黄金峡水利枢纽泵站、电站联合布置方案研究

郑湘文 毛拥政 党力

摘要：黄金峡水利枢纽是引汉济渭工程的第一水源地，包括大坝、泄水、电站、泵站及通航建筑物，协调布置水工建筑物尤其是电站、泵站的布置是工程设计的重点和难点。对3个方案分别从进水布置及条件、厂房布置、交通及施工条件、出线等进行技术、经济比较，最终推荐了河床式泵站与坝后式电站联合布置的型式。工程布置充分利用了泵站与电站机组安装高程的高差，统筹布置两个建筑物进水口，进厂道路协调分层关系，出线平台采用两站共用，施工、交通、导流等临时设施布置与枢纽大坝统一考虑。通过联合布置设计，枢纽工程布置紧凑、简洁，工程占地少，减少了开挖量，空间布局合理，节约了投资，有利于工程集中运行管理，具有可行性。

关键词：坝后式电站;联合布置;可行性;布置方案;河床式泵站

中图分类号：TV61;TV222 文献标志码：A

1 工程概况

黄金峡水利枢纽是引汉济渭工程的第一水源地[1]，是以供水为主，兼有发电、航运的综合利用水利工程。在满足调水区生产生活环境需水前提下，统筹协调供水、发电、航运等关系，达到综合效益最优。

该工程是汉江上游干流河段规划中的第一个水利枢纽工程。枢纽由拦河坝、泄洪建筑物、泵站、水电站及升船设施等组成。大坝为2级建筑物，泵站为1级建筑物，电站为3级建筑物。水库正常蓄水位450m，死水位440m，水库总库容2.29亿m³，调节库容为0.69亿m³。多年平均设计供水量9.6亿m³。泵站设计流量70.0m³/s，设计总扬程117.0m，泵站装机容量129.5MW（7台18.5MW），电站额定流量3×130m³/s，总装机容量为135MW（3台45MW）[2]。泵站工程规模大，是国内进入建设程序排位第一的大型高扬程大功率泵站工程，也是亚洲最大型的泵站工程[1]。

2 泵站、电站布置方案研究

2.1 站址地形、地质特征

枢纽由大坝、泄洪消能、泵站、引水发电和航运五大系统组成。主要建筑物布置在党家沟至戴母鸡沟700m长的河段上，该段河道顺直、狭窄，两岸为400m高的山坡，基岩裸露，为典型V形河谷。两岸冲沟发育且切割深度较大，谷底宽度约180m，正常蓄水位450m处河谷宽约260m。河谷表层分布冲积卵石层，厚度为6～12m，下伏基岩为花岗片麻岩。坝址区两岸坡大部分基岩裸露，坡面有零星坡积碎石土层分布，下伏基岩岩性为花岗片麻岩。坝区地质构造简单，断层一般规模较小，岩体相对较完整。两坝肩岩体风化、卸荷作用强烈，风化深度较大，不同部位风化深度差异性大，强风化带水平深度为7～27m。工程主要地质问题是风化厚度大，无其他不良地质条件[3]。

根据以上地形、地质条件，工程有利于布置混凝土闸坝枢纽。从工程地形条件看，工程宜布置在党家沟和戴母鸡沟之间，以避开两个冲沟对工程开挖和导流的影响。

2.2 布置方案比较

该工程为闸坝枢纽，协调布置供水泵站及电站对工程成败意义重大。黄金峡水利枢纽坝址处河道狭窄，两岸岸坡陡峭，枢纽泄洪流量大，泵站机组台数较多。受地形地质条件的限制，需要满足大坝、泄水建筑物、通航建筑物、引水系统、泵站、电站等主要水工建筑物最佳位置的布置需求，矛盾比较突出[4]。同时，引汉济渭工程输水隧洞已明确布置在汉江左岸，因此泵站、电站都只能布置在左岸，并且尽量满足工程布置紧凑、交通枢纽方便布置、占地面积小、投资省等原则[5]。根据以上原则，选择两种布置型式。型式（1）泵站、电站分离式布置，其中：方案1泵站布置在坝前岸边，电站布置在河床;方案2泵站布置在坝后岸边，电站布置在河床。型式（2）泵站、电站联合式布置，其中：方案3泵站、电站前后布置，方案4泵站、电站上下布置。由于方案4泵站、电站体型复杂，设计难度大，可行性差，因此仅对前3种方案进行布置研究。

方案1：泵站布置于坝前左岸，泵站需挡水，主厂房平行于等高线，副厂房上游侧布置，主厂房两侧均有安装间。泵站采用二次起吊方案，泵站厂顶高程与坝顶高程一致。7个独立进水口，进水口高程408.96m，一列式布置。电站采用河床式布置，副厂房布置在下游侧。泵站、电站施工条件较优，施工不存在干扰，但电站导墙长度增长，施工临时工程量略有增大。

