ATS水利枢纽工程厂址及厂房布置设计

2016-03-23孙红丽陈晓群

中国农村水利水电 2016年6期

孙红丽，陈晓群

(1.新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000；2.湖北省水利水电科学研究院，武汉 430070)

1工程概况

ATS水利枢纽工程是叶尔羌河流域内最大的控制性山区水库工程，在保证向塔里木河干流生态供水的前提下，以防洪、灌溉为主，兼顾发电等综合利用。本枢纽为大(一)型Ⅰ等工程。

枢纽工程由拦河坝、表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔放空排沙洞、发电引水系统、主电站厂房、生态基流引水洞及其厂房等主要建筑物组成。主电站装机容量700 MW，主电站厂房为2级建筑物。厂房设计洪水标准为200年一遇,校核洪水标准为500年一遇。厂房抗震设计烈度为Ⅷ度，基岩峰值加速度为221.0 gal。

2 厂区地形、地质条件

厂址区位于坝址下游河谷右岸，坡高300～550 m，自然坡度33°～70°，大多基岩裸露，坡脚分布崩坡积物和洪积物，岩层走向与边坡近平行，倾岸内或下游，厂址位于坡脚洪积台地上，呈缓坡地形，在河边形成5～8 m高的陡坎。

厂址区主要出露白垩系和第四系。白垩系岩性主要为块状细砂岩、块状粗砾岩、泥质砂岩、砂质泥岩，局部夹少量脉状及团块状石膏、中部夹白云质灰岩或白云岩。第四系主要有中更新统漂卵砾石层(Qal2)，具弱～微胶结；中更新统含土碎块石层(Qpl+dl2)，厚度20～30 m，局部泥质弱胶结至胶结，含直径1 m的孤石；全新统漂卵砾石层(Qal4)，结构密实。

厂址区无大规模断裂分布，主要发育顺层次及断层。

厂址区基岩裂隙水贫乏，水位略高于河水位。厂房底板位于地下水位以下20 m。厂房位于顺河条带状分布的坡脚洪积台地上，台地宽100～150 m，地面高程1 620～1 665 m，覆盖层厚度42～45 m，主要为崩坡积、洪坡积和冲积物组成。

厂房后边坡岩层倾向坡内，利于岸坡稳定，在1 655～1 700 m高程，岸坡较陡，局部倒坡，分布不稳定岩体，总方量约3 400 m3；1 760～1 995 m高程，形成总方量约3.38万m3的不稳定岩体；1 690～1 880 m高程局部堆积崩坡积含土碎块石，表层结构松散，下部局部见泥质弱胶结，总方量5.03万m3，需清除或防护处理。

厂房挖深40～50 m，基础主要为白垩系砂质泥岩和泥质砂岩层，局部分布弱胶结至半胶结的中更新统洪坡积含土碎块石层。河床砂卵砾石层地基承载力450 kPa，下覆基岩地基承载力为800 kPa。

3 厂区枢纽布置

3.1 厂址方案拟订原则

进行电站厂房布置时,厂址位置宜和枢纽其他建筑物布置相互协调统一，以保证电站正常运行，并考虑以下原则。

(1)根据上、下游水位衔接条件，引水洞线及厂址位置应尽量选择地形、地质条件、水文地质条件相对较优的地段。

(2)结合实际地形、地质条件(岩层、裂隙走向及倾向)，建筑物应尽量避开高陡边坡、滑塌体，满足减少开挖量并保证厂房后边坡稳定。建筑物应避开山洪沟水流的冲击。

(3)布置地下厂房方案时，洞室布置在地质构造简单、岩体完整坚硬、上覆岩厚度不小于2～3倍洞室跨度、地下水微弱及山体稳定地段，并避开大断层、节理、裂隙发育区、破碎带及高应力区。

3.2 厂址比选方案

工程区洪沟南侧0.5 km及1.8 km处河道右岸坡脚地形相对平坦，有布置地面厂址的地形条件。结合地形、地质条件，与下一级水电站工程正常蓄水位衔接的要求及发电引水洞布置，初选两个地面厂址方案(厂址一、厂址二)。结合发电洞沿线工程地质条件、同时考虑发电洞不设调压井为控制条件，在距发电洞进口1.0 km左右的山体中拟定地下厂址方案(厂址三)。

