五強(qiáng)溪水電廠常態(tài)運(yùn)行方式下的擴(kuò)機(jī)工程建設(shè)

焦華偉，陳曉輝

（1.五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南 沅陵 419600；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 引言

五強(qiáng)溪水電廠（以下多處簡(jiǎn)稱“電廠”）位于湖南省沅陵縣境內(nèi)，原總裝機(jī)容量120萬(wàn)kW （5×240 MW），設(shè)計(jì)年發(fā)電量53.7億kW·h，以兩回500 kV線路接入華中電網(wǎng)，是電網(wǎng)中調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)壓的骨干電廠，也是湖南省最大的水電廠。五強(qiáng)溪水電廠水庫(kù)位于長(zhǎng)江流域洞庭湖支流的沅水之上，正常蓄水位108.00 m，總庫(kù)容43.5億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容20.2億m3，具有季調(diào)節(jié)能力。

五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)工程設(shè)計(jì)裝機(jī)容量50萬(wàn)kW（2×250 MW），年平均發(fā)電量5.583億kW·h，項(xiàng)目投資21.45億元，是湖南省“十三五”能源規(guī)劃重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目，工程于2019年3月26日開(kāi)工。

本文結(jié)合五強(qiáng)溪水電廠的實(shí)際情況，分析討論在不改變水庫(kù)特征和電廠原設(shè)備常態(tài)運(yùn)行基礎(chǔ)上的五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)工程建設(shè)。本文對(duì)擴(kuò)機(jī)工程的前期研究和工程建設(shè)前期遇到的主要問(wèn)題及解決方法進(jìn)行介紹和梳理，為有需要的水電站或其他單位提供借鑒和參考。

2 前期研究

五強(qiáng)溪水電廠所在的沅水流域跨貴州、四川、湖南、湖北4省，是湖南省的第二大河流，干流全長(zhǎng)1 033 km，流域面積近9萬(wàn)km2，總落差近1 400 m，多年平均徑流量668億m3。由于沅水流域雨量地區(qū)性、季節(jié)性變化較大，5～7月暴雨居多，汛期來(lái)水過(guò)猛，電廠機(jī)組帶滿負(fù)荷的出庫(kù)流量也不足以平衡過(guò)度集中的來(lái)水，導(dǎo)致大量棄水，造成水資源的浪費(fèi)。

此外，隨著湖南省經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，GDP的年均增長(zhǎng)率在10%以上，同時(shí)電力需求也持續(xù)快速增長(zhǎng)。2013年湖南省全社會(huì)用電量1 423.09億kW·h，用電最大負(fù)荷26 190 MW，預(yù)測(cè)湖南省2020年、2025年全社會(huì)用電量分別約為2 140 億kW·h和2 579億kW·h，最大負(fù)荷分別約為43 400 MW和52 800 MW。除已建、在建及核準(zhǔn)的電源項(xiàng)目和確定的區(qū)外電力輸入，尚需新增裝機(jī)容量分別約3 300 MW和12 400 MW，電力缺口較大。同時(shí)，電力系統(tǒng)調(diào)峰容量不足，初步分析表明，2020年、2025年調(diào)峰容量缺額分別約2 900 MW和4 500 MW。根據(jù)湖南省的能源資源條件，引入?yún)^(qū)外能源將是滿足未來(lái)能源需求的主要手段，與此同時(shí)，對(duì)部分已建水電站進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)，通過(guò)擴(kuò)機(jī)建設(shè)提高水能資源利用率，也是緩解電力短缺壓力的一種有效和經(jīng)濟(jì)的途徑。

