大兴川水电站工程修改设计

侯光普，陈 博

（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，长春 130021；2.浙江华东工程咨询有限公司，杭州311122）

在水利水电工程建设过程中可能遇到大洪水和复杂地质条件等各种不利物质条件，使得工程的安全性不符合要求，需要进行相应处理，否则会产生漫顶甚至溃坝等严重后果。

本文以大兴川水电站改造为例，通过方案比选及模型试验验证，拟定了经济合理的改造方案。

1 工程概况

大兴川水电站工程位于二道松花江中游，地处吉林省安图县两江镇大兴川村一队上游约2km处，是二道松花江中段规划 （两江电站～西金沟电站之间）的梯级水电站中的第二级电站，以水力发电为主，由重力坝、溢流坝、坝后式电站及升压站等组成，装机容量4.85万kW，工程规模为中型工程，工程等别为Ⅲ等，挡水坝、溢流坝为3级建筑物，坝后式电站厂房为4级建筑物。

2008年大兴川水电站开工建设，截止2016年大兴川水电站原设计土建工程内容全部施工完成，挡水坝段已经封顶，溢流坝段及电站厂房已完成，变电站和送出工程也已完成，目前正在进行机电设备安装调试。

电站于2010年7月28日和2013年8月16日遭遇两次大洪水，导致校核标准洪峰流量（9750m3/s）比初步设计阶段洪峰流量（5400m3/s）大80.56%，通过调洪计算，原设计5孔溢流坝泄流能力远远不足，当发生校核洪水时，库水位将越过坝顶，导致漫顶，对下游发电厂房造成严重威胁。故需对电站进行改造，使其泄流能力满足规定要求。

2 方案比选

2.1 初步方案

目前，电站土建工程已全部完工。主要建筑从右到左分别为由右侧挡水坝段、电站进水口段、溢流坝段、左侧挡水坝段，在河道内垂直于水流方向呈“一”字形排开，电站上游如图1，如图2。

图1 电站上游立视图

图2 电站上游照片

由于右侧挡水坝段前方为变电站，因此本工程对左侧挡水坝段及山体进行处理，以增大电站的泄流能力。

2.1.1 新建无压隧洞

依据GB 50288—2016《灌溉与排水工程设计规范》规定，无压隧洞泄流能力公式如下：

其中 m为流量系数；ε为侧收缩系数。

经计算，H0=15m时，B=11.36m。

构造净空＞15%过流面积， 即H0＞1.15×15=17.25m。

根据计算结果，增建断面尺寸不小于11.36m×17.6m（宽×高）的无压隧洞，才能下泄原单孔溢流坝相应流量。因此，需新增5孔尺寸11.36m×17.6m（宽×高）的无压隧洞才能下泄校核洪峰流量。

2.1.2 新建有压隧洞

依据GB 50288—2016《灌溉与排水工程设计规范》规定，无压隧洞泄流能力公式：

其中 m为流量系数，和洞线走向、断面尺寸、进出口高程等均有关联。

经计算，D=11.07m（圆形隧洞直径），计算结果可知，增建直径不小于11.07m的有压隧洞，才能下泄原单孔溢流坝相应流量。因此，需新增5孔直径11.07m的有压隧洞，才能下泄校核洪峰流量。

