烟岗高水头水电站设计关键技术

赵 玮，党 力，董旭荣

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 工程概况

烟岗电站是四川木里县鸭嘴河干流规划的第二级水电站，上游接鸭嘴河“龙头”水库—布西水库（电站），下游接跑马坪水电站。其设计发电流量23.6 m3/s，额定水头601 m，最大动水头720 m，电站装机容量120 MW，多年平均年发电量4.96 亿kW·h。

工程由首部枢纽（闸坝）、发电引水建筑物等组成。首部枢纽（闸坝）由泄洪闸、冲沙闸、生态用水管以及挡水坝段组成；发电引水建筑物由进水口、发电引水洞、压力管道、电站厂区建筑物等组成。

2 工程设计关键技术

2.1 首部枢纽

烟岗水电站发电额定水头为601 m，为高水头电站，坝址多年平均输沙量12.7 万t，含沙量312 g/m3。在设计过程中，充分考虑了引水排沙设计方案，确保过机含沙量在允许范围内、解决水轮机防泥沙磨损、确保机组运行的安全性。

根据河流泥沙特点及电站水头高的特点，研究分析确定了大排大泄的全闸方案，枢纽在主河道中部布置了3 孔泄洪闸，1 孔冲沙闸和一个排漂孔，两侧以挡水建筑物与两岸相连接，取水建筑物布置在左岸。

2.1.1 方案比选

根据水电站沉沙池的设置条件及泥沙沉降设计标准中规定，额定水头为600 m～300 m，设计最小沉降粒径为0.1 mm。多年平均过机含沙量应小于0.08 kg/m3～0.12 kg/m3，过机多年平均d＞0.1 mm粗粒径泥沙含沙量应小于0.012 kg/m3～0.02 kg/m3。依据水文泥沙资料和国内类似工程经验，首部枢纽设计进行了“以库代池”方案和沉沙池方案的综合比较。

（1）“以库代池“方案

“以库代池”是指利用水库沉沙，采用敞泄排沙的泥沙调度方式，以降低引水含沙量，确保过机含沙量在规范允许范围内。其机理为建闸壅水后，闸前流速降低，泥沙淤落，在洪水期，降低水位大排大泄进行溯源冲刷，把中小水期抬高水位运行时淤积在库内的泥沙排往下游，同时冲刷出库容供重新淤积之用，如此交替运用，达到长期保持调节库容的目的。

首部枢纽“以库代池”方案在主河道中部布置了3 孔泄洪闸、1 孔冲沙闸，闸体与左、右两岸以挡水坝段连接。电站进水口布置在河床左岸，进水口轴线与冲沙闸轴线夹角70°，进水口底板高程为3126.00 m。水库正常蓄水位为3136.50 m，死水位为3133.00 m，汛期运行水位为3135.00 m。

（2）沉沙池方案

沉沙池方案也是在主河道中部布置了3 孔泄洪闸、1 孔冲沙闸，闸体与左、右两岸以挡水坝段连接。与“以库代池”方案不同之处在于河床左岸布置的进水口后接地下沉沙池，进水口底板高程为3124.00 m，进水口分两孔，每孔各设两道拦污栅，孔口尺寸均为3.0 m×8.5 m（宽×高），进水闸闸孔尺寸均为3.0 m×4.0 m（宽×高）。进水闸后接地下沉沙池，池净宽20 m，分两厢，深22.5 m～26.0 m。池身长120 m，池厢末端设2.5 m×3.0 m 排沙闸孔，排沙廊道断面尺寸为2.5 m×3.75 m，圆拱直墙型。沉沙池方案正常蓄水位为3134.00 m，死水位为3132.00 m。

（3）方案比选

两方案综合比选见表1[1]。

综合以上比较，设计沉沙效果好、电站动能指标优、工程投资较省的沉沙池方案。为进一步优化和细化“以库代池”方案，进行泥沙数模计算分析，又委托科研单位进行了首部枢纽河工模型试验，验证其合理性。

