小南海水電站廠房設計關鍵問題研究

摘要：小南海水電站為低水頭徑流式電站，共布置14臺單機容量為145 MW的軸流轉槳式機組，總裝機容量為2 030 MW。首先對小南海水電站廠房總體布置原則及進廠交通、運維管理等進行了總體闡述，隨后通過三維有限元及水工模型試驗等分析方法，研究了引水渠側向引水方式的水流流速、流態及泥沙淤積等問題。此外針對低水頭、大流量條件下電站廠房的排沙設計布置進行了介紹，分析了廠房的深層抗滑穩定性。研究涉及的關鍵技術難點的分析與處理方法，可為其他同類工程提供借鑒。

關 鍵 詞：水電站廠房布置；排沙設計；整體穩定分析；流道設計；小南海水電站

中圖法分類號：TV222 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.029

0 引言

小南海水電站位于長江宜賓至重慶河段重慶市境內，是《長江流域綜合利用規劃簡要報告》推薦梯級開發方案的重要樞紐，是三峽水利樞紐的上游銜接梯級。工程主要開發任務是發電、航運，并促進地方經濟社會發展。工程建設后還具有改善重慶河段淤積形態、供水灌溉等綜合效益。

按照設計方案，小南海水電站為低水頭徑流式電站，工程等別為Ⅰ等，工程規模為大（1）型，主要建筑物包括溢流壩、電站廠房、雙線單級船閘、擋水建筑物及仿自然過魚通道。永久性主要建筑物溢流壩、擋水壩、電站廠房、船閘閘首、閘室等為1級建筑物，永久性次要建筑物仿自然過魚通道、導墻等為3級建筑物。總體推薦樞紐布置格局為：左河槽左岸布置雙線一級船閘，左右河槽分別布置21孔、16孔河床溢流壩，河床電站廠房布置14臺單機容量145 MW軸流轉槳式機組（總裝機容量2 030 MW），布置在大中壩左右兩側。大壩為混凝土重力壩，壩頂高程204 m，最大壩高68 m，壩頂總長度約2 132 m。小南海水電站地理位置見圖1。

本文將詳細介紹小南海水電站廠房的整體設計思路及關鍵技術難點，以期為其他電站廠房提供參考^［1-5］。

1 廠房設計總體介紹

1.1 地形地貌及地質條件

壩址兩岸地貌為構造剝蝕低山丘陵。左岸臨江山體坡頂高程220～240 m，坡度15°～25°，跳蹬溪逆流方向繞過左壩肩向壩后延伸較遠，溝內常年有水，多年平均流量為0.89 m³/s，洪水季節流量較大。右岸臨江山體坡頂高程230～380 m，坡度15°～35°。

壩址區位于觀音峽背斜與南溫泉背斜間的金鰲寺向斜內，金鰲寺向斜軸呈近SN方向斜穿壩軸線，左岸巖層走向353°，壩肩一帶地層傾角49°～65°，巖層傾向下游偏右岸；向斜核部傾角平緩，右岸巖層走向341°，壩肩一帶地層傾角4°～10°，微傾上游偏左岸，兩岸皆屬視順向層狀岸坡。巖層走向與河流交角變化較大，總體為斜交橫向谷，大中壩上游巖層走向與河流交角為65°～75°，在大壩軸線一帶，巖層走向與主河床交角約30°，與汊河交角約45°。

壩區地形平緩，崩塌、滑坡體、危巖體不發育，兩岸岸坡巖體卸荷作用問題不突出，壩區工程邊坡一般不是很高，巖層平緩，邊坡整體穩定條件較好。考慮到邊坡巖體中存在剪切帶和巖層層面，紅層地區侏羅系遂寧組與沙溪廟組巖體宜風化、遇水易崩解等特點，為防止邊坡巖體風化、崩解剝落及減少雨水入滲，需對邊坡采取臺坎式開挖及混凝土襯護等工程保護措施。

