金沙水电站枢纽布置设计研究

鄢双红 王志宏 夏传星

摘要：金沙水电站枢纽布置受到攀枝花城区布局、坝址区自然条件及周边环境因素影响。在各阶段勘察、设计及科研工作的基础上，经专题研究坝址、坝线及枢纽布置方案，选择了下坝址下坝线，提出了“左厂右泄、三期导流”枢纽布置方案。2021年10月，金沙水电站4台机组全部投产发电。目前，金沙水电站运行状况良好，表明该方案安全可靠、技术可行且经济合理。

关键词：枢纽布置; 坝址选择; 消能设计; 金沙水电站; 攀枝花市

中图法分类号：TV61 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.001

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0001 - 04

0 引 言

金沙水电站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，是金沙江水电基地中游河段“一库十级”规划的第九级，上距观音岩水电站28.90 km，下距银江水电站21.30 km。电站正常蓄水位1 022.00 m，总库容1.08亿m3，装机容量56万kW（560 MW），多年平均发电量21.77亿kW·h。金沙水电站的主要开发任务为发电，兼有供水、改善城市水域景观和取水条件及对观音岩水电站的反调节作用等综合功能。

金沙水电站位于攀枝花城区，具有低水头、大流量、高淹没的特点。根据工程开发任务、运行特点及国内外低水头径流式电站的设计经验[1-4]，通过坝址、坝线及枢纽布置的专题研究及相关科研论证[5-7]，解决了城区水电站选址、纵向围堰位置选择、高淹没出流消能等问题，确定了合理的枢纽布置方案。

1 设计基本条件

（1） 水文、泥沙条件。金沙江攀枝花河段处于干热河谷地带，多年平均气温20.9 ℃。坝址多年平均流量1 870 m3/s，径流量590亿m3，径流主要集中在6～11月。坝址天然多年平均输沙量5 120万t，含沙量0.868 kg/m3。

（2） 地形、地质条件。坝址区属中山峡谷地貌，山高400～700 m，呈不对称V型谷，两岸坡形均呈上陡下缓状，上部坡角30°～50°，下部坡角20°～25°。金沙江流向在503电厂由SE转折为NE，坝址处河流流向NE22°，河道较顺直。坝址区基岩为三叠系上统大荞地组（T3dq）、丙南组（T3b）碎屑岩及华力西期正长岩（ξ4）。第四系堆积物主要有人工堆积物、崩坡积物、冲积物等。左岸与河床基岩为华力西期正长岩。右岸为丙南组与大荞地组砂岩，呈单斜构造，岩层走向45°～85°、倾向SE、倾角30°～45°，走向与金沙江交角30°～55°，倾向上游偏右岸。坝址区构造形迹主要有挠曲、断层、层间剪切带、裂隙等。

坝址区右岸山坡分布有牛筋树堆积体和花石崖挠曲，下游有冷轧厂堆积体;金沙江左岸分布有503堆积体、狮子石强卸荷危岩体。

（3） 工程等别和设计标准。金沙水电站工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型，挡水、泄洪和电站等主要建筑物为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物，水工建筑物结构安全级别为Ⅱ级。混凝土重力坝、河床式电站按100 a一遇洪水设计，洪峰流量14 200 m3/s;1 000 a一遇洪水校核，洪峰流量18 000 m3/s;消能防冲建筑物按50 a一遇洪水设计，洪峰流量11 700 m3/s（考虑上游观音岩水电站调蓄）。工程场地的地震基本烈度为Ⅶ度，坝址50 a超越概率为10%的基岩水平峰值加速度值为120 cm/s2。

2 枢纽布置研究

2.1 布置原则

（1） 适应河谷地形地质、河段水文条件及城市周边环境制约因素，减少对上下游厂矿企业等的影响，发挥各建筑物功能，协调相互关系。

（2） 在满足下游城市河道泄洪安全及库区淹没等限定条件下，优先选择泄洪规模大、超泄能力强的泄洪设施，满足径流式电站的运行安全。

（3） 枢纽布置应结合导流方式统一规划，兼顾工程导流要求，考虑临时建筑物和永久建筑物相接合，充分发挥综合效益。

（4） 枢纽各建筑物布置应紧凑合理，方便施工，节省投资，便于运行管理。

2.2 枢纽布置面临的问题

2.2.1 城区水电站选址

金沙水电站位于攀枝花城市西区，是国内为数不多在城市区域布置的水电站工程。枢纽布置涉及的影响因素与其他工程不同，除地形地质基本条件外，还受到城市规划、坝址区厂矿企业分布、施工爆破震动限制等城市特有制约因素的影响，给金沙水电站坝址、坝线选择工作带来新的挑战。