对3个方案从地形、地质，工程布置，机电布置，施工，移民占地，运行管理、工程投资等方面进行综合比较如下。

(1)地形、地质方面分析。在地形条件方面，厂址一发电洞穿越洪沟时，受地形条件限制需采用明管方案过沟，而厂址二无上述问题。两地面厂址区地形条件相似，厂房和调压井所处的山体自然边坡稳定，厂址基础均为第四系堆积物，岩性为坡积块碎石土和冲积砂卵砾石。地下厂址(厂址三)区山体雄厚，基岩裸露，厂址处岩石属中硬～坚硬岩，可利用坝址下游冲沟布置交通、出线及通风洞出口。

(2)工程布置方面分析。厂址一发电洞穿越洪沟时，受地形条件限制需采用明管方案过沟，尾水为衔接天然河道需采用长尾水渠方案，因厂基覆盖层较厚，其基础处理工程量较大，就地面厂址工程布置而言厂址二相对较优。厂址三洞室埋深较大，其附属洞室布置接地面较困难，且厂址三位于发电洞首部，靠近库区，厂址上游侧需增设帷幕灌浆廊道，以减少厂房排水廊道的工作压力，因此厂址三工程量较大。

(3)机电布置方面分析。地面厂址和地下厂址主机及升压设备在均采用户内式的布置形式，但地下厂房受埋深条件限制，地面出线场距地下升压站较远，其高压电缆相对较长。

(4)施工方面分析。两地面厂址地形较开阔，便于施工布置，施工干扰相对较少。地下厂址洞室开挖量较大，洞室开挖、支护、混凝土浇筑相互制约，但地下厂址的施工可不受当地气候条件的影响，可全年度施工。

(5)移民占地方面分析。地下厂址仅在交通洞、出线洞、通风洞出口存在工程永久占地，移民占地较小，地面厂址占地相对较大，尤其地面厂址一位于村内，移民占地投资大。

(6)运行管理方面分析。地面厂址采光通风条件良好，但高边坡在运行期间存在威胁安全运行的问题，需对边坡采取必要的保护措施。地下厂址虽避开了高边坡的影响，但其采光、通风、防潮条件相对较差，运行管理费用高于地面厂址。

(7)工程投资分析。经工程投资分析，厂址二工程直接费最小。虽然厂址二和厂址三电量相同，但厂址二工程直接费比厂址三少3 933.72万元。

综合考虑以上因素，推荐厂址为地面厂址二。

3.3 厂区布置比较

根据主变场的布置，拟定主变布置在副厂房上游侧平台上(方案一)，主变布置在副厂房内(方案二)进行比选(见表1)。

表1 厂区布置比较表

方案一厂区由主厂房、副厂房、开关站等组成。主厂房包括主机间和安装间两部分，安装间布置于主机间左侧；副厂房布置于主厂房上游侧与主厂房等长，副厂房包括二次副厂房、一次副厂房及户内升压站； 4台220 kV主变布置于副厂房上游侧开挖平台上，与发电机层同高，厂区在副厂房上游侧及尾水平台可形成环形通道，安装间下游侧布置回车平台衔接永久进厂路，尾水经尾水反坡及尾水渠投入下游河道。厂房永久边坡高度70 m左右。

方案二是将主变布置于副厂房内，减少副厂房上游侧平台开挖宽度，边坡可顺基岩强分化下限开挖，进而减少边坡石方开挖量，其余布置与方案一基本相同。

对两厂区布置方案进行优缺点、投资比较后，认为方案二能减少边坡的石方开挖工程量，且主变布置在副厂房内，对设备后期安全运行有利，投资较主变布置户外减少430.35万元，因而推荐方案二，即主变布置于副厂房内的方案。