1.2 主要地質問題

1.2.1 抗滑穩定問題

根據壩基下剪切帶發育及巖體結構面組合情況，壩基抗滑破壞模式主要為深層滑動，包括單面滑移和雙面滑移兩種模式。單面滑動主要位于左、右岸溢流壩段，防淘墻底高程在136～151 m之間，開挖深度一般為5.5～12.5 m，最深約18.5 m。當壩體與防淘墻之間的建基面下存在順江延伸較長的剪切帶時，溢流壩壩段在庫水推力作用下，沿剪切帶發生單面滑移模式，從防淘墻臨空處剪出。雙面滑動根據壩后抗力體緩傾角結構面發育情況，可概化為兩種平面滑移模式：剪切帶+巖橋+中、緩傾角結構面，以及剪切帶+巖體破壞面組合滑移型。應根據不同壩段剪切帶的發育情況，進行抗滑穩定分析計算，相應采取不同的抗滑穩定處理措施。

1.2.2 軟巖快速風化

紅層地區巖石（包括黏土巖、粉砂質黏土巖和黏土質粉砂巖等）具有失水干裂，再遇水崩解進而成泥的風化特征。壩區紅色碎屑巖抗風化能力差，微新粉砂質黏土巖及黏土質粉砂巖的耐崩解性指數為57.8%～83.1%，耐崩解性中等。

在不同季節室內、室外試驗表明軟巖在2～12 h裂紋增多，24 h后減緩并趨于穩定，表明軟巖開挖后及時防護是非常重要的。小南海水電站壩址區軟巖存在快速風化特性，建議對紅層軟巖開挖形成的建基面采取防止巖體失水、高溫暴曬等措施，以免巖體快速風化。

1.2.3 中—強透水帶問題

河床覆蓋層下部為砂卵礫石層，屬中—強透水，局部極強透水，最大滲透系數1.78 cm/s。通過大中壩上鉆孔的地下水位長期觀測資料可知，江心洲地下水位與左、右汊河江水位存在明顯的水力聯系。

壩區附近共揭示中—強透水帶14處，從中—強透水的發育高程看，主要存在于淺表部基巖面下15 m范圍內，局部達30～40 m。

1.3 廠房總體設計

在樞紐總體布置格局基本確定的條件下，電站建筑物的總體布置主要考慮了以下影響因素：下游尾水出流、電氣主接線、過魚建筑物布置、進廠交通、運行管理等。左右電廠分別通過左右河汊取水及出流，過魚建筑物需利用下游兩側尾水邊坡布置，因此，選擇將安裝場布置在廠房中段、機組段，分左右兩側布置。研究表明，將安裝場布置在中段，左右電廠共用一個安Ⅰ段作為卸貨場；可共用一套電廠運行輔助系統；廠房橋機、上下游門機均可通廠運行，可減少橋機、門機數量；安裝場距大中壩島近，便于布置進廠交通；運行管理可集中布置，有利于電廠安全運行。經綜合考慮，電站廠房總體設計如下：

（1）電站廠房位于江心大中壩島中段，沿壩軸線布置在左、右岸泄洪建筑物之間，采用帶排沙底孔的河床式廠房，共安裝有14臺單機容量為145 MW的軸流轉槳式機組，總裝機容量為2 030 MW。

（2）電站建筑物由引水渠、主廠房、安裝場、尾水渠等組成，安裝場布置在廠房中段（其中安裝場下部有魚道通過），安裝場左側布置8臺機組、右側布置6臺機組。從左至右分別為左廠1～8號機組段、左廠安Ⅲ段、左廠安Ⅱ段、安Ⅰ段、右廠安Ⅱ段、右廠安Ⅲ段，右廠9～14號機組段。

引水渠、主廠房、尾水渠均由開挖大中壩島形成，由于魚道的分隔，左、右電廠引水渠分別從大中壩島兩側河道取水，為側向進流。尾水渠分別從下游大中壩島兩側河道出流，為斜向出流。為使水流平順，引水渠體型采用弧形岸坡線由安裝場處平順連接至兩側的上游岸坡；尾水渠體型采用斜向（與廠房軸線夾角60°）岸坡線由安裝場處平順連接至兩側的下游岸坡。其中，左、右電廠尾水渠以及左廠引水渠岸坡還布置有魚道設施。

