天花板水电站枢纽布置研究

2011-04-14吴义航邓毅国王毅鸣

水力发电 2011年6期

吴义航，邓毅国，苏岩，王毅鸣

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

1 工程概况

天花板水电站位于云南省昭通市境内牛栏江上，为中下游两库十级开发的第七个梯级，坝址位于鲁甸县翠屏乡与巧家县铅厂乡境内，距昭通市80 km，是一座以发电为主的水电工程。天花板水电站主要由碾压混凝土拱坝、右岸引水隧洞及地面发电厂房等建筑物组成。水库正常蓄水位1 071.00 m，死水位1 050.00 m，总库容0.787亿m3，最大坝高107.0 m。电站总装机容量180 MW，保证出力43.5 MW，多年平均年发电量8.295亿kW·h。工程为三等中型工程，主要建筑物按3级建筑物设计。

2 自然条件

2.1 水文气象

牛栏江位于云南省滇东北地区，是金沙江右岸较大的一级支流，河流发源于云南省昆明市嵩明县杨林镇，流向大体为由南向北，在昭通市的麻耗村附近汇入金沙江。牛栏江干流全长440 km，流域面积13 672 km2，天花板水电站坝址以上控制流域面积12 711 km2，多年平均流量143 m3/s，年径流总量45.1亿m3，多年平均悬移质年输沙量1 403万t，多年平均含沙量3.11 kg/m3。

牛栏江流域大部分属于暖湿带高原季风气候，年温差大、日温差小，干湿季节明显，径流主要由大气降水补给，多年平均年降雨量881.8 mm。流域内的洪水主要由暴雨形成，暴雨多集中在6月～9月，占全年的97.6%，以7月份出现暴雨的机会多、强度大。由于河流的走向为由南向北，而暴雨走向大多为由北向南，因此下游水文站的洪峰出现时间有时会早于上游水文站。多年平均气温12.1℃，月平均气温以7月份最高，为20.1℃，1月份最低，为2.8℃，极端最高气温33.0℃，极端最低气温-11.5℃。多年平均相对湿度76%，多年平均风速2.2 m/s，最大风速21.3 m/s，风向NE，多年平均年蒸发量1 780.9 mm。

2.2 工程地质

天花板水电站枢纽区地震基本烈度为Ⅶ度。坝址位于天花板峡谷进口段，两岸地形陡峻，平均坡度为60°～80°，河谷呈 “U” 形。坝址基岩为震旦系东龙潭组粉晶白云岩和富藻粉晶白云岩，岩层平缓，倾向上游，单轴饱和抗压强度为36～70 MPa，属中硬岩，满足拱坝建基要求。右坝肩主要发育有陡倾角断层f11、f15，对抗滑稳定不利，需进行工程处理；左坝肩岩体相对较完整，岩石为弱～微风化，结构面分布较少，主要为顺河向垂直裂隙，主要断层裂隙有f5、L27、L28等等，需进行处理。引水系统位于牛栏江右岸山体内，满足上覆及侧覆岩体厚度要求，围岩岩性前半段为震旦系东龙潭组粉晶白云岩，后半段为震旦系澄江组长石石英砂岩夹粉砂质页岩，围岩以Ⅳ类为主，满足成洞要求。地面厂房位于牛栏江右岸38°～40°岸坡上，覆盖层厚15～20 m，下伏基岩为震旦系澄江组长石石英砂岩夹粉砂质页岩，满足厂房承载要求。

3 枢纽布置研究

天花板枢纽区位于牛栏江西坪村罗家梁子下游至曹家渡上游长约5.5 km的河段内，河底比降平均约为0.7%。上游河段长1.8 km，为天花板峡谷，两岸地形陡峻，岸坡平均坡度在60°以上，为 “U”形峡谷河段，地层岩性为震旦系东龙潭组粉晶白云岩和富藻粉晶白云岩；峡谷出口处左岸有较大支流清水河汇入牛栏江；下游河段长3.7 km，河谷稍宽，两岸岸坡平均坡度在40°左右，为 “V”形河谷，地层岩性为震旦系澄江组长石石英砂岩夹粉砂质页岩。

