贵州盘县乌都河水电站二期工程方案优选

刘 辛

（贵州新中水工程有限公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

乌都河为北盘江的一级支流。 已建的盘县乌都河水电站位于乌都河中下游盘县、普安县的界河河段上，是梯级开发的第八级，为引水式电站。 该电站利用天然水位差223 m，装机25 MW，发电引用流量13.7 m3/s，占多年平均流量（22.9 m3/s）的59.83%，水量利用系数为0.382。 已建乌都河水电站在实际运行中，工程弃水量偏大，电站年利用小时数较高，未能充分利用水能资源。 因此，项目业主决定对该工程进行扩容，拟建设乌都河水电站二期工程。

1 乌都河水电站工程概况

1.1 已建水电站概况

已建的盘县乌都河水电站工程总体包括：首部枢纽、无压引水系统、发电厂房及升压站。 首部枢纽由浆砌石重力坝、右岸冲沙底孔及取水口组成。 大坝位于普安县畔河村附近， 控制流域面积1 220 km2，多年平均流量22.9 m3/s，年径流量72 177 万m3。引水系统由明渠、无压引水隧洞、渡槽、沉沙池、前池、压力钢管组成。 发电厂房采用地面式，主、副厂房采用一字形布置。 电站装机容量为45MW，多年平均年发电量为9 490 万kW·h， 年利用小时数为2 109 h。

1.2 二期工程概况

乌都河水电站二期工程拟在已建电站枢纽基础上进行建设，其开发任务为发电。 在进行工程设计时，乌都河水电站二期工程有两种方案可供选择：（1）利用一期已建成大坝，二期不对大坝进行改造，在库首右岸非溢流坝段增设一取水口， 新建明渠、无压隧洞，引水至已建沉沙池、前池后，至已建厂房下游，在岸边建厂发电。 该方案需新建的主要枢纽建筑物有：取水口、沉沙池、暗渠、无压引水隧洞、渡槽、明渠、压力钢管和厂房。 （2）在一期已建成大坝下游再建一新坝。 该方案需新建的建筑物有：大坝、取水口、沉沙池、引水系统和厂房。

二期工程建成后，预计一、二期工程总装机容量为70MW。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的规定[1]，本工程规模属小（1）型，工程等别为Ⅳ等，工程施工总工期为33 个月，工程总投资31 920 万元，静态总投资27 910 万元。

2 二期工程方案优选

2.1 利用原坝方案

在原坝至已建沉沙池间，选择3 条可行线路进行比较（如图1 所示）。

因已建电站从大坝至0#隧洞之间靠河道布置有明渠，二期工程原坝方案引水线路的布置只能在其右侧布置。 由图1 可见，选择的3 条引水线路1#、2#隧洞轴线布置相同，仅渡槽位置不同，从而形成了3 个比较方案。

图1 规划设计的3条可行性路线Fig.1 Three feasibility routes of planning design

路线一：渡槽位置选择在已建麻家冲渡槽下游约50 m 处，其优点在于渡槽跨度较短，地面高差仅16 m，施工方便；缺点是渡槽进、出口位置为崩塌堆积体，覆盖层较厚。 经现场踏勘，该处出露地层为石炭系下统摆佐群（C1b）厚层灰岩，两侧山体雄厚，中部为陡壁，下部为崩塌堆积体。 根据水力计算，1#隧洞出口高程为1 175.5 m， 正处于崩塌堆积体中、下部，厚度约30～40 m，成洞条件差，而此处地形、地质条件较好的位置已被已建工程利用。 同时，为减小渡槽跨度，需在渡槽后新建一明渠，长度为295.55 m。因底板高程与已建明渠大致相同，需在老渠道外侧采用高填方施工方案，加上基础为覆盖层，其施工难度较大。

