金沙水電站樞紐布置設計研究

鄢雙紅 王志宏 夏傳星

摘要：金沙水電站樞紐布置受到攀枝花城區布局、壩址區自然條件及周邊環境因素影響。在各階段勘察、設計及科研工作的基礎上，經專題研究壩址、壩線及樞紐布置方案，選擇了下壩址下壩線，提出了“左廠右泄、三期導流”樞紐布置方案。2021年10月，金沙水電站4臺機組全部投產發電。目前，金沙水電站運行狀況良好，表明該方案安全可靠、技術可行且經濟合理。

關鍵詞：樞紐布置; 壩址選擇; 消能設計; 金沙水電站; 攀枝花市

中圖法分類號：TV61 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.001

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0001 - 04

0 引 言

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，是金沙江水電基地中游河段“一庫十級”規劃的第九級，上距觀音巖水電站28.90 km，下距銀江水電站21.30 km。電站正常蓄水位1 022.00 m，總庫容1.08億m3，裝機容量56萬kW（560 MW），多年平均發電量21.77億kW·h。金沙水電站的主要開發任務為發電，兼有供水、改善城市水域景觀和取水條件及對觀音巖水電站的反調節作用等綜合功能。

金沙水電站位于攀枝花城區，具有低水頭、大流量、高淹沒的特點。根據工程開發任務、運行特點及國內外低水頭徑流式電站的設計經驗[1-4]，通過壩址、壩線及樞紐布置的專題研究及相關科研論證[5-7]，解決了城區水電站選址、縱向圍堰位置選擇、高淹沒出流消能等問題，確定了合理的樞紐布置方案。

1 設計基本條件

（1） 水文、泥沙條件。金沙江攀枝花河段處于干熱河谷地帶，多年平均氣溫20.9 ℃。壩址多年平均流量1 870 m3/s，徑流量590億m3，徑流主要集中在6～11月。壩址天然多年平均輸沙量5 120萬t，含沙量0.868 kg/m3。

（2） 地形、地質條件。壩址區屬中山峽谷地貌，山高400～700 m，呈不對稱V型谷，兩岸坡形均呈上陡下緩狀，上部坡角30°～50°，下部坡角20°～25°。金沙江流向在503電廠由SE轉折為NE，壩址處河流流向NE22°，河道較順直。壩址區基巖為三疊系上統大蕎地組（T3dq）、丙南組（T3b）碎屑巖及華力西期正長巖（ξ4）。第四系堆積物主要有人工堆積物、崩坡積物、沖積物等。左岸與河床基巖為華力西期正長巖。右岸為丙南組與大蕎地組砂巖，呈單斜構造，巖層走向45°～85°、傾向SE、傾角30°～45°，走向與金沙江交角30°～55°，傾向上游偏右岸。壩址區構造形跡主要有撓曲、斷層、層間剪切帶、裂隙等。

壩址區右岸山坡分布有牛筋樹堆積體和花石崖撓曲，下游有冷軋廠堆積體;金沙江左岸分布有503堆積體、獅子石強卸荷危巖體。

（3） 工程等別和設計標準。金沙水電站工程等別為Ⅱ等，工程規模為大（2）型，擋水、泄洪和電站等主要建筑物為2級建筑物，次要建筑物為3級建筑物，水工建筑物結構安全級別為Ⅱ級。混凝土重力壩、河床式電站按100 a一遇洪水設計，洪峰流量14 200 m3/s;1 000 a一遇洪水校核，洪峰流量18 000 m3/s;消能防沖建筑物按50 a一遇洪水設計，洪峰流量11 700 m3/s（考慮上游觀音巖水電站調蓄）。工程場地的地震基本烈度為Ⅶ度，壩址50 a超越概率為10%的基巖水平峰值加速度值為120 cm/s2。

2 樞紐布置研究

2.1 布置原則

（1） 適應河谷地形地質、河段水文條件及城市周邊環境制約因素，減少對上下游廠礦企業等的影響，發揮各建筑物功能，協調相互關系。

（2） 在滿足下游城市河道泄洪安全及庫區淹沒等限定條件下，優先選擇泄洪規模大、超泄能力強的泄洪設施，滿足徑流式電站的運行安全。

（3） 樞紐布置應結合導流方式統一規劃，兼顧工程導流要求，考慮臨時建筑物和永久建筑物相接合，充分發揮綜合效益。

（4） 樞紐各建筑物布置應緊湊合理，方便施工，節省投資，便于運行管理。

2.2 樞紐布置面臨的問題

2.2.1 城區水電站選址

金沙水電站位于攀枝花城市西區，是國內為數不多在城市區域布置的水電站工程。樞紐布置涉及的影響因素與其他工程不同，除地形地質基本條件外，還受到城市規劃、壩址區廠礦企業分布、施工爆破震動限制等城市特有制約因素的影響，給金沙水電站壩址、壩線選擇工作帶來新的挑戰。

