尼泊爾郎塘水電站引水樞紐設(shè)計技術(shù)探討

賴 磊， 黃 彬

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

尼泊爾郎塘水電工程位于尼泊爾聯(lián)邦民主共和國中央發(fā)展區(qū)巴格馬蒂專區(qū)拉蘇瓦縣，距尼泊爾首都加德滿都約115 km。郎塘水電站為引水式電站，最大壩高14.0 m；引水隧洞總長2 984.89 m；發(fā)電廠房為地面廠房。電站裝機(jī)容量22 MW，引用流量14 m3/s，額定水頭191.91 m，除發(fā)電外無其它綜合利用要求。電站年利用小時6 142 h，年平均發(fā)電量13 512萬kWh。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，本電站為Ⅳ等小(1)工程。永久性主要水工建筑物按4級設(shè)計，次要水工建筑物按5級設(shè)計。[1]

對于地處山區(qū)的中小型水電站，由于引用流量小、庫盆狹窄、落差大，因此引水式電站最為常見，引水樞紐作為引水式電站最重要的構(gòu)成之一，其方案比選，工程布置，結(jié)構(gòu)優(yōu)化在很大程度上影響電站的經(jīng)濟(jì)合理性、運(yùn)行的安全性和可靠度。因此下文用本工程實例對引水式電站的引水樞紐方案比較及建筑物選擇進(jìn)行探討。

2 設(shè)計思路

引水樞紐作為本電站最重要的組成部分，其設(shè)計方案直接影響到整個電站的投資，施工難度，直線工期及后期運(yùn)行維護(hù)的可靠性和安全性等方面，因此，在設(shè)計中，需擬定多種方案，從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行綜合比較，從而選定最優(yōu)設(shè)計方案。

引水樞紐設(shè)計內(nèi)容主要由以下部分組成：根據(jù)壩廠址位置及各邊界條件進(jìn)行引水線路左右岸方案比較，以確定引水走線；根據(jù)已選定引水線路，擬定無壓引水方案和有壓引水方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較；確定有壓引水方案后，再擬定各引水建筑物的最優(yōu)尺寸，如取水口淹沒深度，隧洞開挖直徑，襯砌厚度，調(diào)壓井及壓力管道直徑等，最后進(jìn)行水力及結(jié)構(gòu)計算，上述設(shè)計過程不斷重復(fù)，直至選定最優(yōu)的設(shè)計方案為止。下面將主要對引水樞紐的走線及引水建筑物布置形式作出比較。

3 方案比較

3.1 引水線路走線選擇

隧洞路線一般首先盡可能布置成最短的直線[2]，但實際需綜合考慮地形、地質(zhì)、覆蓋厚度、生態(tài)環(huán)境、水土保持、樞紐總布置、水力學(xué)、施工、運(yùn)行、沿線建筑物等各種因素，通過可能方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定[3]。

從開發(fā)河段的宏觀地形地貌來看，河道右岸山體單薄，連續(xù)性差，受沖溝的深切割，隧洞跨溝、穿溝較為困難，且引水隧洞較長，工程投資較大；河道左岸山體雄厚，無大的深溝切割，連續(xù)性好，引水隧洞容易穿過，軸線較短，工程投資較少。

從工程地質(zhì)角度來看，右岸山體有區(qū)域性的斷層通過，斷層及斷層影響帶寬20～40 m，引水隧洞經(jīng)過斷層及影響帶時，成洞較為困難。從巖性來看，右岸山體單薄，隧洞埋深較淺，圍巖大部分為Ⅳ和Ⅴ類，地下洞室的臨時及永久支護(hù)工程量大。左岸山體無區(qū)域性的斷層通過，出露的地層巖性主要為片麻巖，石英砂巖、石英巖，片麻巖為含有藍(lán)晶石礦物的層積、淺棕色、中粗粒帶狀片麻巖、具有藍(lán)晶石礦物是這個單元的主要巖石特征，圍巖大部分為Ⅱ和Ⅲ類，適宜設(shè)置地下洞室，且地下洞室的臨時及永久支護(hù)工程量與右岸相比較小，雖然建廠的地形條件較狹窄，但可以通過向河流下游稍微偏移增加場地設(shè)置地面廠房。左右岸引水條件比較見表1。

表1 左右岸引水線路比較表

根據(jù)上述比較，從兩岸的地形地質(zhì)條件、工程投資及施工環(huán)境等因素上，左岸引水方案明顯優(yōu)于右岸引水方案，因此選定左岸引水方案。

3.2 有壓引水方案及無壓引水方案比較

確定為左岸引水方案后，接下來將對引水方式進(jìn)行選擇，因此，本階段就有壓引水線路和無壓引水線路作同精度的布置比較。

其中，有壓引水方案主要由以下建筑物組成：有壓取水口→有壓隧洞→埋藏式調(diào)壓井→壓力鋼管(地下暗管)；無壓引水方案主要由以下建筑物組成：無壓取水口→無壓隧洞→壓力前池(溢流道)→壓力鋼管(地面明管)。

