金橋水電站引水發電系統布置和結構優化

鮑呈蒼，韓 斌，蔡 超，王 浪

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710065)

1 工程概況

金橋水電站工程主要由首部樞紐工程(左岸堆石混凝土重力壩、泄洪沖沙閘、排漂閘、右岸擋水壩)、右岸引水發電系統、地下廠房、尾水隧洞等主要建筑物組成。

壩址以上控制流域面積4 230 km2，多年平均流量114 m3/s，水庫正常蓄水位3 425.00 m，死水位3 422.00 m，水庫總庫容41.28萬m3，調節庫容11.83萬m3。電站總裝機容量66 MW(3×22 MW)，多年平均年發電量3.57億kW·h，保證出力6.0 MW，年利用小時數5 407 h。工程為三等中型工程。

首部樞紐左岸堆石混凝土重力壩最大壩高27.5 m，引水系統總長約3.7 km，采用“一洞三機”的聯合供水布置形式。在引水隧洞豎井段同一軸線上設有阻抗式調壓井，引水隧洞下平段設有兩個“卜”形鋼岔管與3條引水支管銜接進入地下廠房。3條尾水支洞分別經尾水閘門井后，通過尾水岔洞合并為一條有壓尾水隧洞，采用“三機一洞”的布置形式，經出口的尾水閘室和尾水箱涵后接入下游河道。電站額定流量55.5 m3/s，額定水頭136.5 m。總體來說，引水系統具有額定水頭大，輸水線路長等特點。

2 引水發電系統地質條件

金橋水電站引水隧洞穿越右岸山體，山體高大、陡峻，洞身最大埋深近700 m，過溝段最小埋深120 m，隧洞穿越4條大溝，所穿越的溝谷都有經常性流水。洞室圍巖基本為微風化巖體，主要巖性為白堊系灰白色花崗巖、奧陶系變質石英砂巖，巖體完整性中等，圍巖以Ⅲ類及Ⅱ類為主；斷層破碎帶、影響帶及節理密集帶巖體均呈碎裂結構，圍巖為Ⅳ類，基本滿足成洞條件。

根據地形地質條件，地下埋藏式調壓井所處位置圍巖巖性為前奧陶系變質石英砂巖，斷層構造不發育，裂隙中等發育，圍巖完整性中等，為Ⅲ類圍巖，圍巖較穩定。根據引水發電系統的布置及洞室覆蓋厚度要求，調壓井布置于主廠房岸內約90 m處，上覆山體為NWW向條形山脊，洞室頂部圍巖厚度154～238 m，左側有較大的泥石流沖溝，右側側向埋深較大，左側頂部略小厚度約22.62 m。

地下廠房橫軸線方向NE13°，長83.8 m，跨度17.2 m，上覆巖層厚度220 m，圍巖巖性為前奧陶系變質石英砂巖。主裂隙面走向與廠房軸線夾角50°～70°，圍巖完整性中等，為Ⅲ類圍巖，圍巖較穩定，開挖后局部有掉塊現象，不存在大的塊體穩定問題，滿足成洞條件。

3 引水發電系統布置優化

金橋水電站壩址兩岸山勢陡峭，河谷狹窄，沿河岸平緩階地較少，綜合考慮兩岸地形地質條件、引水發電系統線路布置、地下廠房布置、交通條件、施工條件及工程投資等因素，確定引水發電系統布置在右岸，由岸塔式進水口、引水隧洞、阻抗式調壓井、壓力管道、地下廠房、尾水系統(尾水隧洞、尾水閘室、尾水箱涵)等部分組成。

3.1 引水隧洞布置優化

電站進水口緊鄰首部排漂閘右側，其前緣與壩軸線呈107.3°夾角。取水口總長8.5 m，底板高程3 412.00 m，布置有兩道5.0 m×8.0 m的主、副攔污柵。取水口經長26 m的漸變段與引水隧洞進水閘相連，進水閘閘室長11.5 m，寬8.5 m，孔口設一道4.8 m×6.0 m的事故檢修閘門，閘底板高程3 408.00 m。