2 電站廠房設計關鍵問題

2.1 左右電廠裝機臺數分布

為方便機組“兩機一變”的主接線要求，以及電站的出線要求，左右電廠機組臺數宜設置為偶數；左、右汊河道水流的分流比約2∶1。水工模型試驗表明，運行過程中左、右電廠宜均勻開啟，當機組運行臺數基本相當時，下游尾水出流的相互頂托影響較小，有利于增加發電水頭。因此，左右電廠的裝機臺數為左廠8臺、右廠6臺。

2.2 引水渠布置設計

引水渠設計應該力求水流平順，減少水頭損失，避免泥沙淤積，并減少工程量。采用三維有限元軟件及水工模型試驗，對引水渠水流流速、流態及泥沙淤積形態進行分析，結果如圖2所示。

根據樞紐總體布置并綜合考慮水工模型試驗結果，電站建筑物布置在左、右岸泄洪建筑物之間，所處位置為江心大中壩島中段，引水渠由開挖大中壩島形成。根據廠房總體布置及上下游河道布置，左、右電廠引水渠均采用側向引水的布置型式。引水渠廠前平均流速為0.6～0.8 m/s，表面最大流速約1.0 m/s左右。引水渠內流速分布較均勻，可基本滿足設計要求。廠房采用側向引水的方式，電廠引水渠內會形成一定范圍的回流區。但回流區流速較小，機組滿發時回流流速僅0.6 m/s左右，對水頭損失影響較小，對電站發電的影響有限。引水渠設置攔沙坎后可有效減緩粗沙過機對機組的不利影響。

2.3 尾水渠布置設計

尾水渠設計除滿足電站發電運行的水力要求外，還應兼顧下游通航及過魚的水流條件及要求。采用水工模型試驗，對尾水渠水流流速、流態及沖淤情況進行分析。運行期，左、右電廠尾水區流態基本相似。在尾水渠反坡段內水流紊動較強烈，流態不穩定，基本為亂流泡漩，水流出尾水渠反坡段后進入平直段，水流向外側擴散，流態相對穩定；尾水區末端凸出的岸線有一定的阻水作用，但未形成明顯的壅水，左、右電廠尾水出流基本順暢。運行工況下，左、右電廠尾水渠內水流紊動強烈，無泥沙淤積，尾水渠下游段流速較大，河床產生一定的沖刷。樞紐運行20 a末，左廠壩軸線下游450 m范圍內河床平均沖深3.2 m，最大沖坑深6.3 m；右廠壩軸線下游450 m范圍內河床平均沖深3.5 m，最大沖坑深6.5 m，如圖3所示。

根據樞紐總體布置并綜合考慮水工模型試驗結果，左、右電廠尾水渠沿大中壩左、右兩側下游河道斜向出流。平面布置上，左區電廠尾水渠岸坡線與壩軸線成60°交角。為減小尾水出流對船閘下游引航道橫向流速的不利影響，在尾水渠最小過水斷面后，將尾水渠岸坡線由與壩軸線成60°交角漸變至成45°交角，再用半徑為150.0 m的圓弧段過渡至下游岸坡，以避免左區電廠尾水出流頂沖船閘下游引航道區域。

2.4 廠房布置設計

水輪機安裝高程為173.60 m，由額定水頭工況的水輪機吸出高度確定。根據尾水管高度和尾水管底板厚度，確定尾水管底板高程139.90 m，建基面高程132.90 m。依據機組尺寸和蝸殼結構要求，考慮機電設備布置，確定水輪機層高程為184.60 m，發電機層高程為190.50 m。依據轉輪主軸支持蓋組合件的起吊要求，確定橋機軌頂高程212.50 m。考慮廠房通風采光及屋頂排水等因素，主廠房屋頂高程定為223.90 m。自建基面到主廠房頂部，廠房最大高度為91.00 m。

