煙崗高水頭水電站設計關鍵技術

趙 瑋，黨 力，董旭榮

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 工程概況

煙崗電站是四川木里縣鴨嘴河干流規劃的第二級水電站，上游接鴨嘴河“龍頭”水庫—布西水庫（電站），下游接跑馬坪水電站。其設計發電流量23.6 m3/s，額定水頭601 m，最大動水頭720 m，電站裝機容量120 MW，多年平均年發電量4.96 億kW·h。

工程由首部樞紐（閘壩）、發電引水建筑物等組成。首部樞紐（閘壩）由泄洪閘、沖沙閘、生態用水管以及擋水壩段組成；發電引水建筑物由進水口、發電引水洞、壓力管道、電站廠區建筑物等組成。

2 工程設計關鍵技術

2.1 首部樞紐

煙崗水電站發電額定水頭為601 m，為高水頭電站，壩址多年平均輸沙量12.7 萬t，含沙量312 g/m3。在設計過程中，充分考慮了引水排沙設計方案，確保過機含沙量在允許范圍內、解決水輪機防泥沙磨損、確保機組運行的安全性。

根據河流泥沙特點及電站水頭高的特點，研究分析確定了大排大泄的全閘方案，樞紐在主河道中部布置了3 孔泄洪閘，1 孔沖沙閘和一個排漂孔，兩側以擋水建筑物與兩岸相連接，取水建筑物布置在左岸。

2.1.1 方案比選

根據水電站沉沙池的設置條件及泥沙沉降設計標準中規定，額定水頭為600 m～300 m，設計最小沉降粒徑為0.1 mm。多年平均過機含沙量應小于0.08 kg/m3～0.12 kg/m3，過機多年平均d＞0.1 mm粗粒徑泥沙含沙量應小于0.012 kg/m3～0.02 kg/m3。依據水文泥沙資料和國內類似工程經驗，首部樞紐設計進行了“以庫代池”方案和沉沙池方案的綜合比較。

（1）“以庫代池“方案

“以庫代池”是指利用水庫沉沙，采用敞泄排沙的泥沙調度方式，以降低引水含沙量，確保過機含沙量在規范允許范圍內。其機理為建閘壅水后，閘前流速降低，泥沙淤落，在洪水期，降低水位大排大泄進行溯源沖刷，把中小水期抬高水位運行時淤積在庫內的泥沙排往下游，同時沖刷出庫容供重新淤積之用，如此交替運用，達到長期保持調節庫容的目的。

首部樞紐“以庫代池”方案在主河道中部布置了3 孔泄洪閘、1 孔沖沙閘，閘體與左、右兩岸以擋水壩段連接。電站進水口布置在河床左岸，進水口軸線與沖沙閘軸線夾角70°，進水口底板高程為3126.00 m。水庫正常蓄水位為3136.50 m，死水位為3133.00 m，汛期運行水位為3135.00 m。

（2）沉沙池方案

沉沙池方案也是在主河道中部布置了3 孔泄洪閘、1 孔沖沙閘，閘體與左、右兩岸以擋水壩段連接。與“以庫代池”方案不同之處在于河床左岸布置的進水口后接地下沉沙池，進水口底板高程為3124.00 m，進水口分兩孔，每孔各設兩道攔污柵，孔口尺寸均為3.0 m×8.5 m（寬×高），進水閘閘孔尺寸均為3.0 m×4.0 m（寬×高）。進水閘后接地下沉沙池，池凈寬20 m，分兩廂，深22.5 m～26.0 m。池身長120 m，池廂末端設2.5 m×3.0 m 排沙閘孔，排沙廊道斷面尺寸為2.5 m×3.75 m，圓拱直墻型。沉沙池方案正常蓄水位為3134.00 m，死水位為3132.00 m。

（3）方案比選

兩方案綜合比選見表1[1]。

綜合以上比較，設計沉沙效果好、電站動能指標優、工程投資較省的沉沙池方案。為進一步優化和細化“以庫代池”方案，進行泥沙數模計算分析，又委托科研單位進行了首部樞紐河工模型試驗，驗證其合理性。

表1 “以庫代池”和沉沙池方案經濟技術綜合比選表

2.1.2 “以庫代池”方案驗證

以中水年水庫沖淤模型試驗過程來看，水庫淤積量最大的時段為每年的6 月30 日～8 月27 日，該時段水庫處于持續淤積狀態，泥沙淤積三角洲不斷向前推進，其前坡已達壩址，是最不利情況，取水口前的泥沙淤積高程達到3125 m，庫區淤積量達到最大。時段末，3134.0 m 以下有效庫容在持續淤積下減小至21.8 萬m3。