五強(qiáng)溪水電廠位于沅水干流中下游河段，壩址控制流域面積占沅水全流域的93% ，為沅水干流規(guī)劃梯級(jí)中最大的水電站，也是沅水干流開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵性綜合利用樞紐工程。電廠原有裝機(jī)容量（1 200 MW）下水量利用率為 80.69% ，與本地區(qū)同類水電站相比，水量利用率偏低。擴(kuò)機(jī)500 MW預(yù)計(jì)可增加年發(fā)電5.43 億kW·h ，水量利用率可提高到 89.97% 。設(shè)計(jì)上擴(kuò)機(jī)工程不新增水庫(kù)淹沒(méi)，工程占地面積小，無(wú)制約工程建設(shè)的環(huán)境問(wèn)題，單位千瓦靜態(tài)投資約3 936元/kW左右，單位電度投資約3.62 元/kW·h，工程建設(shè)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，且擴(kuò)機(jī)工程能進(jìn)一步發(fā)揮五強(qiáng)溪水電廠的水庫(kù)調(diào)節(jié)作用和水利資源潛力，既能利用棄水發(fā)電，又能增加調(diào)峰容量，對(duì)合理利用清潔能源，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)具有積極作用，符合湖南電力發(fā)展的要求，也可促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目從2004年開(kāi)始進(jìn)行勘查規(guī)劃研究，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院、湖南省發(fā)改委、能源局、中南院、長(zhǎng)江水利委員會(huì)、湖南省水利廳、湖南省國(guó)土資源廳、湖南省環(huán)境保護(hù)廳、中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等諸多單位及部門(mén)參與研究和審議，2018年底全部行政審批手續(xù)辦理完成，工程準(zhǔn)備總歷時(shí)15年，得到了省市縣和社會(huì)各界的關(guān)心支持，也凝聚了（五凌）公司歷任領(lǐng)導(dǎo)、職能部門(mén)和擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目部全體干部員工的智慧和心血。

2019年3月，五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)工程正式開(kāi)工。

3 工程基本情況

五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)工程位于五強(qiáng)溪水電廠大壩右岸側(cè)，工程設(shè)計(jì)要求不改變水庫(kù)原有特征水位及防洪庫(kù)容，主要利用五強(qiáng)溪水庫(kù)調(diào)節(jié)能力及夏季較豐、較急的來(lái)水發(fā)電，提高水力資源的利用程度，增進(jìn)效益，預(yù)計(jì)投產(chǎn)后每年可新增稅收約4 000萬(wàn)元，減排二氧化碳約47.21萬(wàn)t，具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益，為五凌公司打造“三個(gè)標(biāo)桿、建設(shè)一流清潔能源智慧企業(yè)”和助力國(guó)家清潔能源發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。

擴(kuò)機(jī)工程廠房位于大壩下游右岸側(cè)，布置在沅水支流小別溪原出口處，通過(guò)右岸兩條引水隧洞引水發(fā)電，進(jìn)水口位于原五強(qiáng)溪水電廠壩前攔污排邊墩前沿低埡處，設(shè)計(jì)安裝2臺(tái)容量為250 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)額定流量689 m3/s。擴(kuò)機(jī)工程引水隧洞、尾水隧洞進(jìn)出口邊坡主要是反向坡，無(wú)規(guī)模較大的順坡結(jié)構(gòu)面分布，整體穩(wěn)定條件較好。施工期間引水隧洞進(jìn)口上游巖坎受軟弱夾層影響，穩(wěn)定條件較差，需加強(qiáng)支護(hù)處理。引水系統(tǒng)地下洞室沿線巖層以微風(fēng)化中厚層狀砂巖、砂質(zhì)板巖為主，整體穩(wěn)定條件較好。引水隧洞受斷層帶、軟弱夾層影響部位以及調(diào)壓室下游直立邊墻受軟弱夾層影響穩(wěn)定性較差，需加強(qiáng)支護(hù)處理。進(jìn)水塔、地面廠房建在基巖上，地基穩(wěn)定條件較好。

4 建設(shè)工程施工條件

五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目進(jìn)水口、引水隧洞及尾水出口部分的工程建設(shè)，均需滿足干地施工條件，而五強(qiáng)溪水電廠作為湖南省和華中網(wǎng)調(diào)的骨干電廠，具有重大的防洪、發(fā)電、航運(yùn)作用，因此擴(kuò)機(jī)工程建設(shè)必須在原電廠的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)不受影響的情況下進(jìn)行，這對(duì)工程初期施工條件建設(shè)提出了考驗(yàn)。