2.1.3 新建有溢流坝

依据SL253—2000《溢洪道设计规范》，WES型实用堰泄流能力计算公式：

其中 m为流量系数；ε为侧收缩系数。

经计算，保留原有已建5孔溢流坝，新建3孔溢流坝，每孔净宽12m，堰顶高程453.50m（共8孔），可以下泄校核洪峰流量。

2.1.4 新建溢流坝并对原结构进行改造

为减少左坝肩山体开挖工程量及征林占地范围，考虑施工导流，保留原有导流墙右侧2孔溢流坝，并新增溢流坝。

依据SL253—2000《溢洪道设计规范》，WES型实用堰泄流能力计算公式：

其中 m为流量系数；ε为侧收缩系数。

经计算改造3孔并新建2孔溢流坝，每孔净宽12m，堰顶高程454.00m（共7孔），可以下泄校核洪峰流量。

2.2 方案比选

2.2.1 初步比选

新建无压隧洞及有压隧洞方案有以下缺点：

（1）征林占地范围巨大，对环境造成较大影响，不利于工程获批。

（2）山体开挖工程量巨大，导致工程投资急剧增加。

（3）隧洞断面尺寸大，施工技术难度大。综上，新建隧洞方案可不考虑。

2.2.2 进一步比选

保留原有已建5孔溢流坝，新建3孔溢流坝，每孔净宽12m，堰顶高程453.50m（共8孔）方案（5+3方案），可以满足泄流要求，但山体开挖量较大；保留原有导流墙右侧2孔溢流坝，改造导流墙左侧3孔溢流坝，再新建2孔溢流坝，每孔净宽12m，堰顶高程454.00m（共7孔）方案（2+5方案），亦可满足泄流要求，但对原有已建溢流坝段进行了较大破坏和改造，具体施工过程中施工技术难度较大。故进一步进行工程投资比选，如表1。

由表1可知，5+3方案投资较少，因此选定该方案进行改造设计。

表1 工程投资 单位：万元

2.3 工程总体布置

本次改造设计方案主要建筑物由混凝土重力坝、溢流坝组成，在河道内垂直于水流方向呈“一”字形排开。拆除原设计并已建成的大坝左侧混凝土重力坝挡水坝段后，接原有5孔溢流坝段向左岸扩建3孔溢流坝，扩建3孔溢流坝段左侧为新建混凝土重力坝挡水坝段。

3 模型试验及分析

3.1 模型试验的必要性

本次改造设计有以下两个难点：

（1）虽然新增3孔溢流坝和原5孔溢流都为WES型实用堰，但堰顶高程不一样，故堰面曲线方程不同，当两种堰型同时泄流时，水流流态复杂，实际泄流能力和理论计算可能不符。

（2）本次改造拆除原设计并已建成的左侧混凝土重力坝后，向左岸扩建三孔溢流坝并新建混凝土重力坝段。由于向左岸山体侧开挖一定距离，扩建后的8孔溢流坝中左侧3孔溢流坝进、出水流不能平顺流畅通过，水流条件受到影响。

为保证水流条件，基于WES实用堰的前提条件下，保障流量系数及侧收缩系数不受影响，工程由坝轴线位置向坝体左岸的上、下游分别进行岸坡治理。

根据左岸山体地形实际情况，考虑尽量不影响进口过流及出口泄流，初拟左岸上游150m、下游150m进行岸坡治理。

鉴于上述原因，对理论计算进行检验。

3.2 模型试验

模型采用木材和混凝土对电站和地形地貌进行还原模拟，模型比例1∶100。

在校核洪水水位时，理论计算原5孔和新建3孔，共8孔溢流坝合计下泄流量9570m3/s，试验下泄流量9258m3/s，误差3.26%。

3.3 误差分析

模型试验结果表明，理论计算和试验结果有一定差距，究其原因为：

（1）新增3孔溢流坝和原5孔溢流坝的水流流态不同，相互影响。

（2）电站左侧新增3孔溢流坝进、出水流不能平顺流畅的通过，水流条件受到影响。

（3）为减少河床开挖量并节约投资，消力池下游河道开挖采用陡反坡开挖，导致消力池出水条件受到影响。

4 结语

针对大兴川水电站建设过程中发生两次较大洪水导致原设计泄流能力不足的问题，根据工程现场实际情况，进行了改造方案比选和模型试验，模型试验结果和理论计算结果误差较小，下一步将针对误差分析列出的原因进一步完善改进。

对今后发生类似不可预测的突发状况导致原设计不符合要求的工程具有一定借鉴意义。