陡沟水电站优化设计分析

□李 丽（河南省镇平县赵湾水库管理局）

1.工程概况

陡沟水电站坝址河谷呈“U”形，河床宽度约190～220m，两岸山坡平缓。河床靠左岸侧为深水主河槽，靠左岸侧为漫滩。水电站为低水头大流量发电工程，采用拦河坝（闸）和电站厂房并列联合挡水的河床式水电站布置型式。挡水建筑物由两岸连接建筑物、挡水溢流坝段、泄洪冲砂闸坝段、发电厂房坝段组成。因坝址以上集水面积广，洪水洪峰流量大，为减少水库淹没损失和政策处理的难度，重点考虑维持坝前洪水位与同标准天然洪水位高差不超过30cm，要求泄水建筑物有足够泄洪能力。根据以上特殊情况，对水电站的坝型、坝轴线设计方案进行优化。

2.设计方案

2.1 坝型比较

结合泄水建筑物和枢纽布置要求，因泄水建筑物是挡水建筑物的一部分，挡水建筑物型式又要求结合泄水建筑物型式进行，初步设计阶段挡水溢流坝段坝型推荐选择水力自控翻板闸坝和橡胶坝两种坝型，现将两种坝型设计方案进行比较，分析如下：

2.1.1 水力自控翻板闸坝

翻板闸坝坝段总宽度165m，溢流总净宽160m（未扣除支墩），堰顶设有16扇10m×5.5m（宽×高）混凝土翻板闸门，翻板闸门门顶高程34.0m。溢流堰采用折线型实用堰，堰顶高程28.5m，堰顶宽度9.0m，下游衔接1:2的斜坡，堰基高程23.0～25.0m，堰高5.5～3.5m，堰基宽度14.4m。溢流堰堰体主要材料为C15细骨料混凝土灌砌块石，堰面通过计算采用C20混凝土，堰基为C15混凝土。

2.1.2 橡胶坝橡胶坝坝段总宽度180.5m，溢流堰顶处溢流总净宽150m，橡胶坝袋顶高程34.2m，坝袋长172.8m。溢流堰为折线型实用堰，堰顶高程28.5m，堰顶宽度根据橡胶袋平铺长度的结构要求确定为18.0m，下游衔接1:2的斜坡，堰基高程23.0～25.0m，堰高5.5～3.5m，堰基宽度23.4m。溢流堰堰体内部为C15细骨料混凝土灌砌块石，堰面和堰基采用C20和C15混凝土。

2.1.3 翻板闸坝和橡胶坝坝型方案工程量及投资见下表

翻板闸坝和橡胶坝均是目前较为广泛采用的坝型，在技术上均是可行的，但就目前的技术水平来看，翻板闸坝较橡胶坝成熟些。翻板闸坝方案的主要优点是总体布置简单，运行管理和维修方便，施工起来安装简便，并且工期短，工程投资比橡胶坝节省。并且翻板闸门可随着水库水位的升降自动开启，不需要工程管理人员去现场操作，又可节约大量的工程管理费用。虽在遭遇大洪水时，翻板闸门有阻水作用，稍影响行洪，但坝址处河床平坦开阔，弥补了其泄流能力较差的缺点，完全可以满足河道行洪泄流的要求。

橡胶坝主要优点是行洪期间塌坝，河道有效行洪断面基本上不会缩小，不影响河道行洪，自然美观。但是橡胶坝需要考虑坝袋两侧混凝土边墩，其坝段宽度比翻板闸门方案坝段还长15.5m，泄洪冲砂闸需布置在滩地上，电站厂房坝段除利用滩地外还需占用部分河岸，枢纽布置困难，还要考虑布置冲排水泵站，工程投资和运行费用大。另外橡胶坝袋如果遇尖锐物易破损，修补时需放空水库或修筑临时围堰，维修起来比较困难。

综上所述，翻板闸坝方案具有布置简单、施工简便、运行起来管理方便、工程投资和运行管理费用省等优点，因此挡水建筑物坝型推荐采用水力自控翻板闸坝方案。

表1 坝型方案比较表

2.2 坝轴线选择

根据工程规模和工程区地形地质条件以及河道和水面比降，对陡沟水电站选择的上、下两个坝址进行详细工程地质勘察以及方案进行比较，上坝轴线位于黄湾村下游约0.4km处，河床坡度较陡、水面坡降较大，下游1000m后河床坡度平缓、河床宽度较窄；下坝轴线选在陡沟村处，距上坝轴线1.0km。两坝址均具备修建低水头混凝土坝的条件，工程枢纽布置及施工条件相似，现从地形、地质条件及技术经济综合分析两个坝轴线，择优选择。

2.2.1 上坝轴线方案

上坝轴线位于黄湾村下游约0.4km处，该坝区属低山丘陵河谷地貌，两岸坝肩地形不对称，左坝肩山坡坡角约20°～30°；右岸发育一宽度为240m左右的阶地山坡坡角约20°左右；坝轴线处河谷宽阔，呈“U”字形。坝基外露岩性为变质砂岩和板岩，岩层产状倾角陡，对坝基稳定有利，岩层劈理发育，完整性差，断层在坝址不发育，不存在较大构造软弱结构面及坝基抗滑的不利组合。

