某水电站工程主要建筑选型方案及计算分析

李大仁

(嵊州市剡湖街道农业综合技术服务站，浙江 嵊州312400)

0 引 言

目前，我国的燃煤量占据世界燃煤总量的50%以上，排放的CO2量超过美国和欧盟的总和，承受着来自国际社会的巨大压力。我国具有地势差距大、河流分布广等地理优势，水能资源世界第一，但目前只利用了其中的30%，所以开发潜力是巨大的。在这些因素下，水电站的发展必然有着良好的前途。水电站工程的主要建筑方案选型直接关系到工程的投资、科学合理性等重点问题，在设计和建造时需特别重视［1］。

1 工程概况

某水电站工程装机总量为5 200 kW，等级为Ⅴ等，规模为小(2)型。主要建筑物按5 级建筑物设计，次要建筑物及临时建筑物按5 级设计。该水电站所处地形较复杂，地质条件良好，工程主要由引水渠首、沉沙池、引水渠、压力前池、压力管道、厂房、尾水渠、泄水陡坡、退水渠、升压站及生活区等部分组成。下面对一些主要建筑的选型设计和计算进行详细介绍。

2 主要建筑的选型方案及计算

2.1 引水渠首的选型与计算

2.1.1 方案选型

从总体河道形状来看，渠首若在上游修建，由于上游河道渐宽，主流摆动大，造成拦河工程量大，工程不经济;若在下游修建，则河道变得窄深，会造成引水渠挖深很大，工程投资增大，另一方面也不利于水能合理利用。综合考虑，最终确定引水渠首位置放在河段上游，据此提出两种选型方案［2］。

2.1.1.1 拦河闸式

渠首采用拦河闸形式，由3 孔泄洪闸和1 孔进水闸组成，示意图详见图1。该形式具有以下优点:

1)工程紧凑，投资较少。

2)3 孔泄洪闸冲砂灵活，闸前淤积少，由于设置了沉沙池，渠首防砂效果好。缺点是运行管理较麻烦。预计该方案投资为195 万元。

2.1.1.2 闸、堰结合型式

渠首采用闸、堰结合拦河形式，渠首由1 孔冲沙闸、1 孔进水闸和溢流堰组成，进水闸与冲沙闸呈80°夹角，冲沙闸与河床底板同高，进水闸地板较冲沙闸底板高2.5m，溢流堰为薄壁堰，堰长60m。示意图见图2。该形式渠首设置了溢流堰，工程运行管理较方便。但具有工程投资大、溢流堰前淤积严重等缺点。预计该方案投资为220 万元。

图1 拦河闸式引水渠首

图2 闸、堰结合式引水渠首

方案一的渠首平面布置紧凑，工程投资较小;方案二由于设置了溢流堰，在汛期运行管理较方便，但同时也增加了投资，由于只设置1 孔冲沙闸，堰前淤积比较严重。经过比选，最终选择方案一。

2.1.2 水力计算

根据公式(1)，对泄洪闸的设置方案进行验算［3］。

式中:Q 为流量值，m3/s;σs为淹没系数，取为0.92;m′为无坎宽顶堰流量系数，取为0.345;n 为闸孔数，取3;b 为闸孔宽，假设为5m;H0为堰顶水头，取3.3m。

计算得Q=125.58 m3/s;可见闸孔宽取3 孔5m略偏大，基本合适。

2.2 引水渠道的选型与计算

2.2.1 方案选型

水电站的动力渠道首先要满足不冲不於流速，又因该电站冬季要发电，故要考虑渠道的输冰流速(≥1.1m/s)。由于渠道的设计流量不大，所以只考虑暗渠方案。在此，拟定3 种方案:

1)方案一:城门洞形暗渠。

2)方案二:采用矩形暗渠，暗渠侧墙为C25 毛石混凝土现浇结构。

3)方案三:仍采用矩形暗渠，暗渠侧墙采用C25钢筋混凝土扶壁式挡土墙结构。三者的详细对比情况见表1。经过综合比较，最终选定方案二作为优选方案。

表1 引水渠道方案比较表

2.2.2 水力计算

根据明渠均匀流公式(2)和(3)，得到引水渠道的水力要素表2［4］。

式中:Q 为流量，11.5m3/s;A 为过水断面面积，m2;C 为谢才系数;R 为水力半径，m;i 为渠道纵坡，取值0.001;b 为渠底宽，取值2.3m;m 为边坡系数，取值0;h 为水深，m;计算得h =2.73m，确定Δh =0.52m，则H渠=3.25m。

表2 引水渠水力要素表

2.3 压力前池的选型

压力前池的主要作用是为压力水管均匀供水，在机组的流量变化时起调节作用。一般压力前池由渠道末端加深加宽设置的，主要部分有渐变段及池身、进出口管道设备等。特别要注意地基的稳定，要保证水流平顺。结合本工程的实际条件，初步拟定了两种压力前池方案，具体如下。经过综合比较，最终选取方案一作为本工程的最终方案［5］。

2.3.1 方案一

正面溢流、排冰、排砂，侧面引水发电，采用虹吸进水方式见图3。该形式的优点是采用虹吸进水，免除了冬季运行之困难，而且管道断流迅速、彻底。缺点是需要设置真空破坏阀和真空泵，需保温运行。预计投资119 万元。

图3 方案一的压力前池示意图

2.3.2 方案二

正面溢流排砂、侧面引水发电，采用闸门进水方式见图4。该形式的优点是采用闸门进水，进水室简单管理方便。采用闸门进水，进水室简单管理方便。缺点是溢流堰排冰不方便、排沙效果不好、冬季运行闸门启闭受到冰冻影响。预计投资186 万元。

3 结 语

主要建筑方案设计作为水电站项目的主要工程之一，对水电站日后的使用情况有着决定性影响。在方案选取时，应遵循“因地制宜、科学合理、经济适宜”的总方针，技术人员要深入现场，多做调查研究，杜绝出现“大马拉小车和小马拉大车”的现象发生［6］。本水电站工程主要建筑的设计方案充分结合了当地的实际情况，具有很强的实用性和合理性。

图4 方案二的压力前池示意图

［1］倪爱民，杨牧.沐若水电站建筑设计概述［J］.人民长江，2013，44(08):51－53.

［2］刘畅，蔡斌.论水电站厂房的建筑节能的设计及应用［J］.云南水力发电，2012，28(05):47－52.

［3］李龙，宋升.古尔图河四级水电站引水渠的设计与施工［J］.中国水运:下半月，2012，12(01):192－193.

［4］张多新，王清云，马文亮，刘东常.水电站引水压力管道受力分析与结构设计研究［J］.水资源与水工程学报，2008，19(03):24－27.

［5］赵正飞.水电站长有压引水系统水力过度过程若干问题的计算研究［D］.西安:西安理工大学，2010.

［6］刘妍.水电站工程施工组织设计方案评价研究［D］.长沙:中南大学，2013.