大孤山水电站枢纽建筑物布置及优化设计

刘立昱

(甘肃省水利水电勘测设计研究院 兰州 730000)

1 工程概况

大孤山水电站位于黑河上游大峡谷中,甘肃省肃南裕固族自治县境内,厂房距张掖市112km,为黑河流域规划中的第5座梯级水电站,主要任务为发电,采用引水式开发。

电站坝闸址处多年平均流量43.4m3/s,设计引水流量105m3/s,设计水头74.5m,装机3台,为适应黑河峰贫流量变化大的特点,布置2台大机1台小机,总装机容量65MW,多年平均发电量2.12亿kW·h。由首部枢纽、引水系统、发电厂房及升压站等组成,属三等中型工程。电站总工期36个月,于2009年6月全部完工,7月首台机组发电,8月3台机组全部投产发电并网运行。

2 枢纽布置选择

2.1 闸坝址选择

大孤山水电站开发河段上接二子龙沟口的二龙山水电站厂房尾水 (正常尾水位2145.50m),下至四大龙沟口下游的小孤山水电站枢纽 (正常蓄水位2060.00m),开发河道长约 12km,平均纵坡7.04‰,可利用水头85.5m。

开发河段内河流多呈 “S”型展布,谷宽变化较大,水流湍急,库区两岸岸坡高陡,大部分基岩裸露,右岸漫滩和河心滩发育,两岸断续分布有残留的Ⅱ～Ⅳ级阶地。根据现场条件,在满足建坝要求的基础上拟定了上、下两个坝址,进行坝址、坝型比较。以充分利用水头为基础,上坝址 (二子龙坝址)采用低闸坝引水开发,下坝址 (三子龙坝址)采用混合式开发。两方案特征水位相同,即正常蓄水位2144.00m,正常尾水位2061.00m。上坝址枢纽由挡水坝、泄洪冲沙闸及进水闸组成,最大闸高21m,右岸进水闸后接长7536m的引水发电隧洞至厂房。下坝址枢纽由混凝土面板堆石坝、排砂洞、溢洪道、导流洞及进水闸组成,左岸山梁布置泄洪建筑物,右岸山体布置排砂及引水发电系统,最大坝高69m,引水发电隧洞长3111m。

通过对两坝址地形地质条件、工程布置、施工交通条件、建设费用等方面进行综合比较,上坝址无论在建设条件、技术难度、水库淹没、环境影响等方面均明显优于下坝址,虽然年发电量比下坝址少613万kW·h,但节约投资约12000万元,故最终选定上坝址方案。

2.2 枢纽建筑物布置

根据选定的二子龙坝址,可研阶段初步拟定枢纽采用闸坝方案,正向挡水、排沙、泄洪,侧向引水。闸坝基本垂直河道布置,从左到右依次为左岸混凝土挡水坝、混凝土溢流坝、泄洪冲沙闸,进水闸置于河道右岸,与泄洪冲沙闸轴线夹角41.5°。

2.2.1 混凝土挡水坝段

混凝土挡水坝段长14.0m,坝顶高程2148.00m,最大坝高22.0m,坝顶宽8.0m,坝底宽17.0m。

2.2.2 混凝土溢流坝段

溢流坝段长30m,堰面型式采用WES实用堰,堰顶高程2144.00m,顺水流向长度 17.0m,后接长16.5m的消力池,池深1.0m。

2.2.3 泄洪冲沙闸

泄洪冲沙闸共3孔,采用带胸墙的水闸,孔口尺寸10m×9m(宽×高),闸室段垂直水流向总长43.5m,顺水流长40.0m,从左至右分为单孔及双孔两个结构分缝段。闸底板高程2129.00m,闸顶高程2148.00m,闸室总高度22.0m。闸后消力池长45.0m,底板高程2126.50m,采用向下游扩散式布置,扩散角度为5°。消力池末端消力坎高2.5m,坎后布置深9.0m防冲沉井。

2.2.4 电站进水闸

进水闸位于枢纽上游山坡岩体上,距坝轴线50m左右,顺水流方向闸室段长36.7m,为防止泥沙进入引水系统,闸底板高程为2131.00m,高出泄洪排沙闸底板2.0m,闸顶高程2148.00m。进水闸设拦污栅、事故检修门,闸后接长引水发电隧洞。

3 枢纽建筑物优化设计

3.1 挡水建筑物

初步拟定的挡水建筑物由混凝土挡水坝段和混凝土溢流坝段组成,布置在左岸。溢流坝无闸门控制,堰顶高程为正常蓄水位2144.00m,较二龙山水电站正常尾水位2145.50m低1.50m。为了合理搭接上一级电站尾水,充分利用水头发电,经充分论证后,将大孤山水电站正常蓄水位抬高至2145.50m,在枢纽其他特征水位不改变的情况下,原坝顶高程2148.00m满足调整后正常蓄水位的超高要求,无需加高。

正常蓄水位抬高后,继续利用无闸溢流坝调节发电弃水来控制枢纽水位必然对二龙山水电站正常尾水位有较大的抬升,影响其发电出力。同时黑河峡谷夏、秋季漂浮物较多,冬季寒冷、流冰期长(11月中旬开始流冰,1月初到2月底封冻,春季流冰一般到3月底结束)。为了更好的控制枢纽水位,避免运行时因发电弃水频繁开启泄洪冲沙闸,同时满足排漂和排冰的要求,将挡水坝段和溢流坝段合并为一个挡水坝段,在靠近泄洪冲沙闸侧设置一孔排漂排冰闸,闸后接排漂排冰渠引至泄洪冲沙闸消力池。