在该河段内，根据地形地质条件和水文条件，进行了坝址、坝型、泄洪方案、引水线路、厂址的枢纽布置比较研究。

3.1 坝址选择

对天花板峡谷至银槽子弯道中部3.8 km长河段内拟定的3个坝址进行了比选。上坝址位于天花板峡谷进口段，该处河谷狭窄，岸坡陡峻，两岸坡基本对称，平均坡度在65°以上，河床高程为989～991 m，河床宽30～40 m，河谷底宽约60 m，正常蓄水位高程河谷宽110 m，宽高比1.363，岩性为东龙潭组富藻白云岩、粉晶白云岩，岩层倾向上游，虽断层、裂隙发育，但岩石完整性好，以拱坝为代表性坝型，采用混合式开发方式。中坝址位于天花板峡谷出口段，该处河谷稍宽，两岸坡不对称，左岸陡峭，平均坡度在65°以上，右岸下缓上陡，平均坡度在50°以上，河床高程在985～988 m之间，河床宽约40～70 m，河谷底宽约100 m，正常蓄水位河谷宽约220 m，宽高比2.39，坝肩为富藻白云岩、粉晶白云岩，坝基为澄江组长石石英砂岩、泥质粉砂岩夹粉砂质泥质页岩，位于白云岩和石英砂岩角度不整合接触带上，且坝基砂岩倾向下游，为减少工程量，以右岸重力墩接拱坝为代表性坝型，采用混合式开发方式。下坝址位于银槽子弯道中部，该处河谷较宽，左岸平均坡度43°，右岸平均坡度53°，河床高程955.20 m，河床宽约30～50 m，河谷底宽约100 m，正常蓄水位河谷宽320 m，宽高比2.61，坝肩坝基均为长石石英砂岩、泥质粉砂岩夹粉砂质泥质页岩，岩体较破碎，以重力坝为代表性坝型，采用坝式开发方式。经综合技术经济比较，上坝址地质地形条件、工程量和经济指标明显优于中、下坝址，故上坝址为推荐坝址。

3.2 坝型选择

上坝址河床狭窄呈 “U”形，河床宽度仅30～40 m，正常蓄水位河谷宽约110 m，山体雄厚，岸坡陡峻，两岸无布置溢洪道的有利地形条件，并且牛栏江洪水较大，校核洪峰流量为5 650 m3/s，若采用当地材料坝作为挡水建筑物，对工程工期和工程投资等方面明显不利，因此对混凝土拱坝与混凝土重力坝进行了比较。上坝址虽两坝肩断层、裂隙发育，右坝肩还存在对坝肩稳定不利的较大陡倾角断层f11、f15，但经工程处理后能够满足拱坝坝肩稳定要求。从安全性分析，由于该地区多地震，拱坝作为一种特殊壳体结构超载安全度大，抗震性能较好，安全性高。虽然拱坝坝肩处理工程量大，但土建投资仍低于重力坝方案8 574.2万元，具有明显的经济优势。经综合比较，推荐拱坝坝型。

考虑到天花板坝址两坝肩持力岩体不甚雄厚，尤其是左坝肩下游侧卸荷裂隙较发育，地形呈倒喇叭形，为使拱端推力更好地向山里偏转，应选择较小的拱端推力角，使拱形偏扁平化，让坝肩能获得更好的稳定性和不敏感性。经对拋物线、椭圆、对数螺旋线三种拱坝拱圈形式进行比选，最终采用拋物线拱。

3.3 泄洪方案比较

天花板水电站坝址处两岸山体雄厚，岸坡陡峻，无布置岸边泄洪建筑物的地形条件，汛期洪水只能通过坝体宣泄；坝址处河谷狭窄，正常蓄水位的河谷宽约110 m，水库调蓄后最大下泄流量为5 046 m3/s，泄洪最大水头69.57 m，泄洪功率约3 500 MW，具有典型的窄河谷、大流量特点；仅靠布置表孔难以满足泄洪要求，还需要考虑布置其他泄洪设施。

因挡水建筑物采用碾压混凝土拱坝，为避免坝体开孔较多，影响坝体快速浇筑，结合坝址处地形地质条件，首先考虑坝身表孔和坝外布置泄洪洞的泄洪方案。该方案有导流洞和岸边泄洪洞两种布置方式。通过分析比较，采用导流洞方式存在保库排沙效果不好、改造后的导流洞检修困难、出口消能布置复杂、导流洞封堵施工压力大、工程风险大等问题；岸边泄洪洞方式虽然采取分流措施，对减轻下游消能负担有一定作用，但泄洪洞进口远，保库冲沙效果差，且工程量增加较多，不经济。因此选择坝身集中泄洪方案。

经多方案比选，采用 “3个表孔＋2个中孔相间布置”方案。该方案水流分散，有利于泄洪消能布置，鼻坎形式相对简单，泄洪冲沙运行较方便，对下游冲刷程度低，防护工程量小，坝体应力好。通过水工模型试验，选定中孔采用窄缝使水流纵向拉开，表孔采用前后高低错落及不同的挑角横向扩散但不冲刷两岸的泄洪方式，很好地解决了天花板坝址河谷狭窄、单位消能功率较大的问题。