方案2：泵站布置于坝后左岸，主厂房平行于等高线，副厂房下游侧布置，主厂房两侧均有安装间。泵站有1个独立进水口，一个母管，分7个岔支管进水。河床式电站，副厂房下游侧布置，独立进水口。泵站、电站施工条件较优，施工不存在干扰。

方案3：河床式泵站，坝后式电站联合布置，充分利用泵站挡水前缘设置泵站、电站进水口，上下错层，一列式布置，泵站进水口高程为420m，电站进水口高程为408m[6]。泵站、电站利用安装高程的高差前后布置，为了合理利用空间，电站適当降低安装高程。泵站与电站之间纵向分缝，结构相对独立同时使某些平台共用，相互辅助。泵站、电站施工占地小，但施工工序复杂，需合理安排施工工序与施工机械。

2.3 方案分析

（1）在研究厂区布置问题时，应充分考虑泵站、电站、开关站、交通枢纽等之间的高程、空间关系[7]。方案1、方案2将泵站置于坝前或坝后岸边，在空间上没有充分互相利用，交通也没有兼顾结合，这都大大增加边坡开挖量，高边坡问题突出，经济性差。而将泵站、电站联合布置的方案3合理地安排了各个建筑物的位置，充分利用了泵站、电站安装高程的阶梯性，使得建筑物错层布置，共用了GIS楼及中控室，统一出线，厂区布置枢纽紧凑，有效利用空间，节省了投资[8]。方案1、方案2、方案3平面布置见图1、图2、图3。

（2）3个方案泵站安装高程一致，电站安装高程方案1、2一致，而方案3为结合布置，将电站安装高程人为降低近10m，从直观上讲似乎方案3建筑物基坑的开挖量会增加较多，施工难度也会加大。但是泵站、电站联合布置方案恰好有效利用了大坝的坝基开挖，使得建筑物的基坑开挖工程量较少，施工难度减小。

（3）进水口的布置是设计的一个难点。方案1泵站、电站有独立进水口，进水条件优，但方案1坝前库内布置泵站，泵站厂房本身作为挡水建筑物需要满足校核洪水位时厂房的稳定，所以厂房混凝土浇筑量较大。方案2泵站一个母管分7个支管与泵站进水侧相接，泵站母管为了避免穿越电站安装间，需人为将母管降至电站安装间底板高程以下。在电站施工期间，需充分考虑泵站进水母管与电站安装间的高程需求，进水母管先下降至电站安装间底板以下，再上升至泵站进水肘管中心线高程，电站的开挖量、回填混凝土量都会因进水管道的布置而增加。并且泵站的进水侧母管的布置较复杂，进水条件较差。方案3则充分利用了坝段前缘宽度，上下错层，一列式布置了10个进水口，布置紧凑，节约投资。

（4）从交通条件来比较，方案1与方案3相当，而方案2交通条件较差。方案1泵站采用二次起吊设计，厂房顶高程与上坝道路高程一致，泵站进厂道路不需要重新修建。室外厂房顶平台布置开关站，上坝道路旁不做过多的边坡开挖。电站的进厂道路与进尾水平台的两条道路边坡没有过度开挖，设计合理。方案2泵站为地面厂房，为便利交通、消防、进线、出线、排水等要求，需要開挖出泵站厂区平台、泵站进厂道路，而电站仍需两条交通道路，上坝道路必不可少。厂区平台与交通都是依靠边坡的大量开挖实现的，施工时，泵站、电站施工道路交错布置，施工交通干扰大[9]8-9。

（5）方案1较方案3投资增大0.47亿元，方案2较方案3投资增大0.99亿元。从经济性来讲，方案3具有较强的优势。

经以上综合分析比较，方案3有效利用坝基开挖，共用了GIS室、中控室，统一出线，施工及交通问题都能妥善解决，枢纽布置型式合理，投资较少。最终枢纽布置推荐方案3泵站、电站联合布置方案。方案3布置剖面见图4，

3 泵站、电站联合布置的特点

（1）充分利用了坝段前缘宽度，上下布置了10个进水口，布置紧凑。在泵站、电站坝段挡水前缘一字排开上下错层布置10个进水口，充分利用了挡水前缘的空间，节省了投资。但该方案泵站电站进水口布置复杂，当泵站、电站同时运行时两个建筑物必须满足进水口水流顺畅，流态平稳;在低水位运行时保证泵站、电站进水流量，进水口避免产生旋涡[10]16。对于如此复杂的进水口布置，当泵站、电站同时运行时其流量、流态、水力条件能否满足要求，需要通过水工模型试验进一步验证、优化[10]18。