根據庫區淤積地形實測資料可估算出庫區各斷面平均流速分布見表2。

表2 庫區平均流速

由表2 可知，隨著淤積的持續進行，由于各斷面過水面積不斷減小，流量即使變化不大，流速仍逐漸增大。時段末，泥沙淤積三角洲前坡已達壩址，取水口水流含沙量明顯增大，入庫流量51.2 m3/s、含沙量為3.0 kg/m3時，取水口含沙量為0.12 kg/m3。

電站取水口含沙量沿垂線分布采用勞斯公式計算，公式如下：

電站取水口底板高程為3127 m，水位為3135 m，壩前河底高程為3121 m，取水口底板離河底高度為6 m。依據上述公式及數據，針對中水年庫區淤積量達到最大時（此時入庫流量為51.2 m3/s、含沙量為3.0 kg/m3）的情況，分析計算過機含沙量的大小。經分析計算，可繪出取水口前懸沙濃度垂向分布，見圖1。

圖1 中水年取水口前懸沙濃度垂向分布圖

中水年庫區淤積最不利情況下，入庫流量為51.2 m3/s、入庫含沙量為3.0 kg/m3時，實測取水口含沙量為0.12 kg/m3，根據實測取水口泥沙級配（見表3）可計算出取水口處大于0.1 mm粒徑級泥沙含沙量為0.017 kg/m3。說明即使在最不利（庫區淤積較多，而且入庫流量和含沙量較大）的情況下，過機含沙量也基本滿足規范規定的多年平均過機含沙量要求。

表3 取水口泥沙級配（Q=51.2 m3/s）

由以上分析結果可見，煙崗水電站過機含沙量滿足規范規定的過機多年平均含沙量小于0.08 kg/m3～0.12 kg/m3，過機多年平均d＞0.1 mm粗粒徑泥沙含沙量為小于0.01 kg/m3～0.02 kg/m3要求[1]。

泥沙沖淤計算采用逐時段模擬水庫泥沙沖淤過程的全沙沖淤數學模型。在水庫運行6 a 后，入庫懸移質泥沙的出庫率可達90%以上，庫區泥沙沖淤基本達到平衡。為使河道推移質泥沙進入電站引水口，并使閘前維持一定水深，以便沉降懸移質粗沙，每年汛期需不定期敞泄沖沙2 次，每次沖沙歷時8 h；另外，每年電站需避來水沙峰運行約2 d，即全年停機敞泄沖沙時間總共約64 h（含避沙峰運行的時間），可保證取水口前沿的泥沙淤積高程低于取水口擋沙坎高程。

2.1.3 泥沙物理模型試驗

首部樞紐物理泥沙模型為正態模型，選用天然沙為模型沙，按全沙動床模型相似率設計并試驗。在死水位時，電站投運前水庫的有效可調節庫容為69.5 萬m3。電站多年運行后，有效庫容雖有損失，但可以長期保持有效庫容28 萬m3左右，滿足設計所需的日調節庫容16 萬m3的要求。模型試驗懸移質含沙量及其級配試驗成果和代表年年平均過機懸移質級配見表4和表5。

表4 模型試驗懸移質含沙量及其級配試驗成果

表5 代表年年平均過機懸移質級配

試驗及計算分析結果表明，“以庫代池”方案年平均過機含沙量為72 g/m3，粒徑大于0.1 mm 泥沙沉降率91.5%，滿足規范要求[1]。

結合泥沙數學模型計算分析和河工模型試驗的驗證，“以庫代池”設計方案成功解決了高水頭電站引水防沙的難題。

2.2 壓力管道

煙崗水電站鋼管布置水頭落差為600 m 量級，根據地形、地質條件，經設計研究對比分析，壓力管道采用地下埋藏式布置方案，工程區埋深約80 m～220 m，外水水頭約60 m～90 m，圍巖以整體穩定性較好的Ⅲ類石英巖、變石英巖和Ⅱ石英巖為主。

2.2.1 設計原則

設計考慮到壓力管道全段圍巖條件較好，故在分析設計計算時全管段均按砼、圍巖聯合受力設計，由于該地區地下水位線較高，按照自然水位線進行計算，水頭折減系數設計取0.45。按照相關規范規定的荷載組合以及各運行工況進行分析計算。設計假定及原則如下：

