，考慮盡量不影響進口過流及出口泄流，初擬左岸上游150m、下游150m進行岸坡治理。

鑒于上述原因，對理論計算進行檢驗。

3.2 模型試驗

模型采用木材和混凝土對電站和地形地貌進行還原模擬，模型比例1∶100。

在校核洪水水位時，理論計算原5孔和新建3孔，共8孔溢流壩合計下泄流量9570m3/s，試驗下泄流量9258m3/s，誤差3.26%。

3.3 誤差分析

模型試驗結果表明，理論計算和試驗結果有一定差距，究其原因為：

（1）新增3孔溢流壩和原5孔溢流壩的水流流態不同，相互影響。

（2）電站左側新增3孔溢流壩進、出水流不能平順流暢的通過，水流條件受到影響。

（3）為減少河床開挖量并節約投資，消力池下游河道開挖采用陡反坡開挖，導致消力池出水條件受到影響。

4 結語

針對大興川水電站建設過程中發生兩次較大洪水導致原設計泄流能力不足的問題，根據工程現場實際情況，進行了改造方案比選和模型試驗，模型試驗結果和理論計算結果誤差較小，下一步將針對誤差分析列出的原因進一步完善改進。

對今后發生類似不可預測的突發狀況導致原設計不符合要求的工程具有一定借鑒意義。