工程采用引水隧洞進(jìn)水口和尾水出口全年施工的導(dǎo)流方式進(jìn)行施工，攔截上下游施工區(qū)域河水，因此需要澆筑進(jìn)水口圍堰和尾水出口圍堰。

進(jìn)水口圍堰（圖1）采用預(yù)留巖坎＋混凝土圍堰的方式，圍堰底部高程為EL98.5。基巖不足EL98.5部分澆筑水下混凝土，水下混凝土主要包括兩塊區(qū)域，①原電廠壩前清污機(jī)兩側(cè)開(kāi)挖回填邊坡；②17號(hào)沖溝。水下混凝土最大澆筑深度約6 m。

圖1 進(jìn)水口圍堰施工平面圖

在進(jìn)行圍堰深入設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，圍堰所跨17號(hào)沖溝基巖埋深較大，可能達(dá)14 m，較招投標(biāo)階段有較大變化。為確保圍堰安全，同時(shí)滿足工期進(jìn)度要求，在17號(hào)沖溝前增加一道土石子圍堰，以解決17號(hào)沖溝水下混凝土澆筑問(wèn)題。土石子堰設(shè)置在17號(hào)沖溝混凝土圍堰上游，坐落在現(xiàn)狀覆蓋層上，上下游坡比均為1∶1.5，堰頂設(shè)計(jì)高程EL98.5，寬度不小于5 m，堰體及覆蓋層采用高噴灌漿防滲，孔間距0.8 m，堰基及兩岸岸坡基巖采用帷幕灌漿防滲，孔間距2 m。

按照設(shè)計(jì)，進(jìn)水口圍堰建設(shè)完成后，進(jìn)水口擴(kuò)機(jī)工程建設(shè)施工對(duì)壩區(qū)水位沒(méi)有嚴(yán)格要求，庫(kù)水位最高可按正常蓄水位進(jìn)行調(diào)節(jié)，不影響原電廠的常態(tài)化運(yùn)行。

尾水出口圍堰采用土石結(jié)構(gòu)型式，也作為進(jìn)入原電廠廠房的常用道路，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，電廠總出庫(kù)流量不大于20 000 m3/s時(shí)，不影響尾水部分工程施工。2020年初，在沅水流域汛期之前完成建設(shè)，尾水部分?jǐn)U機(jī)工程施工不影響原電廠的常態(tài)運(yùn)行。

5 主要矛盾分析與解決

5.1 進(jìn)水口圍堰施工遇到的困難

2020年計(jì)劃利用汛期電廠水庫(kù)低水位階段修建進(jìn)水口混凝土圍堰，受年初嚴(yán)峻疫情及長(zhǎng)江流域汛情影響，進(jìn)水口圍堰施工滯后約5個(gè)月。而后土石子圍堰填筑過(guò)程中，庫(kù)內(nèi)水位上升至EL99，將部分已填筑至EL98.5的土石子堰淹沒(méi)，為避免基坑開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)庫(kù)水位過(guò)高導(dǎo)致建設(shè)工程淹沒(méi)的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)研究溝通，計(jì)劃在不影響河道的情況下，將進(jìn)水口圍堰頂高加高至EL110。預(yù)留巖坎及混凝土圍堰計(jì)劃分兩階段實(shí)施：開(kāi)挖預(yù)留巖坎，坎頂高程98.50 m，底部高程71.00 m，澆筑水下混凝土至98.50 m，施工時(shí)段2個(gè)月；澆筑圍堰上部混凝土至103.00 m，巖坎進(jìn)行帷幕灌漿后，繼續(xù)澆筑圍堰至堰頂高程110.00 m，施工時(shí)段2個(gè)月。

為了確保進(jìn)水口混凝土圍堰施工按期完成，2020年6月，聯(lián)合（五凌電力）公司集控中心對(duì)后期施工計(jì)劃及庫(kù)水位控制情況如下：