（1）壓力管道內水壓力由圍巖、鋼襯共同承擔，回填混凝土只起壓力傳遞作用；

（2）各種材料均為各向同性材料，且都在彈性變形范圍內工作，洞室開挖后變形已完成、應力已釋放；

（3）壓力管道內水壓力全部外壓由鋼管結構自身承擔；

（4）壓力管道岔管段和支管段結構按“明管”理論進行設計。

2.2.2 管道材質選擇

鋼管材質首選16 MnR，當計算壁厚超過34 mm、實際壁厚超過36 mm 時，考慮到焊接需要預熱、卷板和焊接后要進行消除殘余應力熱處理，故鋼管材質選用高強鋼，以減小剛才壁厚，同時有利于鋼管的運輸及洞內安裝。

選材立足于國內采購、鋼板性能穩定、焊接性能良好的原則，對國內幾個大型的鋼材廠首鋼、鞍鋼、武鋼等進行調研。最終認為目前國內600 MPa 級的鋼材質量較穩定可靠，比較該級別的鋼材后選用高強鋼WDB620，其抗拉強度σb為620 MPa、屈服強度σs為490 MPa，該鋼材具有P 和S 等有害化學成分含量低、焊接裂紋敏感性低、低溫韌性優良、抗時效性能良好、易加工制造的特點，可以滿足本工程鋼管、岔管制造和運用的要求。按照壓力管道布置，結合結構計算對管道材質分段采用：水頭較低段采用常規鋼材16 MnR、水頭較高的斜坡段、下平段段和岔管材質選用WDB620 高強鋼材。

2.2.3 壓力管道優化

煙崗水電站工程壓力管道按照鋼管與圍巖聯合承載設計，從上平段采用管壁最小結構厚度8 mm，隨著內水壓力的增大，管壁厚度也逐漸增大，管道最下端厚度達38 mm，鋼材采用16 MnR，下段段管道、岔管、支管段鋼管壁厚達50 mm，采用WDB620 高強鋼材?？紤]鋼管與圍巖聯合承載，要求在鋼管安裝完畢后，進行回填灌漿、接縫灌漿以及固結灌漿。由于固結灌漿工作量大，工期較長，而且需要在鋼管上開孔，影響鋼管質量。

壓力管道為本工程的關鍵線路，為加快施工進度考慮取消固結灌漿，鋼管按單獨承擔全部內水壓力進行設計，雖鋼管壁厚和鋼材用量均有所增加，但可取消固結灌漿，大大簡化了施工難度，并可節約工期。

2.3 水輪發電機組

煙崗電站發電額定水頭601 m，最大動水頭720 m，設計根據電站水頭，對可采用的混流式和沖擊式兩種水輪機型進行綜合比選論證。

從國內外的高水頭水電站水輪機實際應用情況來看，600 m以上水頭采用混流式和沖擊式兩種機型均有使用。設計經過綜合研究分析，最終選擇了沖擊式機組，單機容量為60 MW，噴嘴數量為6 個，水斗21 個。國內外大型制造廠生產制造600 m水頭量級、單機容量60 MW沖擊式在技術上都是可行的。

另外，考慮到本電站壓力管道長1323 m，若采用混流式機組，壓力管道壓力升高和機組轉速的升高均較大，設計制造難度加大；沖擊式機組關機時，先采用偏流器先將水流遮擋，然后噴針緩慢關閉，壓力管道壓力升高值可控制在15%以內，機組轉速增加值可控制在20%以內[2]。

煙崗電站為低壩引水式電站，水庫水位變幅小，更適用于沖擊式水輪機，在電站正常運行中，沖擊式水輪機使電站具有更靈活的適應電網負荷變化的能力，運行管理方便。因此，設計從水輪機組運行工況范圍、水能利用情況、機組發電效率、設計制造技術難度及設備維護方便性等方面綜合考慮，采用沖擊式水輪發電機組。

3 結語

2012 年10 月電站機組正式并網投入運行，截至目前工程運行良好，電站并網發電近8 a，累計發電達38 億kW·h，緩解了四川省電網供需矛盾，電站調峰最高電價達到0.5 元/（kW·h），在給投資方帶來豐厚經濟利益的情況下，又增加少數民族地方財政收入，對地方經濟發展、改善當地民生有重要的意義。