土贤庄水电站工程设计与优化

左燕霞

（河北省石津灌区管理局，石家庄050051）

土贤庄水电站位于石津总干渠土贤庄村，是石津总干渠规划的第3座梯级水电站，上游有杜童和田庄2座水电站，下游有规划中的紫城水电站。电站利用黄壁庄水库经总干渠的灌溉放水、汛前泄水和南水北调中线供水（以下简称引江供水）在跌水处形成的落差发电。黄壁庄水库除险加固工程的完成使灌区的灌溉用水得到有效保证，而南水北调中线工程的实施，又把引江水同灌溉放水相结合，使石津总干渠水量调配更加合理化和科学化。

该电站的兴建将使水力资源得到充分利用，增大水电在电网中的比重，同时扩大总干渠在市区内的水域面积，对提高灌区及引江综合利用效益，改善市区小气候，美化市容等至关重要。因此，电站的设计合理与否，将直接影响工程的运行、管理和效益的发挥。

1 自然条件

本站地处暖温带大陆性季风气候区，多年平均降水量507.2mm，降水量年内分配不均，多集中在6～8月，占全年降水量的70%左右，并且多以暴雨形式出现。年蒸发量1000～1200mm。年平均气温12 ℃～13 ℃，1月份平均最低气温-9 ℃，7月份平均最高气温32 ℃。年最大冻土深47cm。全年无霜期190～200d。年日照总时数为2629.5h，最大风速5m/s。

总干渠渠首多年平均放水量5.23亿m3，引江水经田庄分水枢纽到赵陵铺进入石津总干渠，常年通水，日平均流量20m3/s。从渠首到电站33.3km，区间无径流。

2 枢纽工程布置

电站采用河道旁侧式布置方式，工程规模为小（Ⅱ）型。石津总干渠为灌溉兴利渠道，基本不存在防洪问题。设计流量89.02m2/s，毛水头5.63m，总装机容量4800kW，安装2台2000kW竖井贯流式机组，1台800kW轴伸贯流式备用小机组。多年平均年发电量1298.60万kW·h，装机年利用3247h，水能利用率0.938。

该工程包括拦污栅、前池、进水闸、泄水闸、压力管道、主副厂房、尾水闸、尾水池等建筑物，全长139.975m，总宽度47.73m。泄水闸布置在右岸，3台机组并排布置在左岸，进水闸闸室段和压力管道，长16.9m，上部为电站的事故流道和3层副厂房，事故流道底高程66.313m，副厂房地面高程70.813m；下游主厂房和尾水段，长40.94m，机组的安装高程59.54m，在其上部为事故流道和敞开式安装间，安装间的高程70.103m。

该电站以一回10kV线路并入上游670m处红光变电站，电缆线埋入渠道南岸距离石家庄市二环快速路3.33m处，埋深1.0m，并网线路1.4km，输送容量

5630kV·A。

电站与外界连接方便，北侧距二环快速路13.27m，南侧距二环快速路4.43m，副厂房、安装间和3号机组的大门均布置在北侧与进场公路和东二环相连接。

整个电站的布置，除副厂房在地面以上，其余工程布置在地面以下，放水发电期间只能看到大面积的水域和副厂房，将成为石家庄市二环路的一道风景。

3 工程设计优化

进入施工图阶段，受石家庄市二环路提升工程的影响，电站的站址向上游移动170m，对电站设计进行了优化，两侧布置改为单侧布置方式。优化后建筑物结构和布置更为合理，工程量减少，便于施工，节省了工期和投资，同时运行和管理更加方便，尤其为二环快速路的建设提供了位置保障。

3.1 装机方案优化

初设方案仅选用2×2000kW的竖井贯流式机组，考虑在来水量不能使机组进行满发的情况下，发1台机和2台机出力相同，多余的水只够建立另1台机的空载，或只能维持另1台机在极低效率区运行，会造成这段时间单击容量的功率损失，出现弃水现象造成水源浪费，使电站无法正常发电。

经分析，若选用大小装机匹配，可以克服以上缺陷，因此，重新增加1台功率800kW的轴伸贯流式机组作为备用小机组，这样既可以应对灌溉期来水量不稳定的情况下流量和水头的变化，又可以在非灌溉期利用小流量的引江水进行长期发电，提高机组平均效率，增加发电量。