引水隧洞采用“一洞三機”的聯合供水方式，電站額定引用流量55.50 m3/s，內徑為5.3 m。引水隧洞自進水口至2號施工支洞(樁號引1+825.85)坡度為4.11%，其后至調壓井軸線(樁號引3+537.24)坡度為0.05%。引水系統總長3 678.38 m，其中引水隧洞長3 330 m，在引水隧洞(樁號引3+330.00)處接壓力鋼管段，在壓力鋼管上彎段末端與豎井段在同一軸線上設有阻抗式調壓井，經壓力鋼管下彎段后接兩個“卜”形鋼岔管與3條引水支管銜接進入地下廠房。壓力鋼管主管內徑3.8 m，支管內徑2.2～1.8 m，連接上、下平段的轉彎段其轉彎半徑均為15 m。借鑒國內外水工隧洞新的設計理論和方法，對金橋水電站引水隧洞進行了如下設計優化：①根據引水隧洞的線路布置及工程地質條件，為便于開挖施工，將引水隧洞開挖斷面形式優化為馬蹄形斷面；②根據引水隧洞埋深及實際開挖揭露的地質條件，對于部分Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段取消鋼筋混凝土襯砌，采用掛網噴C20混凝土，厚度為10 cm；③對于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用鋼筋混凝土襯砌，厚度為55 cm，針對圍巖破碎洞段通過固結灌漿來改善圍巖力學性能，利用圍巖作為承載與防滲的主體。

3.2 調壓井布置優化

根據引水發電系統的總體布置，電站廠房為尾部式地下廠房。根據NB/T35021—2014《水電站調壓室設計規范》中有關調壓室的設置條件：當水流慣性時間常數Tw>[Tw]的允許值(2～4 s)時需設置調壓室。經計算，引水發電系統Tw=7.69 s>[Tw]，故為保證電站的運行穩定性，需設置上游調壓室，調壓室直徑12 m，阻抗孔直徑2.25 m，最高涌浪高程3 435.94 m，最低涌浪高程3 412.56 m。

結合引水發電系統調壓井的地形地質及施工條件，調壓井采用反井鉆機進行開挖施工，考慮施工支洞及反井鉆機的布置要求，對金橋水電站調壓井的布置及結構進行了如下設計優化：①將原可研階段設計的調壓井形式由氣墊式調壓室優化為阻抗式調壓井，節省了設備費用及運行管理維護成本，減少了工程投資。②為降低調壓井的開挖施工難度，阻抗式調壓井與引水隧洞豎井段布置在同一軸線上，以方便調壓井及豎井段開挖施工出渣。③根據調壓井相關計算結果，考慮調壓井頂部交通兼通氣洞以及底部安全水深后，確定調壓井頂部高程為3 438.50 m，底部高程為3 400.00 m，調壓井高度為38.5 m，井壁鋼筋混凝土襯砌厚度為0.9 m，在阻抗孔3 331.50 m高程處設置直徑為3.5 m的小井上接到調壓井底部，小井高度為68.5 m，井壁混凝土襯砌厚度為0.6 m。將調壓井沿高度方向分為大井、小井布置，減小了調壓井的開挖工程量。④為方便調壓井阻抗孔與壓力鋼管的連接，對小井段及阻抗孔均增加鋼襯，與壓力鋼管上彎段采用貼邊岔管形式連接。同時優化調壓井小井段的混凝土襯砌結構，其井壁采用素混凝土襯砌，并將其鋼襯兼作井壁混凝土襯砌的施工模板，以便加快施工進度。

3.3 壓力鋼管布置優化

在引水隧洞(樁號引3+330.00)處接壓力鋼管段，壓力管道進口及過沖溝段巖體以Ⅴ類圍巖為主，壓力管道走向為NW314°，巖層走向NW310°NE∠65°～80°，巖層走向與洞向近平行，對洞壁穩定不利，巖體整體穩定性差。

根據右岸引水發電系統的線路布置及地形地質條件，為保證引水隧洞在過沖溝段的施工質量，節省引水隧洞的開挖工程量和工程投資，對引水隧洞壓力鋼管設計進行了以下設計優化：①引水隧洞壓力鋼襯段采用“一洞三機”的聯合供水布置形式，在壓力鋼管下平段設有兩個“卜”形鋼岔管與3條引水支管銜接進入地下廠房，以減少引水隧洞的開挖。②壓力鋼管岔管體形采用月牙肋式，通過計算優化調整主岔管的最大公切球直徑及分叉角等，選擇合適的月牙肋板形式和參數，降低了岔管的焊接和肋板的制作安裝難度。③為降低壓力鋼管的外水壓力，減少鋼板厚度，在廠房第二層排水廊道布置壓力鋼管排水洞，洞內設置系統排水孔，有效地降低了壓力鋼管的外水壓力。同時，優化壓力鋼管加勁環的的厚度、高度及布置間距，通過計算分析，壓力鋼管段采用壁厚為22～24 mm的Q345C級鋼，節約了壓力鋼管的鋼材用量。④根據壓力鋼管的計算結果，經優化取消了壓力鋼管段混凝土襯砌的結構配筋，節約了工程投資。

