出居溝水電站尾水渠布置優(yōu)化設計方案的探討

趙群章， 王樹平

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 概 況

出居溝電站位于寶興縣永富鄉(xiāng)境內(nèi)，是寶興河流域西河規(guī)劃梯級規(guī)劃的龍頭水庫，為低閘引水式電站。電站水庫正常蓄水位1 806.00 m，總庫容 32.3 萬m3，具有日調(diào)節(jié)性能，沖擊式水輪機組裝機容量為2×37 MW，多年平均年發(fā)電量為3.32億kW·h，年利用小時數(shù)4 486 h。

寶興河在寶興縣城之上分為東河、西河兩源。流域內(nèi)地質(zhì)構造復雜，出露巖層以沉積變質(zhì)巖為主，有沙板巖、灰?guī)r、大理巖、千枚巖等，僅在寶興背斜部有少量花崗巖。東、西河上游，植被良好，原始森林茂密，水土流失不嚴重，據(jù)東河上游的磽磧水文站資料分析，年平均含沙量461 g/m3，多年平均輸沙模數(shù)153 t/km2。在東、西河的下游，高程2 100 m以下的山麓溝谷，出露巖層破碎且風化嚴重，崩塌、滑坡現(xiàn)象時有發(fā)生。兩岸沖溝發(fā)育，泥石流較活躍，河流縱坡較陡，泥沙輸移能力較強。加之受采礦開石、砍伐森林、陡坡墾殖等人類活動的影響，水土流失較為嚴重。據(jù)東、西河匯口下游的寶興水文站資料統(tǒng)計，多年平均含沙量673 g/m3，多年平均輸沙模數(shù)682 t/km2。出居溝水電站廠房建基高程1 316.00 m，附近原始河床高程約1 320 m左右，屬泥石流活躍區(qū)。

出居溝電站的開發(fā)任務為發(fā)電，同時兼顧下游減水河段的生態(tài)景觀用水及熊貓棲息地的相關要求。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)的規(guī)定，本工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。擋水建筑物為閘壩結構，最大壩高 22 m，最大閘高21 m，擋水建筑物級別為3級，引水系統(tǒng)和廠房等主要建筑物按3級設計，次要建筑物按4級設計。

2 廠區(qū)樞紐地質(zhì)條件

廠區(qū)河道較為順直，西河河流總體以S60°E流經(jīng)廠區(qū)，枯水期河水位高程1 300～1 320 m，河谷寬約130～150 m。廠房布置在沖積高漫灘上，高漫灘拔河高約1～3 m，地形平坦寬闊。廠房后坡基巖裸露，地形陡峻，自然坡度一般40°～60°， 廠區(qū)覆蓋層厚度一般大于50 m，按物質(zhì)組成和工程地質(zhì)特性可分為兩大層，由老至新依次為：

第Ⅰ層，含漂卵泥礫石層(pl+alQ4)：為洪積和沖積混合堆積，顏色呈灰褐色。

第Ⅱ層，含漂卵石層(alQ4)：系現(xiàn)代河床沖積物。

覆蓋層承載力滿足廠房建基要求要求。

3 初步設計階段廠區(qū)樞紐布置

發(fā)電廠房位于西河左岸的若壁小溝溝口上游約300 m的平緩灘地上，此處地形開闊、平坦，地基為含漂卵礫石層。根據(jù)地形地質(zhì)條件和廠區(qū)樞紐布置的需要，考慮壓力管道布置、尾水出流條件和廠區(qū)對外交通等因素，主廠房縱軸線方向為N68°W，與壓力管道主管垂直相交，基本平行于河道水流方向。

廠區(qū)建筑物由主廠房、副廠房、升壓站、尾水渠、回車場及進廠公路橋等組成。回車場、安裝間、主機間呈“一”字形排列，副廠房布置在主廠房的靠山側，升壓站布置在安裝間的靠山側。尾水渠正向出水，軸線方向與河道約成60°夾角。

初步設計階段的廠區(qū)樞紐布置示意見圖1。

圖1 初步設計階段廠區(qū)樞紐布置

4 尾水渠布置優(yōu)化設計

4.1 沖擊式水輪機組尾水出流特點

混流機組發(fā)電水流經(jīng)過轉輪后流入尾水管內(nèi)，水流連續(xù)有壓，尾水管的水流條件對機組的效率影響較大，每臺機組尾水管單機單管，兩臺機組共用一個尾水管從結構上無法實現(xiàn)。沖擊式機組發(fā)電水流經(jīng)過轉輪后流入尾水管是自由落體，尾水管內(nèi)水流呈明流無壓狀態(tài)，對發(fā)電機組效率無影響，因此兩臺以上機組共用一條尾水管是可行的，同時尾水管內(nèi)水流方向對機組效率亦無影響，只要尾水管內(nèi)過流能力及水位滿足機組運行要求，無論尾水管正向出流還是從側向出流對機組效率均無影響，見圖2、3。