金沙水电站在坝址选择时，对相距2.4 km的中、下两个坝址进行比选，两坝址地质条件相差不大、施工条件基本相当。其中，下坝址比中坝址多利用水头约2 m，发电效益可增加近2亿kW·h。鉴于下坝址具有明显优势，通常应将其作为大坝选址方案。然而，在金沙水电站下坝址左岸上游侧存在一个电冶厂企業，下坝址枢纽布置将涉及该企业的搬迁复建。因此，建设周期长、补偿费用多等成为制约下坝址方案的主要因素，一度给选址决策带来较大影响。后来，经业主不断与地方政府及相关企业进行协商沟通，在明确解决了拆迁补偿费、搬迁周期等问题后，确定了下坝址的选址方案。之后在坝线选择时，为了尽量远离电冶厂，减少前期施工爆破对其振动影响，只能考虑坝线下移，但下游约400 m处又分布有大型冷轧厂堆积体，受这些周边厂矿企业位置因素的影响，坝轴线只能在70 m长度范围内选择。

因此，对于城区水电站进行枢纽布置研究时，需兼顾城市总体规划布局，充分考虑外部环境制约因素影响，及时与地方政府及相关企业沟通协商，及早消除影响坝址、坝线及枢纽布置的潜在干扰。

2.2.2 纵向围堰位置的确定

金沙水电站采用三期导流施工，这是河床式电站常采用的导流方式。对于河床式电站，导流方案对工程枢纽布置影响很大，特别对于金沙水电站这样采用分期施工导流的工程，纵向围堰位置的选择至关重要。无论导流明渠设置在左岸还是右岸，首先要选择纵向围堰的合适位置。从减少导流明渠及其边坡开挖工程量方面考虑，纵向围堰应尽量靠向河床，但同时要求保护纵向围堰施工的一期围堰束窄河床不能过多，否则会使原河床流速过大，对一期围堰冲刷产生不利影响。纵向围堰位置对导流施工影响较大，直接关系到导流工程的施工进度及投资。同时，纵向围堰坝身段又属于永久建筑物的一部分，位置的确定是整个枢纽布置的起点。因此，纵向围堰位置选择需要权衡利弊、慎重考虑。

金沙水电站坝址处两岸岸坡呈“上陡下缓”状，均有条件布置导流明渠。在综合考虑导流明渠宽度、边坡开挖高度、一期围堰束窄河床度、一期围堰的防护难度等因素后，经左右岸位置比选并结合枢纽布置格局的研究，最终确定了在右岸布置混凝土纵向围堰的方案，为金沙水电站“左厂右泄”枢纽布置方案的形成奠定了基础。因此，对于类似采用分期导流的河床式电站，不能仅考虑将导流工程作为临时建筑物，其位置的合理确定对导流工程及枢纽布置格局都非常重要，需要重点论证。

2.2.3 高淹没出流消能问题

金沙水电站为河床径流式电站，具有“低水头、大泄量、高淹没”的特点。根据国内已建成的同类工程设计经验，对于淹没度较大的工程，由于消能不充分，容易导致下游河床受到冲刷。改善泄流条件、提高消能率是高淹没出流工程的难题之一。

金沙水电站泄洪水头较低，设计、校核工况上下游水头不大于6 m，50 a一遇洪水的水头差也仅7 m，且下游淹没度均大于0.6，属于大淹没出流。水工模型试验表明，若采用常规的平尾闸墩，水跃基本在表孔闸室内部，闸室内水流紊乱。同时，由于弗氏数低（Fr=2～3），下游淹没度大，消能率不高，出消力池后流速较大，对下游冷轧厂堆积体的防冲保护会产生不利影响。为了解决上述问题，研究了在闸墩末端设置宽尾墩的方案，通过对收缩比为0.4，0.5和0.6的宽尾墩体型进行对比研究，最终采用收缩比为0.5的Y型宽尾墩方案。设置宽尾墩后，各工况下的水跃跃首基本被推出闸室，未发现水花触及弧门支座的现象，且水流出消力池后与下游水流衔接平顺。金沙水电站采用的“Y型宽尾墩+底流消能”方式，较好地解决了低弗氏数、高淹没条件下的消能问题，确定了金沙水电站枢纽布置中泄洪消能方案。

2.3 枢纽布置方案

在解决了上述枢纽布置研究过程的主要问题后，经综合比选，金沙水电站最终选择了下坝址下坝线。采用了混凝土重力坝、河床式电站厂房、导流明渠分期导流方式，形成了“左厂右泄、三期导流”的枢纽布置方案。

金沙水电站主要由挡水、泄洪、生态泄流、电站厂房和鱼道等建筑物组成。河床及左岸布置电站廠房，右岸侧布置泄水建筑物;纵向围堰坝段以左布置3个泄洪表孔，以右布置2个泄洪表孔和1个生态泄水孔;鱼道布置在安装场左侧。金沙水电站枢纽布置见图1。