表1 “以库代池”和沉沙池方案经济技术综合比选表

2.1.2 “以库代池”方案验证

以中水年水库冲淤模型试验过程来看，水库淤积量最大的时段为每年的6 月30 日～8 月27 日，该时段水库处于持续淤积状态，泥沙淤积三角洲不断向前推进，其前坡已达坝址，是最不利情况，取水口前的泥沙淤积高程达到3125 m，库区淤积量达到最大。时段末，3134.0 m 以下有效库容在持续淤积下减小至21.8 万m3。

根据库区淤积地形实测资料可估算出库区各断面平均流速分布见表2。

表2 库区平均流速

由表2 可知，随着淤积的持续进行，由于各断面过水面积不断减小，流量即使变化不大，流速仍逐渐增大。时段末，泥沙淤积三角洲前坡已达坝址，取水口水流含沙量明显增大，入库流量51.2 m3/s、含沙量为3.0 kg/m3时，取水口含沙量为0.12 kg/m3。

电站取水口含沙量沿垂线分布采用劳斯公式计算，公式如下：

电站取水口底板高程为3127 m，水位为3135 m，坝前河底高程为3121 m，取水口底板离河底高度为6 m。依据上述公式及数据，针对中水年库区淤积量达到最大时（此时入库流量为51.2 m3/s、含沙量为3.0 kg/m3）的情况，分析计算过机含沙量的大小。经分析计算，可绘出取水口前悬沙浓度垂向分布，见图1。

图1 中水年取水口前悬沙浓度垂向分布图

中水年库区淤积最不利情况下，入库流量为51.2 m3/s、入库含沙量为3.0 kg/m3时，实测取水口含沙量为0.12 kg/m3，根据实测取水口泥沙级配（见表3）可计算出取水口处大于0.1 mm粒径级泥沙含沙量为0.017 kg/m3。说明即使在最不利（库区淤积较多，而且入库流量和含沙量较大）的情况下，过机含沙量也基本满足规范规定的多年平均过机含沙量要求。

表3 取水口泥沙级配（Q=51.2 m3/s）

由以上分析结果可见，烟岗水电站过机含沙量满足规范规定的过机多年平均含沙量小于0.08 kg/m3～0.12 kg/m3，过机多年平均d＞0.1 mm粗粒径泥沙含沙量为小于0.01 kg/m3～0.02 kg/m3要求[1]。

泥沙冲淤计算采用逐时段模拟水库泥沙冲淤过程的全沙冲淤数学模型。在水库运行6 a 后，入库悬移质泥沙的出库率可达90%以上，库区泥沙冲淤基本达到平衡。为使河道推移质泥沙进入电站引水口，并使闸前维持一定水深，以便沉降悬移质粗沙，每年汛期需不定期敞泄冲沙2 次，每次冲沙历时8 h；另外，每年电站需避来水沙峰运行约2 d，即全年停机敞泄冲沙时间总共约64 h（含避沙峰运行的时间），可保证取水口前沿的泥沙淤积高程低于取水口挡沙坎高程。

2.1.3 泥沙物理模型试验

首部枢纽物理泥沙模型为正态模型，选用天然沙为模型沙，按全沙动床模型相似率设计并试验。在死水位时，电站投运前水库的有效可调节库容为69.5 万m3。电站多年运行后，有效库容虽有损失，但可以长期保持有效库容28 万m3左右，满足设计所需的日调节库容16 万m3的要求。模型试验悬移质含沙量及其级配试验成果和代表年年平均过机悬移质级配见表4和表5。

表4 模型试验悬移质含沙量及其级配试验成果

表5 代表年年平均过机悬移质级配

试验及计算分析结果表明，“以库代池”方案年平均过机含沙量为72 g/m3，粒径大于0.1 mm 泥沙沉降率91.5%，满足规范要求[1]。

结合泥沙数学模型计算分析和河工模型试验的验证，“以库代池”设计方案成功解决了高水头电站引水防沙的难题。

2.2 压力管道

烟岗水电站钢管布置水头落差为600 m 量级，根据地形、地质条件，经设计研究对比分析，压力管道采用地下埋藏式布置方案，工程区埋深约80 m～220 m，外水水头约60 m～90 m，围岩以整体稳定性较好的Ⅲ类石英岩、变石英岩和Ⅱ石英岩为主。

