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冯家湾水电站枢纽总体布置研究设计

时间:2012-06-11 10:29来源:未知 作者:admin 点击:
[摘 要]冯家湾水电站是以发电为主,兼有多种功能的1座闸坝工程。从工程的坝址、坝型和枢纽布置3个方面进行多方案的定性和定量分析论证,确定其优选方案;同时,介绍本工程推荐方案的布置特点和进行设计工作的体会,可作类似工程参考。 [关键词]冯家湾 河床式 坝址 坝型 枢纽

[摘 要]冯家湾水电站是以发电为主,兼有多种功能的1座闸坝工程。从工程的坝址、坝型和枢纽布置3个方面进行多方案的定性和定量分析论证,确定其优选方案;同时,介绍本工程推荐方案的布置特点和进行设计工作的体会,可作类似工程参考。

[关键词]冯家湾 河床式 坝址 坝型 枢纽布置 工程特点

1 概 述

  冯家湾水电站位于湖北省县河流域十堰市竹溪县境内,距竹溪县城约20km,是以发电为主,兼有拦沙、养殖、解决人畜饮水等功能的1座闸坝工程,社会效益和经济效益相当显著。

  工程坝址控制流域面积798km2,多年平均流量15.94m3/s,水库正常蓄水位384.5m、死水位380m,总库容2252.9万m3、调节库容690.5万m3,库容系数1.35%,为日调节电站;本工程属三等中型工程,工程为混凝土闸坝,坝顶高程388.6m,最大坝高39.6m,坝轴线总长110.1m,其枢纽建筑物从左至右分别由左岸非溢流坝段、泄洪拉沙闸、河床式厂房坝段和右岸非溢流坝段等组成。冯家湾水电站装机2台、总装机容量6MW,保证出力0.831MW,多年平均发电量2260万kW·h。

  冯家湾水电站位于明家湾(祠)倒转向斜南西翼与丰坝倒转背斜北东翼之间,岩层走向215°~230°、倾向SW、倾角55°~60°,流域内出露的地层为一套寒武系——志留系下统梅子垭组砂质板岩,为横向河谷,岩体层面较为发育。地震基本烈度为Ⅶ度[1]。

  枢纽主要工程量:土石方明挖45790m3,石方洞挖900m3,土石方填筑7 554m3,混凝土浇筑48109m3,钢筋钢材549t,金属结构300t。

  施工导流采用全段围堰法隧洞导流,施工总工期20个月,其中准备工期6个月,第一台机组发电工期为12个月。工程静态投资4899万元,总投资5104万元,单位千瓦投资8165元/kW,单位电能投资2.17元/kW·h,经济内部收益率11.83%,经济净现值541.42万元,投资回收年限9.15年,全部投资财务内部收益率9.34%,上网电价0.36元/kW·h。

2 设计依据

2.1 工程等别及建筑物级别

  工程坝址控制流域面积798km2,水库总库容为2252.9万m3,电站总装机容量6MW。根据等级标准[2],本工程属Ⅲ等中型工程。据此确定拦河坝、泄洪拉沙闸、河床式厂房等永久性主要建筑物为3级,引水式厂房为4级,消能防冲、导墙、挡墙、护坡等永久性次要建筑物为4级。

2.2 洪水标准

  按照防洪标准[3]和安全标准[4]的规定,考虑水工建筑物级别和坝型,确定混凝土闸坝、河床式厂房按50年一遇洪水设计,500年一遇洪水校核;混凝土面板堆石坝按50年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核。消能防冲设施按20年一遇设计。

3 坝址比选

3.1 建坝条件

  坝址区地形为对称或基本对称的“U”型河谷,地层为志留系板岩,岩性为较软岩,总体防渗条件较好,断裂构造不发育;天然砂石料储量丰富,质量和数量可满足坝体填筑料和混凝土骨料的需要,运输较方便;本区域内有较为平缓的坡地和冲沟可供施工总布置用的场地。因此,冯家湾水电站坝址区具备较好的建坝条件。

3.2 坝址比选

  在冯家湾坝区拟定上下2个坝址进行技术经济论证:上坝址,即位于丰坝乡柏树村冯家湾上游约400m处,拟建坝高38.5m,为右岸岸边引水式电站;下坝址,即位于丰坝乡柏树村冯家湾,拟建坝高40m,为左岸岸边引水式电站。