调整后混凝土挡水坝段长22.0m,坝顶高程2148.00m,坝顶宽5.0m,坝底宽18.0m。排漂排冰闸宽4.0m,堰面型式采用WES实用堰,堰顶高程为2143.50m,下游侧坡度1∶0.6,反弧段后接纵坡1∶50的排漂排冰渠。经模型试验验证,排漂和排冰效果良好。

图1 混凝土挡水坝段排漂排冰闸横断面图

3.2 泄水建筑物

初步拟定的泄水建筑物为3孔泄洪冲沙闸。考虑到黑河属多泥沙河流,电站进水口受工程总体布置、枢纽地形条件限制,只能布置于河道右岸的凸岸引水,为保证电站进水口尽可能避开凸岸淤积区而在主河道取水,同时缩短挡水坝段减少工程投资,经比较后将泄洪冲沙闸整体向河道左侧平移近20m。

原方案泄洪冲沙闸的结构分缝段是结合施工分期导流方案设置的,由于泄洪冲沙闸整体左移后,原一期导流先围护右河床施工、由左岸束窄河床过流的方案,因断面过窄而无法满足施工期全年渡汛和泄洪的要求,必须对分缝位置进行调整,即从左至右分为双孔及单孔两个分缝段。根据枢纽地形条件,施工导流与调整后的泄洪冲沙闸永久布置相结合,仍采用河床分期导流方式,整个工程分期两段施工。一期枯、汛围堰先后围护右河床,由左岸束窄河床过流,进行右岸1孔泄洪冲沙闸及进水闸的施工;二期利用已完建的1孔泄洪冲沙闸过水,在平、枯水围堰的围护下修建剩余2孔泄洪冲沙闸及左岸的混凝土挡水坝段,并将闸室混凝土浇筑至胸墙以上高程,汛期由3孔闸联合泄流,汛后在围堰围护下进行金属结构的安装。

黑河属多泥沙河流,根据实测资料分析,电站多年平均含沙量为1.49kg/m3,多年平均悬移质和推移质輸沙量分别为204×104t、31.0×104t。黑河输沙量年内分配很不均匀,主要集中在汛期6～9月间,占年输沙量的95.0%以上,因此电站在汛期运行时必须及时拉沙。靠近右岸进水闸的单孔泄洪冲沙闸在汛期会频繁开启拉沙排沙,因此适当降低其底板高度非常有利于保证电站进水口 “门前清”。原方案 3孔泄洪冲沙闸底板高程均为2129.00m,经优化后将右岸的1#闸底板高程降至2128.00m,其余2孔高程不变,随结构分缝相应调整的闸前导墙 (兼做纵向围堰)也起到了很好的束水束沙作用。经模型试验验证排沙效果良好。

图2 泄洪冲沙闸闸坝横断面图

3.3 引水建筑物

枢纽引水建筑物为电站进水闸。由于采用了凸岸引水的布置方案,进水口的排沙非常重要,除采用1#泄洪冲沙闸、闸前导墙、进水闸前导沙坎组成的常规主排沙系统外,结合泄洪冲沙闸优化,充分利用1#泄洪冲沙闸与进水闸底板形成的3.0m高差,又对进水闸的布置进行了优化。在拦污栅进口底板下面增设排沙底孔、控制球阀和通向下游的排沙管组成副排沙系统,同时该系统也是枢纽下游脱流河道段生态流量的下泄通道,利用长期稳定下泄生态流量的同时进行闸前排沙。

图3 进水闸平面及剖面图

根据模型试验验证,主、副排沙系统联合使用,电站取水排沙效果好,降低了 “凸岸引水”的不利影响,实现了电站进水口的 “门前清”,较好地解决了枢纽泥沙入洞问题,使电站效益得到最大发挥。

排沙底孔布置在进水闸拦污栅底板下部,底高程为2128.50m,孔口高度由1.6m通过圆弧渐变为1.0m,进口共设置3孔,同于拦污栅孔数,宽度与拦污栅一致均为5.0m,3个排沙底孔在平面上经导流墩及流线型渐变段汇总至排沙管后排入1#泄洪冲沙闸下游,排沙管直径1.0m,中间设控制球阀和检查井。

4 结语

针对大孤山水电站枢纽工程黑河漂浮物多、流冰期长、含沙量高的水情、冰情和泥沙特点,结合地形地质条件,在常规水电站枢纽建筑物设计的基础上,采取了合理有效的优化措施,从而较好的解决了上述问题。

(1)采用在右岸混凝土挡水坝段设置排漂排冰闸的优化设计方案,解决了静水区漂浮物、浮冰滞留问题。

(2)运用将3孔泄洪冲沙闸底板高程错落布置的方案,改善了进水闸前拉沙效果。

(3)在主排沙系统的基础上,采用在进水闸底板以下设置排沙底孔等措施以布置副排沙系统,利用下泄生态流量进行闸前排沙,较好的解决了枢纽泥沙入洞问题。

上述各项优化措施在工程运行中已取得良好的效果,该电站自2009年7月建成发电至今,经历了两个汛期和两个冬季,排漂、排冰和排沙等问题都已得到了良好的解决。因此该工程对于其他类似枢纽工程的设计也具有很好的借鉴价值。

1 杨捷.小孤山水电站方案布置及设计特点 [J].中国水利,2010,(18)

2 梁雪瑾.大孤山水电站枢纽泄洪冲砂闸后消能防冲设计及优化[J].甘肃水利水电技术2010,(06)

3 蒋小鹏.多松多水电站引水枢纽布置及其特点 [J].甘肃水利水电技术2007,(03)

4 刘维东.甘溪三级水电站枢纽布置设计[J].小水电2004,(01)

5 SL265—2001水闸设计规范 [S].北京:水利电力出版社,2001

6 水工设计手册7水电站建筑物 [M].北京:水利电力出版社,1989