金沙水電站在壩址選擇時，對相距2.4 km的中、下兩個壩址進行比選，兩壩址地質條件相差不大、施工條件基本相當。其中，下壩址比中壩址多利用水頭約2 m，發電效益可增加近2億kW·h。鑒于下壩址具有明顯優勢，通常應將其作為大壩選址方案。然而，在金沙水電站下壩址左岸上游側存在一個電冶廠企業，下壩址樞紐布置將涉及該企業的搬遷復建。因此，建設周期長、補償費用多等成為制約下壩址方案的主要因素，一度給選址決策帶來較大影響。后來，經業主不斷與地方政府及相關企業進行協商溝通，在明確解決了拆遷補償費、搬遷周期等問題后，確定了下壩址的選址方案。之后在壩線選擇時，為了盡量遠離電冶廠，減少前期施工爆破對其振動影響，只能考慮壩線下移，但下游約400 m處又分布有大型冷軋廠堆積體，受這些周邊廠礦企業位置因素的影響，壩軸線只能在70 m長度范圍內選擇。

因此，對于城區水電站進行樞紐布置研究時，需兼顧城市總體規劃布局，充分考慮外部環境制約因素影響，及時與地方政府及相關企業溝通協商，及早消除影響壩址、壩線及樞紐布置的潛在干擾。

2.2.2 縱向圍堰位置的確定

金沙水電站采用三期導流施工，這是河床式電站常采用的導流方式。對于河床式電站，導流方案對工程樞紐布置影響很大，特別對于金沙水電站這樣采用分期施工導流的工程，縱向圍堰位置的選擇至關重要。無論導流明渠設置在左岸還是右岸，首先要選擇縱向圍堰的合適位置。從減少導流明渠及其邊坡開挖工程量方面考慮，縱向圍堰應盡量靠向河床，但同時要求保護縱向圍堰施工的一期圍堰束窄河床不能過多，否則會使原河床流速過大，對一期圍堰沖刷產生不利影響。縱向圍堰位置對導流施工影響較大，直接關系到導流工程的施工進度及投資。同時，縱向圍堰壩身段又屬于永久建筑物的一部分，位置的確定是整個樞紐布置的起點。因此，縱向圍堰位置選擇需要權衡利弊、慎重考慮。

金沙水電站壩址處兩岸岸坡呈“上陡下緩”狀，均有條件布置導流明渠。在綜合考慮導流明渠寬度、邊坡開挖高度、一期圍堰束窄河床度、一期圍堰的防護難度等因素后，經左右岸位置比選并結合樞紐布置格局的研究，最終確定了在右岸布置混凝土縱向圍堰的方案，為金沙水電站“左廠右泄”樞紐布置方案的形成奠定了基礎。因此，對于類似采用分期導流的河床式電站，不能僅考慮將導流工程作為臨時建筑物，其位置的合理確定對導流工程及樞紐布置格局都非常重要，需要重點論證。

2.2.3 高淹沒出流消能問題

金沙水電站為河床徑流式電站，具有“低水頭、大泄量、高淹沒”的特點。根據國內已建成的同類工程設計經驗，對于淹沒度較大的工程，由于消能不充分，容易導致下游河床受到沖刷。改善泄流條件、提高消能率是高淹沒出流工程的難題之一。

金沙水電站泄洪水頭較低，設計、校核工況上下游水頭不大于6 m，50 a一遇洪水的水頭差也僅7 m，且下游淹沒度均大于0.6，屬于大淹沒出流。水工模型試驗表明，若采用常規的平尾閘墩，水躍基本在表孔閘室內部，閘室內水流紊亂。同時，由于弗氏數低（Fr=2～3），下游淹沒度大，消能率不高，出消力池后流速較大，對下游冷軋廠堆積體的防沖保護會產生不利影響。為了解決上述問題，研究了在閘墩末端設置寬尾墩的方案，通過對收縮比為0.4，0.5和0.6的寬尾墩體型進行對比研究，最終采用收縮比為0.5的Y型寬尾墩方案。設置寬尾墩后，各工況下的水躍躍首基本被推出閘室，未發現水花觸及弧門支座的現象，且水流出消力池后與下游水流銜接平順。金沙水電站采用的“Y型寬尾墩+底流消能”方式，較好地解決了低弗氏數、高淹沒條件下的消能問題，確定了金沙水電站樞紐布置中泄洪消能方案。