  从地形来看,上坝址的河谷稍窄,呈斜切型不对称“U”形,在坝顶高程392m时,河谷宽100m,坝高38.5m,坝体较低,坝体断面较小,水库淹没范围小;而下坝址为横向型不对称“U”形河谷,在392m高程时,河谷宽度约111m,坝高40m,坝体较高,坝体断面较大,水库淹没范围大。

  从地质条件来看,上坝址与下坝址基本相似,上下坝址出露志留系下统梅子垭组地层砂质板岩,无断层但节理裂隙发育,坝基处理简单,处理工程量小;但下坝址为横向河谷,岩层倾角陡,倾向下游,坝基及坝肩抗滑、抗渗条件好,坝肩整体稳定性较好,防渗处理工程量较小。

  从装机规模来看,在坝顶高程相同的条件下,当两方案均采用相同的坝后式开发时,上坝址的可利用水头比下坝址的要低1.5m,装机容量略小。但是当追求装机规模相同时,上坝址的引水道加长400m,那么,引水道工程量增加。

  从施工条件看,对于下坝址,具有对外交通条件好,便于施工,目前已有一条简易公路直达本阶段推荐坝址,利于缩短工期;对于上坝址,则需要再修建一条下坝址到到上坝址的施工道路。

 从工程量看,在坝型和装机容量不变的情况下,上坝址坝体工程量略小,但引水道工程量大。

从投资看,下坝址略省123万元。

  综合上述技术经济比较,选择下坝址作为推荐坝址。

4 坝型比选

  坝址河谷宽高比虽为2.68,满足建拱坝的要求,但坝址河谷呈不对称“U”型,河床和两岸基岩为志留系下统梅子垭组泥质薄板岩夹炭质条带状泥质板岩,属于软岩,不适宜修建拱坝。根据建坝条件,考虑本工程规模小、大坝低的特点,笔者主要以常态混凝土重力坝(简称重力坝)、混凝土面板堆石坝(简称面板坝)和混凝土闸坝(简称闸坝)进行研究;本工程由于属于低坝,采用碾压混凝土不能充分发挥其优势,因此,笔者未考虑对其进行比选。

  从技术条件看,面板坝与重力坝相比,开挖边坡范围大,溢洪道、进水口、厂房开挖会产生高边坡,对工程施工、运行管理不安全;面板坝的引水道长,在调保成果相同的条件下,管径大、引水道工程量大;在引水道管径相同的情况下,引水道较长将使电站运行相对不稳定;闸坝引水道位于坝体内,引水道短,不存在调保成果不完全满足要求的问题。

  从施工条件看,面板坝施工简单,可以采用机械化,速度快、工期短,但施工需要采取全段不过水围堰导流,坝体本身不能过流,度汛不如重力坝灵活、方便,需要碾压密实,工序复杂;重力坝建筑物布置紧凑,可以采取分段围堰导流施工,坝体本身可以临时过流度汛,但混凝土工程量大,工期较长;闸坝混凝土工程最小,河床式厂房施工干扰大。

  从运行条件看,堆石坝占地面积大,建筑物布置分散,运行、管理和维护不便,溢洪道不能超泄;重力坝占地面积小,建筑物布置集中,有利于工程运行、管理和维护,溢流坝具有超泄能力;闸坝具有重力坝的优点。

  从经济条件看,闸坝混凝土工程量小,无坝体填筑量,总投资比面板坝略多46万元;重力坝混凝土工程量最大,总投资比堆石坝多1 450万元。

  经过上述技术经济综合比较,确定混凝土闸坝方案为推荐方案。

5 枢纽布置方案比选

 冯家湾水电站的2个枢纽布置方案的比选实际上是拉沙闸和厂房的布置比选。根据坝址的地形、地质及洪水特点,考虑泄洪拉沙闸与厂房应分设两岸,拟定了2个枢纽布置方案:方案一,即左岸拉沙闸右岸厂房;方案二,即右岸拉沙闸左岸厂房。