（2）整体结构简单，受力明确。泵站与电站厂房之间纵缝分割，对于泵站与电站单体建筑物而言，两个建筑物独立受力，分单元运行。但电站机组流道从泵站厂房基础穿过，且泵站与电站机组振动频率不同，泵站机组流量大、扬程高、转速高，需要研究不同工况下厂房振动及相互之间的影响。

（3）利用导墙布置一台机组，减少了非泄流坝段的长度，有利于泄洪建筑物的布置。泵站共7台机组，对于有限的河床宽度来讲，机组台数越多，边坡开挖量越大，而在设计中将1#机组设置在厂坝导流墙坝段，合理利用了空间，减少了边坡开挖量。

（4）电站进水流道间隔布置，合理弯转，充分利用空间。这样布置可使机组间距不受进水口尺寸控制，不会因联合布置而增大各个厂房工程量，电站厂房设计采用平屋顶，与泵站、尾水平台同高，使泵站进厂回车平台可以有效利用电站厂房屋顶空间。因此，即使在下游左岸布置3条道路（左岸上坝道路、泵站进厂道路、电站进厂道路），坝肩开挖仍然合理，节约了投资[9]7。

（5）泵站、电站电气副厂房与GIS楼在厂区平台集中修建，中控室与GIS楼泵站、电站可以共用，节约了投资，有利于运行、管理。

4 结论

经多方案比较，分别从工程量、进出水条件、交通条件、施工条件等多方面论证分析，最终黄金峡水利枢纽采用泵站、电站联合布置方案。

（1）该布置型式充分利用泵站、电站的安装高程差及进水口前沿宽度，合理布置泵站、电站建筑物，并充分利用河床有限宽度及非溢流坝段，具有工程布置紧凑、简洁且投资较省的优点。

（2）泵站电站进水口布置复杂。泵站、电站同时运行时两座建筑物必须满足进水口水流顺畅、流态平稳，减少水头损失;在低水位运行时进水口的布置需要同时满足泵站、电站运行的进水流量，并且避免产生旋涡。为保证工程可靠实施，需通过水工模型试验研究进水口水流条件，并通过试验提出优化进口体型，使流态平稳，并提出防涡措施[10]18。

（3）泵站、电站前后联合布置，两厂房之间纵缝分割。对于泵站与电站单体建筑物而言，理论上两个建筑物独立受力，分单元运行。但电站进水流道从泵站厂房基础穿过，且泵站与电站机组振动频率不同，泵站机组属于目前亚洲装机容量最大的抽水机组，流量大、扬程高、振动频率高。仍需要研究不同工况下泵站厂房的振动特性，以及振动对电站厂房的影响，评估振动影响的危害[9]6，并确定改善或消除振动影响的设计方案。

（4）泵站、电站分单元运行，统一出线，共用GIS楼及中控室，运行管理方便。黄金峡水利枢纽采用河床式泵站、坝后式电站联合布置的型式，设计方案新颖独特，具有工程布置紧凑、节省投资的优势，具有可行性。2011年该方案可研阶段已通过水利部水利水电规划设计总院审查。仍需研究进水水流条件、机组振动、体型结构、联合布置分单元运行等，确保工程实施的安全可靠。

参考文献：

[1]陕西省水利电力勘测设计研究院.陕西省引汉济渭工程Ⅲ标段勘察设计招标文件第二卷：技术文件[R].西安：陕西省水利电力勘测设计研究院，2011：2-3.

[2]陕西省水利电力勘测设计研究院.陕西省引汉济渭工程Ⅲ标段勘察设计招标文件[R].西安：陕西省水利电力勘测设计研究院，2011：4-5.

[3]陕西省水利电力勘测设计研究院.陕西省引汉济渭工程可行性研究总报告[R].西安：陕西省水利电力勘测设计研究院，2011：61-63.

[4]朱尔明，傅建臣.李家峡水电站双排机组厂房布置研究与设计[J].水利水电技术，1999（10）：19-22.

[5]郑湘文，毛拥政，张俊雅.三河口水利枢纽厂房联合布置[J].水利水电技术，2017（8）：36-39.

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[8]练继建，王海军，秦亮.水电站厂房结构研究[M].北京：中国水利水电出版社，2007：151-160.

[9]国家能源局.水电站厂房设计规范：SL 266-2014[S].北京：中国水利水电出版社，2014.

[10]中华人民共和国水利部.水利水电工程进水口设计规范：SL285-2003[S].北京：中国水利水电出版社，2003.