中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 杭州 311122
摘要： 西部某梯级水电站的引水发电系统长达20km，采用坝式+引水式的混合式开发方式，其中发电厂房主要受地形地质条件影响采用地下式厂房。发电厂房的位置选择对电站工程经济指标影响较大，首部开发方式和尾部开发方式各有优缺点，本文针对电站具体情况分析研究，优选尾部开发方式。
关键词： 枢纽布置开发方式混合式开发首部开发尾部开发
1 工程概述
某梯级水电站位于西部山区，河流两岸边坡高陡，适合采用坝式开发方式，混凝土坝高约130m，引水发电系统布置在岸边山体内，电站满发下游水位约为1920m。下游梯级电站为高坝大库水电站，水库正常蓄水位为1880m。两水电站间河段有部分水头未能有效利用。下游梯级电站现已投产发电，从水库实际蓄水运行看，水库水位在正常蓄水位与死水位之间消落，有较长时段水位低于正常蓄水位，水库消落水位间的部分水头未有效利用。为充分利用河道水能资源、优化工程经济指标，有必要深化研究坝式+引水式的混合式开发方式的可行性。
电站混合式开发方式的引水发电系统长约20km，引水发电建筑物主要由进水口、引水隧洞、调压室、尾水隧洞、发电厂房和尾水出口等组成。进水口结合拦河坝布置，位于拦河坝坝肩。尾水出口位于下游梯级电站水库库尾。发电厂房采用地下式厂房。
电站上游水库正常蓄水位1987.00m，死水位1982.00m。电站尾水出口河道最低水位1840.00m，最高水位即下游梯级电站水库正常蓄水位1880.00m。电站总引用流量约1189m³/s，装机容量1400MW。
2 地质条件
电站引水发电系统位于河岸山体内，沿线主要地层岩性为变质砂岩、砂质板岩、大理岩、含炭质板岩等。隧洞一般埋深700~1200m，最大埋深近2000m，在完整岩体中可能出现岩爆现象。
3 开发方式拟定
电站采用混合式开发，即坝式+引水式开发，其中引水发电线路长约20km。厂房若布置在中部，较长的引水道和尾水道均须布置调压室以满足调节保证要求，双调压室系统水力学条件复杂，建筑物结构设计难度大。厂房布置于首部和尾部的方式均有可行性，但工程建设难度等差异较大，为便于比较研究，比较方案建筑物布置分别拟定如下：
（1）首部开发方式
顺发电水流方向，电站引水发电建筑物主要由进水口、引水隧洞、上游调压室、压力管道、发电厂房、尾水隧洞和尾水出口等组成。
引水系统2洞4机布置，每2台机组为一个水力发电单元。引水隧洞共2条，单洞长约20km，圆形断面，衬后洞径13.10m。上游调压室共2个，采用阻抗式长廊型调压室，布置在引水隧洞末端，每个调压室内布置2扇事故检修闸门。压力管道共4个，单洞长约210m，圆形断面，采用钢板衬砌，内径8.1m。发电厂房为地下厂房，共4台机组，单机引用流量297.35m³/s。尾水系统采用单洞单机布置，尾水隧洞共4条，单洞长约410m，城门洞形，衬后尺寸10×16m（宽×高）。
（2）尾部开发方式
顺发电水流方向，电站引水发电建筑物主要由进水口、压力管道、发电厂房、尾水支洞、下游调压室、尾水隧洞、尾水出口等组成。其中厂房布置同首部开发方式。
引水系统单洞单机布置。压力管道共4条，单洞长约711m，圆形断面，衬后洞径8.1m。
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尾水系统采用2洞4机布置，每2台机组为一个水力发电单元。尾水支洞共4条，单洞长约80m，圆形断面，衬后洞径11.70m。下游调压室采用阻抗式长廊型调压室，布置在尾水支洞末端，每2台机组共用一个尾水调压室，每个调压室内布置2扇事故检修闸门。尾水隧洞共2条，单洞长约20.4km，圆形断面，衬后洞径13.10m。
4 开发方式比较研究