2.2.1 设计原则

设计考虑到压力管道全段围岩条件较好，故在分析设计计算时全管段均按砼、围岩联合受力设计，由于该地区地下水位线较高，按照自然水位线进行计算，水头折减系数设计取0.45。按照相关规范规定的荷载组合以及各运行工况进行分析计算。设计假定及原则如下：

（1）压力管道内水压力由围岩、钢衬共同承担，回填混凝土只起压力传递作用；

（2）各种材料均为各向同性材料，且都在弹性变形范围内工作，洞室开挖后变形已完成、应力已释放；

（3）压力管道内水压力全部外压由钢管结构自身承担；

（4）压力管道岔管段和支管段结构按“明管”理论进行设计。

2.2.2 管道材质选择

钢管材质首选16 MnR，当计算壁厚超过34 mm、实际壁厚超过36 mm 时，考虑到焊接需要预热、卷板和焊接后要进行消除残余应力热处理，故钢管材质选用高强钢，以减小刚才壁厚，同时有利于钢管的运输及洞内安装。

选材立足于国内采购、钢板性能稳定、焊接性能良好的原则，对国内几个大型的钢材厂首钢、鞍钢、武钢等进行调研。最终认为目前国内600 MPa 级的钢材质量较稳定可靠，比较该级别的钢材后选用高强钢WDB620，其抗拉强度σb为620 MPa、屈服强度σs为490 MPa，该钢材具有P 和S 等有害化学成分含量低、焊接裂纹敏感性低、低温韧性优良、抗时效性能良好、易加工制造的特点，可以满足本工程钢管、岔管制造和运用的要求。按照压力管道布置，结合结构计算对管道材质分段采用：水头较低段采用常规钢材16 MnR、水头较高的斜坡段、下平段段和岔管材质选用WDB620 高强钢材。

2.2.3 压力管道优化

烟岗水电站工程压力管道按照钢管与围岩联合承载设计，从上平段采用管壁最小结构厚度8 mm，随着内水压力的增大，管壁厚度也逐渐增大，管道最下端厚度达38 mm，钢材采用16 MnR，下段段管道、岔管、支管段钢管壁厚达50 mm，采用WDB620 高强钢材。考虑钢管与围岩联合承载，要求在钢管安装完毕后，进行回填灌浆、接缝灌浆以及固结灌浆。由于固结灌浆工作量大，工期较长，而且需要在钢管上开孔，影响钢管质量。

压力管道为本工程的关键线路，为加快施工进度考虑取消固结灌浆，钢管按单独承担全部内水压力进行设计，虽钢管壁厚和钢材用量均有所增加，但可取消固结灌浆，大大简化了施工难度，并可节约工期。

2.3 水轮发电机组

烟岗电站发电额定水头601 m，最大动水头720 m，设计根据电站水头，对可采用的混流式和冲击式两种水轮机型进行综合比选论证。

从国内外的高水头水电站水轮机实际应用情况来看，600 m以上水头采用混流式和冲击式两种机型均有使用。设计经过综合研究分析，最终选择了冲击式机组，单机容量为60 MW，喷嘴数量为6 个，水斗21 个。国内外大型制造厂生产制造600 m水头量级、单机容量60 MW冲击式在技术上都是可行的。

另外，考虑到本电站压力管道长1323 m，若采用混流式机组，压力管道压力升高和机组转速的升高均较大，设计制造难度加大；冲击式机组关机时，先采用偏流器先将水流遮挡，然后喷针缓慢关闭，压力管道压力升高值可控制在15%以内，机组转速增加值可控制在20%以内[2]。

烟岗电站为低坝引水式电站，水库水位变幅小，更适用于冲击式水轮机，在电站正常运行中，冲击式水轮机使电站具有更灵活的适应电网负荷变化的能力，运行管理方便。因此，设计从水轮机组运行工况范围、水能利用情况、机组发电效率、设计制造技术难度及设备维护方便性等方面综合考虑，采用冲击式水轮发电机组。

3 结语

2012 年10 月电站机组正式并网投入运行，截至目前工程运行良好，电站并网发电近8 a，累计发电达38 亿kW·h，缓解了四川省电网供需矛盾，电站调峰最高电价达到0.5 元/（kW·h），在给投资方带来丰厚经济利益的情况下，又增加少数民族地方财政收入，对地方经济发展、改善当地民生有重要的意义。