  从地形、地质条件来看,左岸地形陡峻,地质条件好,主河槽位于左岸,将泄洪拉沙闸布置在左岸,有利于保证拉沙泄洪的效果;右岸地形相对平缓,地质条件稍差,将厂房布置在右岸,避开了左岸的高边坡开挖,避免了因高差太大建筑物过于分散,有利于管理。方案一正好具有上述优点,方案二却不具备。

  从运行管理看,目前已有碎石公路直达右岸,按方案一布置有利于对外交通,便于运行、管理和维护;按方案二布置,电站厂房交通不便,需通过架设交通公路桥才能够得到改善。

 从工程量与投资看,方案二的工程量比方案一大,投资高出481万元,所以方案一较为有利。

  经上述技术经济比较和综合分析,方案一较方案二有利,故推荐选用方案一。

6 枢纽总体布置特点

  冯家湾水电站坝址为不对称“U”型河谷,相应河谷宽高比为2.68,通过对工程坝址、坝型和枢纽布置方案比选研究,本工程采用混凝土闸坝开发,具有以下特点[5]:

  1)冯家湾水电站的河道纵坡为3‰,坡降平缓,水能资源丰富,适用于采用河床式开发,避免了开设溢洪道。

  2)枢纽建筑物呈“一”字型排列,布置紧凑,坝轴线短,建筑物集中,有利于运行管理。

  3)泄洪拉沙闸布置在左岸,发电厂房布置在右岸。前者充分利用了左岸边坡陡峻、地质条件好,后者则利用右岸边坡平缓、但地质条件较差。河道主河槽位于左岸的特点,利于洪水归槽,增加溢流前缘长度,降低泄洪溢流单宽过流量;同时,不仅充分利用右岸现有对外交通公路,便于厂内外交通,勿需架设对外交通公路桥,而且避免了左岸设置厂房存在高边坡的问题。

  4)本工程坝基岩性较软,泄洪拉沙闸的单宽过流量相对较大:设计洪水时下泄单宽流量为74.4m2/s,校核洪水时下泄单宽流量为113.4m2/s,通过对泄洪消力池的处理,满足了工程正常泄洪运行要求。

  5)正常尾水位考虑与下游潘口水库正常蓄水位的衔接,并与潘口水库设计和校核洪水位的重叠,利用水库正常运行期增加水头,多发季节性电能。

7 结束语

  枢纽总体布置是一项涉及专业面广、综合性强的工作,在坝址、坝型和枢纽总布置方面需要认真研究工程出现的技术与经济问题,现将工作中的几点认识总结如下:

  1)为了充分利用水头,发挥工程经济效益,尽量在坝型相同、利用水能相同的情况下进行坝址论证;

  2)坝址洪水峰高量大,且河谷狭窄,所以要求尽可彻口宽溢流前缘、减少单宽流量,以便泄洪安全可靠、上下游流态好、不影陶各建筑物的正常运行;

  3)尽量将泄水建筑物布置在河床主河槽中央,力求少改变原有河势,并减少泄洪对下游河床的淘刷;

  4)应积极稳妥地采用现代筑坝技术、尽量减少工程量、节省工程投资,以便加快施工进度、缩短施工工期、争取提前发电;

  5)应充分考虑县河流域的含沙量,采取妥善的排沙措施,保证电站进水口的正常运行;

  6)在枢纽布置时,要考虑管理运行方便,厂房尽可能布置在完整的基岩上;

  7)应充分考虑下游潘口电站水库回水淤积和左岸泄洪拉沙闸对厂房尾水和厂房正常运行的影响;

  8)考虑本工程属于民营投资开发的情况,研究所推荐的枢纽总体方案必须先进、可行、效益最优。

参考文献:

[1] 中国地震动参数区划图(GB18306-2001)[S].北京:中国标准出版社,2001,(2).

[2] 水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)[S].北京:水利水电出版社,2000,(9).

[3] 防洪标准(GB50201-94) [S].北京:中国计划出版社,1994,(12).

[4] 水利水电枢纽工程等级划分及设计安全标准(DL5180-2003)[S].北京:电力出版社,2003,(2).

[5] 刘依松.庙子头水电站厂房设计及特点[J].三峡大学学报,2002,24(4):502-505.

 

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