3.2 挡水建筑物优化

3.2.1 初步设计阶段

挡水建筑物为橡胶坝，设计坝长14.40m，宽8m，坝高3m。

3.2.2 施工图设计阶段

经多方面对比，将橡胶坝改为平面钢闸门。钢闸门具有以下优点：

（1）钢闸门使用寿命为50～60年，而橡胶坝10～15年就必须更换1次坝袋，坝袋更换必将增加投资。

（2）橡胶坝运行过程中坝体的振动、坝与河床及两岸的摩擦，以及漂浮的各种垃圾都可能导致坝袋的摩损。发生微小的漏气易于修复，若漏气面积很大，修复起来比较困难，投资大。

（3）橡胶坝需要2～3h才能完全升坝或塌坝，而钢性闸门采用启闭机，运行速度可达1～2m/min。该电站要求不超过2min即完成开闸和闭闸，才能有效地保证突发洪水时及时泄洪。

（4）橡胶坝一般须建1座供气站或水泵房，管路多且复杂，占地也多，而钢闸门仅仅配套2台卷扬式启闭机，结构简单，操作方便，启闭机配备手动装置，若发生停电或其他故障时可以手动操作。

泄水闸布置在1号机组的右侧，为钢筋混凝土结构，分为2孔，单孔净宽5.0m，高6.44m，闸室段长16.9m，宽12.8m；闸室底板为整体式，底板高程62.873m，闸墩顶高程70.813m。闸门采用平面钢闸门，闸门槽深0.3m，高5m，宽4.94m，配QPK2×160固定卷扬式启闭机；闸墩上设检修便桥、排架和T型梁，排架上安装启闭机，机座高程78.613m。

3.3 厂房布置优化

3.3.1 初设阶段

主厂房位于橡胶坝两侧对称布置，主厂房内密封后的竖井室和水轮机室及竖井两侧过水流道顶部为发电机组的事故流道。副厂房分别布置在橡胶坝上部和厂房两侧。

3.3.2 施工图阶段

由于场地面积减小，为了合理利用空间，考虑增加的3号机组与2台大机组的整体协调布置，使主机间布置更加简洁合理，3台机组油气水及电缆等各种管路更集中，为了减少工程量，节省投资，同时在运行的过程中，方便巡查和管理。厂房由双侧布置改为单侧布置。

（1）主厂房。地下主厂房并排布置在泄水闸的左侧，布置时将水轮机和发电机放在2个竖井中，高程56.2m，同时在发电机竖井内设稀油站、接力器和调速器。其中流道宽2.25m，高6.394m；发电机室宽3.1m，长8.4m；水轮机室宽3m，长8.083m；尾水段长12.78m。3 号机组主厂房长17.6m，宽9.8m，高15.523m。

主厂房内各层有足够的通道连接各部位，使厂房管理显得有序，运行维护也很方便。可以从3号机组进入高程63.74m的管理廊道，通过2号与3号机组之间宽0.9m的通道，向下游进入1、2号机组的廊道，由楼梯进入发电机竖井室高程62.140m处的调速器平台，通过爬梯进入56.2m高程处的稀油站。向上游为了合理利用空间，在中墩布置有楼梯，通过楼梯进入58.59m高程处，进入水轮机竖井室。在63.74m的管理廊道内，利用爬梯可以方便地进入流道内进行检修。

（2）副厂房。事故流道上部为3层砖混结构，功能分区更加合理。1、2层宽12m，3层宽17.1m，长度均为32.57m，地面高程70.813m，总高度13.25m，主要用于办公室。进水闸和快速闸门的闭机室布置在副厂房的第3层，可以直接从副厂房3层进入，方便操作和管理。

机组上面的70.103m高程为敞开式安装间，布置有5对牛腿，用来支撑吊车梁启吊机组，进行机组的拆卸与安装。牛腿的布置，充分利用了主厂房的基础，减少了厂房工程量和工程投资。

厂房不同层布置既满足了使用要求，也有利于通风和采光，减少能耗成本。副厂房、安装间的利用天然采光和通风。下游主机间通过屋面采光带和天井采光，其他部位主要采用人工照明。

4 结语

由于工程规模、结构形式、地质地形、水文气象和施工条件等诸多因素的影响和制约，水电工程具有独一性和不可复制性，设计和施工，都需要因地制宜，实时调整来更好地适应工程需要。装机方案、建筑物的选择合适，厂房布置合理，不仅能降低施工难度，缩短建设工期，节省投资，同时还方便运行管理。

［1］邯郸市水利水电勘测设计研究院.河北省栾城县水电站农村电气化建设土贤庄水电站项目初步设计报告［R］.2009.

［2］凌春海.红花水电站枢纽布置和建筑物优化设计［J］.人民珠江，2007（1）：58-62.

［3］黄麟芬.乐滩水电站工程设计优化与创新［J］.红水河，2006，25（2）：39-43.