機組段長度主要受蝸殼和尾水管平面尺寸控制，蝸殼進口斷面寬32.3 m，尾水管最大跨度32.7 m。考慮蝸殼和尾水管的強度與限裂要求，確定蝸殼側墻厚5.0 m，尾水管側墻厚4.8 m。因此，機組段長42.3 m，邊機組段為滿足橋機吊鉤起吊范圍，長度為44.8 m。水輪機層左側布置有調速器及其油壓裝置，上游側布置有蝸殼放空閥室及排沙底孔放空閥室。發電機層布置機旁盤，還設有吊物孔。

尾水平臺布置副廠房，副廠房共有6層，自下而上。第一層在每個機組段設有向下樓梯，與蝸殼進人孔和交通廊道相接；第二層布置技術供水設備；第三層布置勵磁變壓器、10 kV開關柜、機組自用電、直流電源及輔助盤室等；第四層主要布置封閉母線及發電機電壓設備、擴大單元輔助盤室等；第五層布置主變壓器設備；第六層主要布置電纜管線。

2.5 廠房排沙設計

小南海水電站為河床式廠房，發電水頭低、機組引用流量大、臺數多。壩址處河流多年平均輸沙量為2.63億t，含沙量為0.987 kg/m³，礫卵石推移質輸沙量為35.7萬t。電站排沙應按照“先導后排、導排結合”的原則，運用多次分水分沙，分走粗顆粒泥沙，使過機泥沙盡可能少和細。廠房導沙與攔沙設施主要為引水渠前的攔沙坎結構；廠房排沙設施主要為排沙底孔，設置目的是減小廠房進水口部位泥沙淤積，實現門前清，確保廠房正常引水。

2.6 廠房穩定分析

廠房穩定分析主要包括：沿建基面抗滑穩定、沿剪切帶的深層抗滑穩定和抗浮穩定。計算時考慮結構自重、永久設備自重、水重、靜水壓力、揚壓力、浪壓力、泥沙壓力及地震荷載等。廠房深層抗滑穩定由巖體層間軟弱剪切帶控制，圖4為計算簡圖。

廠房各壩段地基應力計算成果表明：建基面最小壓應力為0.12 MPa，大于0；最大壓應力為1.02 MPa，小于地基允許承載力。廠房建基面地基應力滿足規范要求；廠房建基面抗滑穩定、沿滑動門的深層穩定及抗浮穩定均滿足規范要求。

3 結論

本文詳細介紹了小南海水電站廠房的整體設計思路，以及廠房設計中排沙設計、廠房穩定計算、流道設計、廠內布置等關鍵技術難點，主要結論如下：

（1）小南海水電站廠房遇到的地質問題主要為廠房抗滑穩定、軟巖快速風化及中—強透水帶。

（2）結合機組“兩機一變”的主接線要求、電站的出線要求，以及水工模型試驗中左、右汊河道水流的分流比，左右電廠的裝機臺數確定為左廠8臺、右廠6臺。

（3）引水渠設計應該力求水流平順，減少水頭損失，避免泥沙淤積，并減少工程量。尾水渠設計除滿足電站發電運行的水力要求外，還應兼顧下游通航及過魚等相鄰建筑物正常運行的水流條件及要求。

（4）小南海水電站為河床式廠房，發電水頭低、機組引用流量大、臺數多。為使廠房具備充足的排沙功能，遵循“先導后排、導排結合”的原則，運用多次分水分沙，分走粗顆粒泥沙，使過機泥沙盡可能少和細。具體排沙結構主要為引水渠前的攔沙坎結構、廠房下部的排沙底孔，從而減小廠房進水口部位泥沙淤積，實現門前清。

（5）結合廠房地質條件，對廠房沿建基面抗滑穩定及由巖體層間軟弱剪切帶控制的深層穩定均進行了驗算，計算結果滿足要求。廠房各壩段地基應力滿足承載要求。

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（編輯：郭甜甜）