电站首部开发方式和尾部开发方式引水发电系统洞线布置一致，水头损失主要为沿程水损，两比较方案的隧洞洞长、衬砌型式和引用流量均相同，水头损失基本相等。
根据规范公式计算，首部开发方式和尾部开发方式的调压室临界托马稳定断面面积分别约为1951㎡和1822㎡，可认为稳定断面面积基本相等，无明显优势。
电站进水口位于水库内，由于水库调节库容较小，水位相对较为恒定，长时间维持在正常蓄水位1987.00m和死水位1882.00m之间，水库消落水位仅为5.0m，上游调压室水位变幅小。电站尾水出口位于下游梯级电站水库库内，下游梯级电站水库为龙头水库，调节库容大、调节周期长，水位变幅区间为1880~1840m，消落水位高达40m，因此，下游调压室水位变幅大。经调保计算，首部开发方式上游调压室和尾部开发方式下游调压室的水位最大变幅分别为77m、105m，尾部开发方式调压室规模相对较小，对应结构设计难度小、工程投资少。
电站调节保证计算控制值包括水位涌浪极值、蜗壳压力极值、机组转速上升率极值和尾水管进口负压极值等，其中尾水管进口负压极值对机组安装高程有显著影响。上游调压室对机组安装高程影响较小。设置下游调压室的条件，以尾水管内不产生液柱分离为前提，机组安装高程较为敏感。经计算，同等条件下，首部开发方式的机组安装高程比尾部开发方式低约25m。由于发电厂房地面高程较高，首部开发方式的进厂交通洞、出线洞和施工支洞等辅助洞室布置难度较大。
尾部开发方式中引水隧洞纵坡主要为自流排水要求控制，坡度缓，隧洞沿线底板高程均可布置在河道自然水位以上，施工支洞采用顺向纵坡，全线可实现自流排水，节省抽排水费用且可明显降低施工中遭遇突涌水的风险。首部开发方式中尾水隧洞大部洞段为避免出现明满流交替的现象均须布置在尾水最低水位以下，沿线施工支洞不可避免采用逆向纵坡，施工期无法实现自流排水，抽排水费用昂贵且遭遇突涌水的风险徒增。因此，首部开发方式施工条件较差。
首部开发方式的地下发电厂房须临近拦河坝坝肩布置，受机组安装高程影响，发电厂房整体结构布置高程偏低。发电厂房临近上游水库，渗透压力大，防渗、排水设计难度较大。尾部开发方式地下发电厂房临近尾水出口布置，河道附近外水压力小，防渗、排水条件较好。
首部开发方式尾水隧洞无法实现自流排水，检修期全洞需要借助抽排设备排空。由于尾水隧洞长达20km，单洞水体总量约为275万m³，检修期需耗费大量能源和时间。相比较之下，尾部开发方式引水隧洞检修条件较好。
综上所述，电站首部开发方式和尾部开发方式在技术上均为可行，其中尾部开发方式枢纽布置条件、水力学条件、施工条件、检修条件等方面均有较明显的优势。在无特殊不利地质地形条件等情况下，应优先推荐电站尾部开发方式。
5 结论与建议
电站引水式首部开发方式和尾部开发方式各有特点，在本水电站工程中两方案技术上均可行，但相比较尾部开发方式在诸多条件上均有突出的优势，在无其它制约性因素影响的前提下，应优先推荐尾部开发方式。结合国内类似工程经验，电站引水式开发也通常采用尾部开发方式。
本水电站引水洞线局部洞段埋深超过1500m，高地应力破坏等问题可能较为突出，但在局部埋浅的洞段加大埋深对洞室围岩稳定是有利的，由于地形地质资料有限，本文未对洞室埋深进行深化研究。本工程首部开发方式引水隧洞和尾部开发方式尾水隧洞沿线埋深差超过100m，数值相当可观。水工隧洞沿线埋深的增大可能有利也可能不利，不能忽略洞室沿线埋深的影响，须结合实际情况综合分析。目前乌干达在建的Karuma水电站为长引水式水电站，因输水洞线埋深较小而采用尾部开发方式。
参考文献
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论文作者:鲍世虎
论文发表刊物:《基层建设》2017年第30期
论文发表时间:2018/1/18
标签：方式论文; 隧洞论文; 尾部论文; 电站论文; 水位论文; 首部论文; 水电站论文; 《基层建设》2017年第30期论文;