2.4 主要建筑物设计

（1） 混凝土重力坝。混凝土重力坝坝顶高程1 027.00 m，最大坝高66.00 m。坝轴线长度392.50 m，共15个坝段，从左至右依次为左岸非溢流坝段、安装场及机组坝段、河床溢流坝段、纵向围堰坝段、右岸溢流坝段、生态泄水孔坝段、右岸非溢流坝段。

（2） 泄洪消能建筑物。泄洪建筑物采用5个孔口尺寸为14.50 m×23.00 m的泄洪表孔。其中，纵向围堰左侧3孔，右侧2孔，表孔堰型采用WES实用堰型式[8]，堰顶高程999.00 m。下游采用底流消能型式，消力池底板高程988.00 m，消力池长90.00 m，河床内消力池末端设置高4.00 m的尾坎，明渠内消力池末端不设置尾坎。河床内消力池底宽54.50 m，明渠内消力池底宽45.50 m。

（3） 电站建筑物。电站厂房型式为河床式，安装4台单机容量为14万kW（140 MW）的轴流转桨式水轮发电机，厂房尺寸为231.80 m×96.50 m×84.20 m。电站建筑物包括机组坝段、安装场坝段、引水渠、尾水渠、排沙孔及拦沙坎、进厂交通公路等。电站建筑物沿坝轴线总长231.80 m，机组段长163.80 m，安装场长68.00 m，顺水流向宽度96.50 m。机组坝段上游为引水渠，下游为尾水渠。中控室、主变压器及GIS室均布置于主厂房下游侧尾水管顶部的下游副厂房内。

电站装机高程为997.50 m，坝式进水口底板高程为988.50 m，尾水管出口底板高程970.17 m，尾水平台高程为1 021.00 m。尾水渠长88.80 m，底宽163.80 m，尾水渠上游接尾水管出口，下游以1∶4的反坡接原河床。进厂交通由安装场下游侧进厂，对外接左岸进厂公路，厂前设回车场，高程为1 021.00 m。

（4） 过鱼建筑物。鱼道布置在电站厂房以左的岸坡上，全长约为1 486.00 m，设有3个进鱼口和2个出鱼口。鱼道主要建筑物包括：鱼道主体结构（进鱼口、过鱼池、出鱼口）、厂房集鱼系统以及补水系统等。过鱼池采用整体U型结构。单个过鱼池净宽3.00 m，长3.50 m，底坡1∶50，侧墙宽1.00 m，底板厚2.00 m。隔板采用单侧导竖式，隔板厚0.20 m，竖缝宽度0.40 m。

（5） 生态泄水建筑物。生态泄水建筑物采用1个生态泄水表孔，孔口宽度为6.00 m，堰顶高程1 007.00 m。采用底流消能型式，与明渠内泄洪表孔共用一个消力池，消力池底板高程988.00 m，消力池长90.00 m。

3 结 语

在金沙水电站枢纽布置方案研究中，综合考虑了攀枝花市城市规划布局、坝址地形地质条件、河势流态以及周边环境等因素。在各阶段勘察、设计及科研工作的基础上，经充分研究比较，最终选定的枢纽布置方案适应了坝址区基本条件，建筑物可满足各项功能要求，工程技术风险小，运行安全有保障。2020年11月底，金沙水电站首台机组投产发电。2021年10月，4台机组全部投产发电，目前工程运行情况良好。

参考文献：

[1] 胡进华， 杨本新， 周浪.乌江银盘水电站枢纽布置设计研究[J].人民长江， 2008， 39（4）：25-27，97.

[2] 林雪锋， 曾令华， 职承杰.亭子口水利枢纽设计方案研究[J].人民长江， 2009， 40（23）：10-11，104.

[3] 潘赞文， 农静.长洲水利枢纽工程总体布置介绍[J].红水河， 2008， 27（5）：32-38.

[4] 王常义， 黄俊， 张殿双. 大藤峡水利枢纽总体布置研究[J]. 中国水利， 2020（4）：7-10.

[5] 长江勘测规划设计研究有限责任公司. 金沙江金沙水电站可行性研究阶段坝址比选及枢纽布置格局专题报告[R]. 武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2012.

[6] 长江勘测规划设计研究有限责任公司.金沙江金沙水电站坝线及枢纽布置专题研究报告[R]. 武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2012.

[7] 长江勘测规划设计研究有限责任公司.金沙江金沙水电站可行性研究报告[R]. 武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2016.

[8] NB/T 35026-2014 混凝土重力坝设计规范[S].

（编辑：李 慧）

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