3.4 地下廠房布置優化

金橋水電站廠房形式根據電站開發方式、總體樞紐布置要求、廠區地形地質條件、施工條件及工程投資等因素綜合考慮。根據地質條件，廠址區地層巖性主要為中厚層狀圍巖，巖性為前奧陶系變質石英砂巖，洞室圍巖分類為Ⅲ類圍巖，滿足修建地下洞室群的成洞條件，由此確定金橋水電站廠房采用地下廠房形式。

為減少地下廠房洞室的開挖跨度，提高洞室圍巖的穩定性，節省工程開挖量和投資，并使廠房內部布置緊湊，結構簡單，對地下廠房結構布置采取了以下設計優化：①主廠房、主變室(尾閘室)平行布置，洞室軸線NE13°，洞室間距30 m。主廠房、副廠房和安裝間呈“一”字形布置，安裝間布置于主廠房右側，副廠房布置在主廠房左側，使得廠房布置緊湊，結構簡單。②主廠房橋機支撐形式采用巖錨吊車梁結構形式，以減小地下廠房的開挖跨度。③根據巖錨梁軌頂高程，受安裝間下游側進廠交通洞的影響，在其范圍內無法布置巖錨式吊車梁，設計采用在交通洞兩側布置結構柱，在其范圍內采用梁式吊車梁，以減小地下廠房的開挖高度。④根據主、副廠房各層的高度及平面尺寸，考慮交通及機電設備布置條件，優化調整了主、副廠房的結構布置。⑤結合主變(尾閘)室的布置，將尾水管檢修閘門平臺布置在主變室下游側，優化主變室內部布置，取消了尾閘洞室的布置，減少了地下洞室的數量，加快了工程建設進度。

3.5 尾水系統布置優化

尾水系統包含尾水隧洞、尾水閘室及尾水箱涵等，其中尾水隧洞采用“三機一洞”的布置形式，尾水線路長77.85 m。尾水系統部位圍巖厚度173～200 m，洞室圍巖巖性為前奧陶系變質石英砂巖，斷層構造較發育，根據廠區斷層統計表，有NW280°～310°NE(SW)∠72°～85°和NE35°～40°SE∠38°～47°兩組斷層較發育，以平移斷層和逆斷層為主；裂隙中等發育，巖體質量相對略差。

鑒于尾水隧洞斷面尺寸相對較大，隧洞圍巖質量及成洞條件較差，對尾水系統的布置及結構進行了以下設計優化：①尾水隧洞由原設計的變頂高無壓城門洞形優化為有壓洞尾水隧洞，減小了尾水隧洞的斷面尺寸；②尾水隧洞采用“三機一洞”的布置形式，尾水管延伸段通過尾水閘門井后經尾水岔洞合并為一條尾水隧洞，減少了尾水隧洞的開挖及支護工程量；③尾水隧洞內水壓力主要由混凝土襯砌承擔，圍巖承擔抗力較小，通過計算工況的合理選取，適當考慮固結灌漿對圍巖抗力的提高，優化了尾水隧洞襯砌混凝土的結構配筋；④尾水隧洞經尾水閘室后將尾水渠的分離式擋墻優化為箱涵結構，解決了尾水渠砂礫石基礎的承載力低、沉降變形大等問題，同時也減少了混凝土工程量，節約了工程投資。

4 結 語

金橋水電站引水發電系統地下洞室群交叉眾多、地質條件復雜，為保證工程質量，節約工程投資，加快工程施工進度，在電站設計過程中，分別對引水隧洞、調壓井、地下廠房布置及尾水系統等進行了設計優化，不僅解決了工程設計與施工的技術問題，也節約了工程投資，加快了工程建設進度，做到了引水發電系統布置及結構設計安全可靠、經濟合理。