第一階段：庫(kù)水位控制在98.50 m左右維持8 d，主要進(jìn)行土石子堰高噴、兩端蓋重混凝土及101.00 m以下部分混凝土圍堰的澆筑工作，子堰等全線達(dá)到101.00 m的擋水高程。第二階段：庫(kù)水位控制在100.50 m以下維持14 d，主要進(jìn)行預(yù)留巖坎17號(hào)沖溝位置基礎(chǔ)開(kāi)挖及98.50 m以下混凝土回填、子堰帷幕灌漿工作。第三階段：庫(kù)水位隨施工進(jìn)度由100.50 m可逐步蓄至102.50 m，工期10 d，主要進(jìn)行混凝土圍堰103.00 m以下混凝土澆筑、帷幕灌漿工作。第四階段：庫(kù)水位隨施工進(jìn)度由102.50 m可逐步蓄至108.00 m，工期30 d，主要進(jìn)行混凝土圍堰103.00～110.00 m高程混凝土澆筑、帷幕灌漿工作。

然而2020年的水雨情形勢(shì)過(guò)好，長(zhǎng)江流域中上游頻發(fā)洪水，洞庭湖水位居高不下甚至超警戒水位，汛情嚴(yán)重，按長(zhǎng)江委及湖南省防指防汛要求，五強(qiáng)溪水庫(kù)汛期為長(zhǎng)江中下游區(qū)域攔洪錯(cuò)峰，保持高水位運(yùn)行。

至2020年12月底，五強(qiáng)溪庫(kù)水位106.46 m，擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口圍堰建設(shè)一直不具備施工條件。

5.2 積極研究協(xié)調(diào)，進(jìn)水口圍堰建設(shè)順利完成

五強(qiáng)溪水電廠承擔(dān)著電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等重要任務(wù)，對(duì)湖南省及華中電網(wǎng)運(yùn)行方式影響重大，但進(jìn)水口圍堰建設(shè)滯后對(duì)擴(kuò)機(jī)工程后期施工進(jìn)度影響較大。經(jīng)過(guò)多次專題研究，在原電廠常態(tài)運(yùn)行的前提下協(xié)調(diào)（五凌電力）公司相關(guān)職能部門(mén)和華中網(wǎng)調(diào)分中心，科學(xué)控制五強(qiáng)溪水電廠庫(kù)水位消落。

2021年1月份開(kāi)始，電廠加大發(fā)電方式，2月底將水庫(kù)水位逐步消落到EL98.5 m以下，進(jìn)水口圍堰建設(shè)滿足施工條件。

2021年4月，擴(kuò)機(jī)工程進(jìn)水口圍堰全線澆筑至設(shè)計(jì)高程，為進(jìn)水口區(qū)域施工打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為汛期時(shí)擴(kuò)機(jī)工程建設(shè)樹(shù)立了屏障，保障工程“無(wú)約束條件”施工。

6 總結(jié)

隨著進(jìn)水口圍堰建設(shè)完成，五強(qiáng)溪水電廠擴(kuò)機(jī)工程施工部分，對(duì)原電廠設(shè)備運(yùn)行和庫(kù)水位不再有任何影響，完整構(gòu)建了“原電廠常態(tài)運(yùn)行和新擴(kuò)機(jī)工程施工互不影響”的運(yùn)營(yíng)模式。

五強(qiáng)溪擴(kuò)機(jī)工程建設(shè)是在科學(xué)研究的基礎(chǔ)上探索新思路，從可行性研究到籌建，再到實(shí)際工程建設(shè)的過(guò)程，凝聚著很多智慧和經(jīng)驗(yàn)。工程當(dāng)前仍處于建設(shè)期，處處都是新道路，步步都是新臺(tái)階，五強(qiáng)溪水電廠作為湖南省最大的水電廠，也是全國(guó)一流的水電廠，不斷在管理模式、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)等方面大力發(fā)揮聰明才智，本文總結(jié)介紹的已經(jīng)取得的經(jīng)驗(yàn)和良好實(shí)踐，謹(jǐn)供行業(yè)有需要的單位予以參考。