3.2.1 工程地質(zhì)對比

兩方案引水隧洞的工程地質(zhì)條件基本相同，不同的是調(diào)壓室和壓力前池的工程地質(zhì)條件。調(diào)壓室位于Ⅲ-Ⅳ類圍巖中，圍巖地質(zhì)條件較好，而地下壓力前池位于強(qiáng)風(fēng)化帶中，埋深較調(diào)壓井淺，大多為風(fēng)化破碎巖石，成洞較為困難，風(fēng)險較大，臨時支護(hù)工程量較多。

3.2.2 生態(tài)環(huán)境影響對比

有壓系統(tǒng)全部位于地下，不會破壞地表、地貌和植被，環(huán)境影響較小；無壓系統(tǒng)的壓力管道置于地表，施工時會進(jìn)行大面積開挖，破壞地表植被和地貌，甚至?xí)霈F(xiàn)邊坡穩(wěn)定等問題，環(huán)境影響較大。由于工程區(qū)地處尼泊爾郎塘國家森林公園內(nèi)，政府對環(huán)境保護(hù)要求較高，因此，不推薦無壓引水方案。

3.2.3 主要建筑物規(guī)模對比

根據(jù)隧洞工程投資和電能損失等綜合分析比較確定[4]，有壓隧洞開挖斷面面積為9.5 m2,無壓隧洞開挖斷面為11 m2，隧洞長度基本相同，且有壓隧洞壓力較小，因此，有壓隧洞洞挖、臨時支護(hù)、襯砌工程量均小于無壓隧洞。

3.2.4 動能經(jīng)濟(jì)條件對比

經(jīng)水頭損失計算，有壓方案滿發(fā)時水頭損失Hw=17.62 m，無壓方案滿發(fā)時水頭損失分別為Hw=13.85 m，無壓方案水頭利用比有壓方案多利用3.77 m，年發(fā)電量增加275萬kWh，但投資需增加475萬元，相應(yīng)單位電能投資為1.73元/kWh，高于有壓方案本身單位電能投資0.992元/kWh，說明無壓方案是不經(jīng)濟(jì)的。

3.2.5 工程量大小對比

無壓引水方案的前池應(yīng)布置在穩(wěn)定的地基上，避開滑坡和順坡裂隙發(fā)育地段，以確保前池和下游廠房的安全[5]。無壓隧洞出口地勢陡峻，開挖量大，且局部存在滑坡的可能，為保證工程安全，壓力前池布置為地下前池，地下前池存在工程量大，跨度空間較大，運(yùn)行檢修不便，沖沙溢流洞布置不利等問題，且壓力前池至河谷段邊坡陡峭，坡度約為50°，高約220m，溢流道的布置及溢流消能非常困難。

3.2.6 施工工序及工期對比

有壓隧洞施工工序較復(fù)雜，灌漿及襯砌要求較高。無壓隧洞壓力管道布置為明管，工作面較有壓隧洞方案的埋管更多，經(jīng)過施工組織設(shè)計，無壓方案的施工工期較有壓方案提前約1.5個月。

根據(jù)上述綜合比較，有壓引水系統(tǒng)比無壓系統(tǒng)節(jié)省約475萬元，單位電能投資低，地質(zhì)條件可靠，環(huán)境影響甚小，運(yùn)行維護(hù)方便，因此選擇為左岸有壓引水方案進(jìn)行設(shè)計。主要引水建筑物布置為：有壓取水口→有壓隧洞→埋藏式調(diào)壓井→壓力鋼管(地下暗管)。

4 結(jié) 語

尼泊爾郎塘水電站屬于小流量、高落差的引水式電站，筆者通過對郎塘電站所在區(qū)域的地形、地質(zhì)、施工環(huán)境等充分了解后，擬定了左右岸引水的初步方案，經(jīng)過綜合比較，確定為左岸引水方案，再通過工程量、工程區(qū)地形地質(zhì)條件、動能經(jīng)濟(jì)等方面比較，最終選定引水線路為有壓引水方案。

本工程所在區(qū)域山體陡峻，地形坡度為50°～70°，為條狀突出山脊，山高且陡，受2015年尼泊爾地震影響，該地區(qū)地表巖石破碎，局部呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合上述因素和特點，引水樞紐建筑物均選擇為埋藏式，大大提高了工程運(yùn)行的安全性和可靠性，同時也降低了明挖對邊坡的擾動。