路线二： 新建渡槽位于已建渡槽下游侧460 m处，跨度231 m，地面高度约50 m，渡槽两端与1#、2#隧洞相接处基岩裸露。 方案二的优点在于渡槽两端基岩裸露，隧洞成洞条件较好；缺点为渡槽地面高度较大，施工困难。 同时，经钻孔揭露，渡槽中部洼地处为粉土层，厚度大于40 m，基础处理困难。

路线三：渡槽位于丫口上寨子上游约400 m 处，渡槽上、下游为洼地，跨度168 m，地面高程约30 m。渡槽两端为崩塌堆积体，进口（1#隧洞出口）崩塌堆积体厚10～15 m，出口（2#隧洞进口）处厚约3～5 m，渡槽中部基础位置覆盖层厚约8 m， 下伏地层为石炭系摆佐组(C1b)的浅灰、灰色厚层块状灰岩、白云质灰岩，岩层产状125°∠18°，斜至逆向坡，自然边坡稳定。

相对于路线一，路线三具有覆盖层较薄、无需新建明渠、工程量较小等优点。 相对于路线二，路线三具有渡槽规模较小，且基础较好，为厚层灰岩等优点。 同时，方案三引水线路最短。 在原坝方案中，从大坝至已建沉沙池之间的引水线路选择路线三。

经走线布置及水力计算，方案三大坝取水口底板高程为1 179.0 m，孔口尺寸（宽×高）为5 m×3 m。为充分利用此处的地形条件，将新建的沉沙池布置成定期冲洗式，并设置两个冲沙闸室，顺水流方案轴线长139.177 m，出口设拦污栅，后接暗渠进口控制段。 控制段底板高程为1 178.7 m，宽4.5 m，设计过流能力24.5 m3/s。 控制段经75.98 m 的暗渠后接1#隧洞进水口。 暗渠底宽3.5 m，边墙高3.5 m，设计水深2.92 m，底坡i=0.001（末端为1:5）。1#隧洞进水口闸门底槛及消力池底板高程1 177.125 m，设弧形工作闸门，孔口（宽×高）尺寸为3.5 m×5 m，消力池段长38.45 m，井筒顶部高程1 212 m，高于校核洪水位1 211.53 m（P=0.5%）。 1#隧洞采用城门洞型，长3 807.747 m，底宽3.5 m，直墙高3.3 m，顶拱半径为2.1 m，底坡i=0.001，设计水深2.92 m。 1#隧洞后接29 m 长的明渠段，并设置侧堰。 明渠断面尺寸（B×H）为3.5 m×3.674 m，底坡i=0.001；侧堰堰顶高程1 177.85 m，溢流堰宽18 m，最大下泄流量13.01 m3/s。明渠段后为丫口上渡槽，长168m，采用矩形断面，底宽3.5 m。 为满足堰上水头及安全超高，取边墙高度为3.75m，底坡i=1/600，槽内水深2.44 m。 2#隧洞长1 181.75 m，底坡为i=1/1000，结构尺寸与1#隧洞相同，后接明渠段至已建沉沙池进口。 明渠长10 m，底坡i=1/1000，底宽3.5 m，边墙高4.726 m，设计水深2.92 m。引水线路总长为5 283.981 m（不含半河沉沙池长度）。

2.2 新建大坝方案

2.2.1 地形、地质条件分析

新坝线河谷宽高比为6.2，是不对称“V”字形河谷。左岸为阶地，高出河床约10～20 m，自然坡度10°～30°，为一深厚覆盖层，厚度约40 m。 据钻孔揭露，顶部为冲洪积粉土，中部为崩塌堆积碎石，碎石成分主要是灰岩，下部为30m 左右厚初步固结粉土，状况稳定，但强度不高，遇水后易软化。 右岸为一凸出岩壁，自然坡度＞70°，基岩裸露，为厚层灰岩，逆向坡，强风化下限5～8m。 河床覆盖层厚约30 m，除顶部1～2m 砂卵砾石外， 其余皆为粉土， 其下基岩为P2q 灰岩，右岸为P2m 灰岩[2]。 河床中部有F1 断层顺河穿过，右岸基岩裂隙较发育，共发育6 组裂隙。本河段为地下水补给河水，河床为粉土层，属相对隔水层。右坝肩为一凸出的山体，为P2m+q 灰岩，该山体内地下水位低平，裂隙发育，防渗处理难度较大；左岸基岩也为灰岩，因距河流入伏口较近，存在绕坝直接渗漏入伏流段可能，防渗工作量亦大。