4 厂房布置概述

厂区由主厂房、副厂房、开关站等组成。主厂房包括主机间和安装间两部分，安装间布置于主机间左侧；副厂房布置于主厂房上游侧与主厂房等长，副厂房包括二次副厂房、一次副厂房及户内升压站； 220 kV主变布置于副厂房内，与发电机层同高，厂区在副厂房上游侧及尾水平台可形成环形通道，安装间下游侧布置回车平台衔接永久进厂路。尾水建筑物由尾水闸墩、尾水反坡及尾水整治段组成。尾水闸墩后接1∶4反坡段，反坡末端经尾水整治段接天然河道。厂区布置见图1。

4.1 主厂房布置

主机间内设4台175 MW水轮发电机组，考虑发电机组风罩尺寸、机组间设备布置及检修通道的要求，确定机组间距为20.5 m，主机间长度为87.625 m；由主机间上游侧布置蝶阀、油压装置、调速器等对空间的要求，确定主机间上游侧宽度为16.2 m，主机间下游侧布置有中性点，考虑运行期通道及辅助设备的布置，确定主机间下游侧11.9 m。

图1 厂区平面布置图

安装间面积为一台机组扩大性检修的需要面积，考虑安装间与主机间同宽，确定安装间长度为33.3 m。主厂房尺寸为120.975 m×28.1 m×56.2 m。

根据一台机发电时相应电站尾水位为1 610.63 m，水轮机吸出高度Hs=-10.3 m，确定机组安装高程为1 600.35 m。考虑蜗壳顶板厚及上部设备布置的需要，水轮机层高程为1 603.90 m。根据水轮发电机组各控制高程，确定发电机层高程为1 614.50 m，为便于机组安装及检修，确定厂内检修层高程为1 617.00 m，安装间地坪高程同检修层高程。发电机层以上空间尺寸受吊车起吊高度控制，考虑起吊、检修需要确定轨顶高程为1 631.30 m。考虑桥机正常运行对净空的需要，确定屋面梁底高程为1 638.10 m。

4.2 副厂房及户内GIS开关站布置

副厂房按功能要求分为一次副厂房和二次副厂房。一次副厂房布置在主厂房上游侧；二次副厂房布置在主厂房安装间及一次副厂房右侧；一次副厂房与二次副厂房布置整体呈“L”型。厂房各建筑物布置见图2和图3。

图2 发电机层平面布置图(单位：m)

图3 厂房横剖面图(单位：m)

一次副厂房共分为五层，地下二层，地上三层。为便于厂内设备运行管理副厂房主变场与主机间检修层同高程(1 617.00 m)布置，开关站采用户内GIS设备，布置于主变场顶部。一次副厂房地下一层底板顶高程为1 607.85 m，布置有断路器、厂变、配电设备等；地下二层高程为1 613.50 m，布置有电缆等；地上分别为主变层、电缆通道层、GIS层、屋顶出线层。主变层高程为1 617.00 m，电缆通道层高程为1 624.65 m，GIS层高程为1 627.65 m，屋顶出线层高程为1 638.65 m。一次副厂房主变层高程为1617.00m，布置有4台220 kV主变压器、设备检修通道、10 kV高压开关柜等；电缆通道层布置有电缆；GIS层布置有GIS开关设备；屋顶出线层主要布置有阻波器、电压互感器和避雷器、出线架等；一次副厂房尺寸为120.975 m×16 m×32.3 m。

二次副厂房共分为三层，地下一层，地上二层。地下一层为电缆夹层，高程为1 613.50 m；地上分别为中控层、办公层和屋顶层，中控层高程为1 617.00 m，办公层高程为1 621.50 m，屋顶层高程为1 624.65 m；二次副厂房尺寸为44.3 m×16 m×12.05 m。一次副厂房分为五层，地下二层；地上三层。地下一层布置断路器、厂变等，地上分别为GIS夹层、GIS层、屋顶出线层。GIS夹层高程为1 627.30 m，GIS层高程为1 630.90 m，屋顶高程为1 641.90 m。4台220 kV主变布置在一次副厂房内，高程为1 617.30 m，副厂房尺寸123.0 m×16.0 m×35.0 m。