拦河坝采用双曲拱坝，由于受河谷地形条件影响，拱坝中心线与主河道中心线不重合，存在4.3°夹角，选择泄洪中心线走向与河道走向一致，为NW300°。泄洪轴线半径取为311.5 m，并且定位于1、2号表孔堰顶处。

3.4 引水线路选择

天花板坝址峡谷段虽然岩性为东龙潭组富藻白云岩、粉晶白云岩，岩石条件较好，但两岸断层、裂隙发育，左坝肩发育的断层裂隙主要有f5、L27、L28等，右坝肩主要有f11、f15等，不适合布置地下厂房；并且两岸山势陡峻，河谷狭窄，无布置地面厂房的合适位置。天花板枢纽区河谷平均比降为0.7%，有利于混合式开发。

对于选定坝址，进行了左、右岸引水线路的比较。左岸引水线路总长3 186 m，由于左岸岸坡陡峻，进水口只能布置在距坝较远的上游，排沙廊道较长，运行管理不方便；跨过左岸较大支流清水河时，上覆岩体厚度不够，需明挖，存在两侧高边坡及清水河河底断层破碎带处理问题，工程量大；厂房处边坡较缓、较低，但地下水埋藏浅，施工难度较大。右岸引水线路可 “裁弯取直”，总长2 732 m，进水口距坝较近，仅35 m，排沙廊道短， “门前清”效果好，运行管理方便；引水线路全线满足上覆岩体及侧覆岩体厚度要求；厂房处边坡较陡、较高，但地下水埋藏较深，施工方便。右岸引水线路方案投资比左岸引水线路方案低5 707.74万元。因此，推荐右岸引水线路。

3.5 厂址方案选择

在清水河与牛栏江交口下游3.6 km长河段内，选择了上、下两个厂址方案。因清水河以下主要为石英砂岩夹粉砂质泥质页岩，岩石破碎，完整性差，故采用岸边地面厂房形式。

经对两个方案进行技术经济比较认为，上厂址方案引水线路短，水头损失小，施工支洞短，工程量省，调压井施工难度小，投资比下厂址方案低5 260.94万元；并且因两厂址间河道比较平缓，落差小，虽然下厂址装机容量增加了1万kW，但年发电量仅增加0.336亿kW·h，且总费用现值比上厂址方案高390.16万元。因此，推荐上厂址方案。

3.6 推荐的枢纽布置方案

天花板水电站枢纽布置采用混合式开发方式，大坝采用抛物线型碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程1 076.80 m，最低建基面高程969.80 m，最大坝高107.0 m，坝轴线长159.87 m，拱冠梁顶宽6.005 m，拱坝最大中心角93.3°，拱冠梁底宽22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。

泄洪建筑物采用坝身泄洪方式，表孔、中孔和排沙孔相间布置，3个开敞式溢流表孔堰顶高程1 062.50 m，WES堰型，孔口宽度10.0 m；2个泄洪中孔进口底板高程1 020.00 m，孔口尺寸5 m×6.5 m（宽×高）；表孔采用挑流消能方式，坝后设混凝土短护坦。泄洪轴线处溢流前沿总长度67.50 m。为保证电站进水口 “门前清”，在3号表孔右侧设置了1个排沙孔，接进水口前的排沙廊道，排沙孔进口底板高程为1 025.00 m，孔口断面尺寸为2 m×4 m（宽×高），采用挑流消能方式。

发电引水建筑物采用一洞两管式布置，由岸塔式进水口、引水隧洞、调压井和压力管道等组成。引水隧洞全长2 514 m，引用流量232.4 m3/s，圆形断面，内径8.2 m，采用钢筋混凝土衬砌，隧洞纵坡为0.5%。调压井采用露天阻抗式，圆形断面，内径23 m，井筒高72.32 m。压力管道主管长137.24 m，支管长分别为36.58、25.24 m，采用钢板衬砌；主管内径6.7 m，支管内径4.3 m。压力管道主管与厂房斜交，采用一管两机引用方式，钢岔管为 “Y”型内加强月牙肋板形式。

发电厂房采用地面厂房布置形式，主厂房尺寸为 68.5 m×22.2 m×47.5 m (长×宽×高)，其中主机间长43 m，安装间长25.5 m，安装场高程974 m，发电机层高程968 m，安装2台90 MW混流式水轮发电机组；副厂房布置于主厂房右端，主变室及运输轨道布置在主机间上游侧，GIS和出线塔架位于主变室屋顶；厂区地坪高程为974.00 m。