2.2.2 新坝位置分析

已建大坝至下游落水洞的河段长约1 km，因已建电站引水系统布置于河道右岸，沿水流方向依次为1#明渠、0#隧洞、2#暗渠及1#隧洞进水口，故在选择新坝方案坝轴线时，应考虑施工期的不利影响，尽量将对老电站发电影响降低到最低。 据已建电站引水线路布置及下游河段的地形、地质条件，可选位置为0#隧洞处和1#隧洞进水口至下游落水洞间的河段。

因1#隧洞进水口至落水洞之间河段其左、右岸地形极不对称，且均存在崩塌堆积体，河道狭窄，无法布置溢洪道、冲沙设施及导流工程，故只能在0#隧洞处选择新坝轴线。根据0#隧洞竣工资料及实测进、出口位置，在保证坝肩开挖不影响0#隧洞运行的基础上，新坝线位置选择在距已建大坝约300 m 处。

2.2.3 坝型适应性分析

汛期受下游入伏口下泄能力限制，回水顶托，洪水位抬高，当遇到超过两年一遇洪水时，原坝将处于被淹没状态。 当达到校核工况时， 洪水位高达1121.53 m（P=0.5%），已高于已建大坝坝顶26.53 m。基于这种情况，只能选择刚性坝，而此处河床为30 m 深的粉土覆盖层，地基承载力为180～200 kPa。 如全部清除，其开挖和坝体工程量巨大。 若扩大基础，复核地基承载力仍不能满足要求。 故本次设计考虑利用两岸完整基岩，在其上修建拱座，再在其上部修建重力坝，形成拱上重力坝，坝顶高程取与已建大坝相同，为1 185.0 m。

2.3 两种方案优选

经过比较，下坝址（新建大坝方案）比上坝址（利用原坝方案）多约19.8 万m3库容，节约了从取水口到1#隧洞约200 m 的渠道。 但是，下坝址坝基为粉土，强度过低，加上两坝肩防渗处理难度大，且投资较大，综合地质条件明显比上坝址复杂，而且上坝址为已建坝址，十多年来运行正常。 在大坝至1#隧洞出口的建筑工程投资中，原坝方案总投资为4 962.95，新坝方案总投资为5 439.02，采用原坝方案可节省476.07 万元。同时，新坝方案中未列入新、老大坝之间的库区淹没投资。 经综合比较，上坝址条件要优于下坝址，故推荐上坝址为下阶段研究坝址，即采用原有大坝新建取水口方案。

3 结语

乌都河水电站二期工程在初步设计时，经方案优化比选，得到以下结论：（1）从坝址区地形地质条件、枢纽优化布置、工程量、工程投资等[3]方面进行综合比较，推荐上坝址为下阶段研究坝址，即采用原有大坝新建取水口方案。 （2）采用原有大坝新建取水口方案， 按照渡槽位置不同，1#、2#隧洞轴线布置相同，设计了3 条引水线路。 通过方案比选，最终选择渡槽位于丫口上寨子上游约400 m 处的引水线路。

[1]SL252-2000，水利水电工程等级划分及洪水标准[S].

[2] SL299-2004，水利水电工程地质测绘规程[S].

[3] 崔进，高传彬，雷声军. 枕头坝一级水电站工程枢纽布置设计[J]. 人民长江，20012，43(14):30-32.