某水電站工程主要建筑選型方案及計算分析

李大仁

(嵊州市剡湖街道農業綜合技術服務站，浙江 嵊州312400)

0 引 言

目前，我國的燃煤量占據世界燃煤總量的50%以上，排放的CO2量超過美國和歐盟的總和，承受著來自國際社會的巨大壓力。我國具有地勢差距大、河流分布廣等地理優勢，水能資源世界第一，但目前只利用了其中的30%，所以開發潛力是巨大的。在這些因素下，水電站的發展必然有著良好的前途。水電站工程的主要建筑方案選型直接關系到工程的投資、科學合理性等重點問題，在設計和建造時需特別重視［1］。

1 工程概況

某水電站工程裝機總量為5 200 kW，等級為Ⅴ等，規模為小(2)型。主要建筑物按5 級建筑物設計，次要建筑物及臨時建筑物按5 級設計。該水電站所處地形較復雜，地質條件良好，工程主要由引水渠首、沉沙池、引水渠、壓力前池、壓力管道、廠房、尾水渠、泄水陡坡、退水渠、升壓站及生活區等部分組成。下面對一些主要建筑的選型設計和計算進行詳細介紹。

2 主要建筑的選型方案及計算

2.1 引水渠首的選型與計算

2.1.1 方案選型

從總體河道形狀來看，渠首若在上游修建，由于上游河道漸寬，主流擺動大，造成攔河工程量大，工程不經濟;若在下游修建，則河道變得窄深，會造成引水渠挖深很大，工程投資增大，另一方面也不利于水能合理利用。綜合考慮，最終確定引水渠首位置放在河段上游，據此提出兩種選型方案［2］。

2.1.1.1 攔河閘式

渠首采用攔河閘形式，由3 孔泄洪閘和1 孔進水閘組成，示意圖詳見圖1。該形式具有以下優點:

1)工程緊湊，投資較少。

2)3 孔泄洪閘沖砂靈活，閘前淤積少，由于設置了沉沙池，渠首防砂效果好。缺點是運行管理較麻煩。預計該方案投資為195 萬元。

2.1.1.2 閘、堰結合型式

渠首采用閘、堰結合攔河形式，渠首由1 孔沖沙閘、1 孔進水閘和溢流堰組成，進水閘與沖沙閘呈80°夾角，沖沙閘與河床底板同高，進水閘地板較沖沙閘底板高2.5m，溢流堰為薄壁堰，堰長60m。示意圖見圖2。該形式渠首設置了溢流堰，工程運行管理較方便。但具有工程投資大、溢流堰前淤積嚴重等缺點。預計該方案投資為220 萬元。

圖1 攔河閘式引水渠首

圖2 閘、堰結合式引水渠首

方案一的渠首平面布置緊湊，工程投資較小;方案二由于設置了溢流堰，在汛期運行管理較方便，但同時也增加了投資，由于只設置1 孔沖沙閘，堰前淤積比較嚴重。經過比選，最終選擇方案一。

2.1.2 水力計算

根據公式(1)，對泄洪閘的設置方案進行驗算［3］。

式中:Q 為流量值，m3/s;σs為淹沒系數，取為0.92;m′為無坎寬頂堰流量系數，取為0.345;n 為閘孔數，取3;b 為閘孔寬，假設為5m;H0為堰頂水頭，取3.3m。

計算得Q=125.58 m3/s;可見閘孔寬取3 孔5m略偏大，基本合適。

2.2 引水渠道的選型與計算

2.2.1 方案選型

水電站的動力渠道首先要滿足不沖不於流速，又因該電站冬季要發電，故要考慮渠道的輸冰流速(≥1.1m/s)。由于渠道的設計流量不大，所以只考慮暗渠方案。在此，擬定3 種方案:

1)方案一:城門洞形暗渠。

2)方案二:采用矩形暗渠，暗渠側墻為C25 毛石混凝土現澆結構。

3)方案三:仍采用矩形暗渠，暗渠側墻采用C25鋼筋混凝土扶壁式擋土墻結構。三者的詳細對比情況見表1。經過綜合比較，最終選定方案二作為優選方案。

表1 引水渠道方案比較表

2.2.2 水力計算

根據明渠均勻流公式(2)和(3)，得到引水渠道的水力要素表2［4］。

式中:Q 為流量，11.5m3/s;A 為過水斷面面積，m2;C 為謝才系數;R 為水力半徑，m;i 為渠道縱坡，取值0.001;b 為渠底寬，取值2.3m;m 為邊坡系數，取值0;h 為水深，m;計算得h =2.73m，確定Δh =0.52m，則H渠=3.25m。

表2 引水渠水力要素表

2.3 壓力前池的選型

壓力前池的主要作用是為壓力水管均勻供水，在機組的流量變化時起調節作用。一般壓力前池由渠道末端加深加寬設置的，主要部分有漸變段及池身、進出口管道設備等。特別要注意地基的穩定，要保證水流平順。結合本工程的實際條件，初步擬定了兩種壓力前池方案，具體如下。經過綜合比較，最終選取方案一作為本工程的最終方案［5］。

2.3.1 方案一

正面溢流、排冰、排砂，側面引水發電，采用虹吸進水方式見圖3。該形式的優點是采用虹吸進水，免除了冬季運行之困難，而且管道斷流迅速、徹底。缺點是需要設置真空破壞閥和真空泵，需保溫運行。預計投資119 萬元。

圖3 方案一的壓力前池示意圖

2.3.2 方案二

正面溢流排砂、側面引水發電，采用閘門進水方式見圖4。該形式的優點是采用閘門進水，進水室簡單管理方便。采用閘門進水，進水室簡單管理方便。缺點是溢流堰排冰不方便、排沙效果不好、冬季運行閘門啟閉受到冰凍影響。預計投資186 萬元。

3 結 語

主要建筑方案設計作為水電站項目的主要工程之一，對水電站日后的使用情況有著決定性影響。在方案選取時，應遵循“因地制宜、科學合理、經濟適宜”的總方針，技術人員要深入現場，多做調查研究，杜絕出現“大馬拉小車和小馬拉大車”的現象發生［6］。本水電站工程主要建筑的設計方案充分結合了當地的實際情況，具有很強的實用性和合理性。

圖4 方案二的壓力前池示意圖

［1］倪愛民，楊牧.沐若水電站建筑設計概述［J］.人民長江，2013，44(08):51－53.

［2］劉暢，蔡斌.論水電站廠房的建筑節能的設計及應用［J］.云南水力發電，2012，28(05):47－52.

［3］李龍，宋升.古爾圖河四級水電站引水渠的設計與施工［J］.中國水運:下半月，2012，12(01):192－193.

［4］張多新，王清云，馬文亮，劉東常.水電站引水壓力管道受力分析與結構設計研究［J］.水資源與水工程學報，2008，19(03):24－27.

［5］趙正飛.水電站長有壓引水系統水力過度過程若干問題的計算研究［D］.西安:西安理工大學，2010.

［6］劉妍.水電站工程施工組織設計方案評價研究［D］.長沙:中南大學，2013.