2.3 樞紐布置方案

在解決了上述樞紐布置研究過程的主要問題后，經綜合比選，金沙水電站最終選擇了下壩址下壩線。采用了混凝土重力壩、河床式電站廠房、導流明渠分期導流方式，形成了“左廠右泄、三期導流”的樞紐布置方案。

金沙水電站主要由擋水、泄洪、生態泄流、電站廠房和魚道等建筑物組成。河床及左岸布置電站廠房，右岸側布置泄水建筑物;縱向圍堰壩段以左布置3個泄洪表孔，以右布置2個泄洪表孔和1個生態泄水孔;魚道布置在安裝場左側。金沙水電站樞紐布置見圖1。

2.4 主要建筑物設計

（1） 混凝土重力壩。混凝土重力壩壩頂高程1 027.00 m，最大壩高66.00 m。壩軸線長度392.50 m，共15個壩段，從左至右依次為左岸非溢流壩段、安裝場及機組壩段、河床溢流壩段、縱向圍堰壩段、右岸溢流壩段、生態泄水孔壩段、右岸非溢流壩段。

（2） 泄洪消能建筑物。泄洪建筑物采用5個孔口尺寸為14.50 m×23.00 m的泄洪表孔。其中，縱向圍堰左側3孔，右側2孔，表孔堰型采用WES實用堰型式[8]，堰頂高程999.00 m。下游采用底流消能型式，消力池底板高程988.00 m，消力池長90.00 m，河床內消力池末端設置高4.00 m的尾坎，明渠內消力池末端不設置尾坎。河床內消力池底寬54.50 m，明渠內消力池底寬45.50 m。

（3） 電站建筑物。電站廠房型式為河床式，安裝4臺單機容量為14萬kW（140 MW）的軸流轉槳式水輪發電機，廠房尺寸為231.80 m×96.50 m×84.20 m。電站建筑物包括機組壩段、安裝場壩段、引水渠、尾水渠、排沙孔及攔沙坎、進廠交通公路等。電站建筑物沿壩軸線總長231.80 m，機組段長163.80 m，安裝場長68.00 m，順水流向寬度96.50 m。機組壩段上游為引水渠，下游為尾水渠。中控室、主變壓器及GIS室均布置于主廠房下游側尾水管頂部的下游副廠房內。

電站裝機高程為997.50 m，壩式進水口底板高程為988.50 m，尾水管出口底板高程970.17 m，尾水平臺高程為1 021.00 m。尾水渠長88.80 m，底寬163.80 m，尾水渠上游接尾水管出口，下游以1∶4的反坡接原河床。進廠交通由安裝場下游側進廠，對外接左岸進廠公路，廠前設回車場，高程為1 021.00 m。

（4） 過魚建筑物。魚道布置在電站廠房以左的岸坡上，全長約為1 486.00 m，設有3個進魚口和2個出魚口。魚道主要建筑物包括：魚道主體結構（進魚口、過魚池、出魚口）、廠房集魚系統以及補水系統等。過魚池采用整體U型結構。單個過魚池凈寬3.00 m，長3.50 m，底坡1∶50，側墻寬1.00 m，底板厚2.00 m。隔板采用單側導豎式，隔板厚0.20 m，豎縫寬度0.40 m。

（5） 生態泄水建筑物。生態泄水建筑物采用1個生態泄水表孔，孔口寬度為6.00 m，堰頂高程1 007.00 m。采用底流消能型式，與明渠內泄洪表孔共用一個消力池，消力池底板高程988.00 m，消力池長90.00 m。

3 結 語

在金沙水電站樞紐布置方案研究中，綜合考慮了攀枝花市城市規劃布局、壩址地形地質條件、河勢流態以及周邊環境等因素。在各階段勘察、設計及科研工作的基礎上，經充分研究比較，最終選定的樞紐布置方案適應了壩址區基本條件，建筑物可滿足各項功能要求，工程技術風險小，運行安全有保障。2020年11月底，金沙水電站首臺機組投產發電。2021年10月，4臺機組全部投產發電，目前工程運行情況良好。

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（編輯：李 慧）

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