圖2 尾水管正向出流剖面示意

圖3 尾水管側向出流示意

4.2 廠區(qū)樞紐布置優(yōu)化設計

初步設計階段，尾水渠布置在主廠房的下游側，出口處軸線方向與河道呈60°夾角。若廠房上游發(fā)生泥石流，可能順河道下泄堵塞尾水渠，影響電站運行及安全。近年來，寶興河流域泥石流頻發(fā)，河道淤積嚴重，初步設計方案尾水渠受泥石流及河道淤積影響較大，嚴重時可能影響電站的安全運行。

根據(jù)上述原因，技施階段調(diào)整廠區(qū)尾水渠布置型式，改正向出流為側向出流，兩臺機組共用一條尾水管。經(jīng)過尾水渠及尾水管水力學計算，出流能力及水位滿足要求。廠區(qū)建筑物包括主廠房、副廠房、升壓站、回車場及進廠公路橋等建筑物均保持初步設計布置不變，尾水渠調(diào)整至廠房下游側向，廠內(nèi)結構只是尾水管部分相應局部調(diào)整，改為側向出流。廠房上游側防洪墻向下游延伸至廠房下游，兼做廠房基坑圍堰，永臨結合。初步設計階段，兩臺機尾水管并列布置，尾水渠寬度19.6 m，調(diào)整為側向出流后，根據(jù)水力學計算結果，尾水渠寬度采用與尾水管同寬5.3 m即可，尾水出流能力滿足要求。廠區(qū)樞紐平面優(yōu)化布置見圖4。

圖4 廠區(qū)樞紐平面優(yōu)化布置

4.3 尾水渠采用側向出流的優(yōu)點

(1)解決了泥石流淤積尾水渠的問題，即使發(fā)生較大規(guī)模泥石流，只需在尾水渠末端進行清理，清理工程量相比正向出流小得多，后期維護費用低，尾水渠側向出流提高了電站運行的安全性。

(2)正向出流尾水渠兩側擋墻占用了河床行洪斷面，改為側向出流后，尾水渠不深入河床阻擋洪水下泄，增加了河道行洪寬度，保證了廠區(qū)汛期安全。

(3)初步設計方案的廠區(qū)防洪墻僅修建至安裝間，尾水渠直接面對主河道，廠房修建時需修建圍堰擋水。尾水渠采用側向出流方案后，廠區(qū)防洪墻延伸至尾水渠，同時可作為廠房基坑的圍堰，屬于永久工程兼做臨時工程，永臨結合，不必另外修筑圍堰，方便施工，節(jié)省了工程量，縮短了施工工期。同時，尾水渠工程量相比初步設計更加節(jié)省，有較好的經(jīng)濟效益。

5 結 語

(1)出居溝水電站廠房沖擊式機組尾水管內(nèi)水流為明流，尾水渠布置更加方便靈活，廠區(qū)樞紐布置根據(jù)現(xiàn)場地形地質(zhì)條件采用側向出流，布局更加緊湊，尾水出流與原始河流同向，出流更加順暢，尾水渠可有效規(guī)避上游推移質(zhì)引起的淤積問題，可供同類工程參考。

(2)出居溝水電站安裝2臺單機容量37 MW水輪機組，單機引用流量9.7 m3/s，額定水頭445 m。沖擊式機組一般發(fā)電水頭高，引用流量小，因此多臺機組并用一條尾水管過流能力容易滿足要求。

(3)廠房正向出流面對河床，由于受到尾水渠布置的影響，根據(jù)不同的地形條件，個別廠房基坑圍堰布置較側向出流可能存在施工干擾大或工程量相對較大等問題。

(4)并非所有沖擊式機組廠房正向出流都不如側向出流合理，具體采用哪種出流方式應根據(jù)現(xiàn)場地形、地質(zhì)、水文泥沙、廠區(qū)樞紐布置及廠房基坑圍堰布置、施工條件、廠區(qū)防洪設計等客觀條件具體分析。