设计拦河（闸）坝呈“一”字形布置，总长度为270.5m，拦河（闸）坝从左到右依次为：左岸连接建筑物为土石结构；翻板闸坝，长165.0m（含中隔墩和边墩5.0m），溢流总净宽160m，溢流堰为折线型实用堰，堰顶宽度9.5m，堰高3.5m，堰顶设16扇10m×5.5m（宽×高）翻板闸门；泄洪冲砂闸段长9.9m，共2孔，孔口尺寸3.0m×3.0m；发电厂房坝段长44.0m，厂房内设有4台2MW轴伸贯流式水轮发电机组，副厂房布置在主厂房下游侧；右岸连接建筑物的土石结构；大坝右岸下游阶地上布置升压站，右坝肩阶地设永久公路至厂房及坝顶。

上坝轴线方案水库正常蓄水位34.00m，设计洪水位（P=5%）为40.97m，校核洪水位（P=2%）为43.75m，电站总装机容量为8MW，多年平均发电量2530万kW·h。

2.2.2 下坝线方案

下坝轴线选在陡沟村处，距上坝轴线1km。坝址河谷相对较宽，两岸地形不对称，左侧河床为冲刷深槽区，河谷地形条件可满足建低水头混凝土坝的要求。坝址右坝肩为一较宽的冲积阶地，地势较高，地形相对较平缓。坝址河床部位出露弱风化岩体，可直接利用基岩面进行适当整平后作建基面。坝址出露岩性主要为变质砂岩和板岩，有利于坝基抗滑稳定。两岸坝肩及坝基整体稳定，工程地质条件较好。

设计拦河（闸）坝呈“一”字形布置，总长度为293.4m。拦河（闸）坝从左到右依次为：左岸连接建筑物为土石结构；翻板闸坝段长165.0m（含中隔墩和边墩5.0m），溢流总净宽160m，溢流堰为折线型实用堰，堰顶宽度9.0m，堰高5.5～3.5m，堰顶设16扇10m×5.5m（宽×高）翻板闸门；泄洪冲砂闸段长9.9m，共2孔，孔口尺寸3.0m×3.0m；发电厂房坝段长50.46m，厂房内设有4台 2.5MW轴伸贯流式水轮发电机组，副厂房布置在主厂房下游侧；右岸连接建筑物为土石结构；大坝右岸临山坡布置升压站，右岸下游设有永久公路至厂房及坝顶。

2.2.3 坝轴线比较与选择

对两条坝轴线的地形地质条件、枢纽布置、水库淹没以及工程量和投资、工程经济效益等方面进行综合分析比较后来确定坝轴线。

表2 坝轴线方案综合比较表

2.2.3.1 地形地质条件

下坝轴线地形宽阔，河床宽度比上坝轴线宽10～30m左右，河道比较顺直，有利于施工导流建筑物和泄水建筑物的布置,下泄水流流态和厂房进出水条件较好。另外，上坝轴线下游300～1000m范围河段水面坡降较大，河床坡度较陡，特别是上坝轴线下游300～600m河段河床高程比下坝轴线河床高程高约1.4～1.0m，该河段河床大部分基岩裸露在外，疏浚起来比较困难且工程投资大，而下坝轴线则可充分利用水头。虽然两坝轴线地质条件相近，但明显下坝轴线地形条件优于上坝轴线。

2.2.3.2 枢纽布置

两条坝轴线枢纽布置基本相同，因下坝轴线处河岸宽度和河床相对较宽，泄水建筑物设计布置在河床中，右岸岸坡较为平缓，因此土石方开挖量比较小，同时水流条件又较好，所以厂房基本布置在靠右岸边河床中。上坝轴线所处地方，河床、河岸宽度较窄，左岸需开挖部分阶地，以满足泄水建筑物布置的要求，厂房布置还需利用右岸部分山体，而右岸山体高程较高，相对土石方开挖量大。因此，从枢纽工程布置上看，下坝轴线要优于上坝轴线。

2.2.3.3 水库淹没

上坝轴线水库淹没处理投资为77.11万元，下坝轴线水库淹没处理投资为94.54万元，下坝轴线仅比上坝轴线增加17.43万元。

2.2.3.4 工程投资及效益

上坝轴线工程静态总投资5707万元，下坝轴线工程静态总投资6093万元，下坝轴线比上坝轴线多年平均发电量增加583万kW·h，但工程总投资仅比上坝轴线多386万元，因此下坝轴线比上坝轴线优。

经综合技术经济比较，推荐下坝轴线为选定坝轴线。

3.结束语

由于陡沟水电站坝址处河床平坦开阔，弥补了翻板闸坝泄流能力较差的缺点，挡水建筑物坝型采用水力自控翻板闸坝，施工简便，运行起来管理方便，完全可以满足河道行洪泄流的要求。下坝轴线为选定坝轴线，从技术经济综合综合分析论证效益明显，既节省了工程投资和运行管理费用，又满足了枢纽工程的总体要求，发挥了应有的功能效果，在同类水电站的设计中具有一定的借鉴作用。

[1]郭长江,王艳芳.水力自控翻板闸坝在牡丹江下游的推广应用[J].黑龙江水利科技.2010（05）.

[2]刘风秋乐滩水电站优化设计经验总结[J].红水河.2006（03）.