1吉沙水电站设计综述x

'硕多岗河吉沙水电站勘测设计及体会吴义航邓毅国掌于昶张红梅（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京，100024）摘要：吉沙水电站是一座以发电为主的水电工程项目。采用引水式开发，引水系统总长15.58km，为长引水工程。电站额定水头485m，最大水头540m，采用单机容量为60MW的冲击式机组，总装机容量120MW。本文概要介绍了电站工程的勘测设计，对类似的工程项目具有一定的参考意义。关键词：吉沙水电站长引水隧洞冲击式机组设计与布置1概述吉沙水电站位于云南省迪庆州香格里拉县境内的硕多岗河主河道上，是硕多岗河流域规划一库八级中的第二个梯级电站。工程主要由首部枢纽、引水隧洞、调压井、高压管道和地面发电厂房等组成。电站首部枢纽位于小中甸镇上吉沙村东侧1.5km处，厂房位于首部枢纽下游约20.7km的花椒坡村。水库正常蓄水位3132.00m，死水位3123.00m，设计洪水位3134.20m，校核洪水位3136.10m，水库总库容251.92万m3(天然)，调节库容109.09万m3（天然），为日调节水库。电站总装机容量120MW，多年平均发电量5.628亿kW×h，年利用小时数4690h，电站额定水头485.00m，单机发电流量14.37m3/s，采用引水式开发，引水系统总长约15.58km，为长引水工程。本工程建设单位为国电迪庆香格里拉发电有限责任公司。首部枢纽工程、高压引水管道、厂房土建及机电安装施工单位为葛洲坝集团第二工程有限公司；引水隧洞工程的施工单位为中铁十九局和中水十一局，工程监理单位为长江勘测规划设计研究院。电站主体工程量主要为土石方明挖68.79万m3，石方洞挖28.52万m3，土石方填筑4.50万m3，混凝土浇筑20.58万m3，钢筋和钢材11669t，压力管道安装2025.8t，金属结构安装247.4t。工程于2004年4月正式开工，2005年1月完成导流洞施工，当年河床截流；2004年10月开始大坝左右岸边坡开挖和支护，2005年6月开始坝体混凝土浇筑，至2007年12月坝基固结灌浆和帷幕灌浆结束，首部枢纽施工完成。引水隧洞工程于2004年5月正式开工，2007年5月全线贯通并开始衬砌和灌浆施工，至2008年7月完成（包括消缺施工）；引水隧洞5条施工支洞于2008年1月完成封堵。调压井开挖于2005年3作者简介：吴义航（1957--），男，安徽怀宁人，教授级高工，北京院副院长，长期从事水利水电工程设计。13 月开始，2006年6月结束，2007年11月衬砌完成。厂房开挖于2005年2月开始，2005年6月开始浇筑混凝土，2007年12月完成。机电和金属结构安装工程于2007年5月开始，2007年12月完成。吉沙水电站于2007年12月完成下闸蓄水验收，2008年1月开始下闸蓄水，2008年11月两台机组正式并网发电。2009年11月，吉沙水电站完成了工程竣工安全鉴定。2工程设计简要历程硕多岗河是金沙江左岸的一级支流，发源于云南省迪庆藏族自治州香格里拉县的楚力措。河流全长153.32km，流域面积1966.2km2，河口多年平均流量30.4m3/s，总落差2100m，平均比降13.7‰。河流规划(1992年由昆明勘测设计研究院完成)为一库八级开发：上游龙头水库为小中甸水库，以下依次为吉沙、一家人、吊江岩、冲江河、螺丝湾、月亮坪、黄草坝等8个梯级电站，利用总落差1671.6m，总装机容量340.9MW。吉沙水电站是硕多岗河流域规划一库八级中的第二个梯级电站，也是流域内继冲江河水电站（一期）和螺丝湾水电站开发的后续梯级项目之一。在规划设计阶段吉沙为单独开发，初拟装机容量为60MW。2002年12月，云南硕多岗河发电有限责任公司就吉沙水电站的预可行性研究、可行性研究、招标设计和施工详图设计进行招标，中国水电顾问集团北京勘测设计研究院（北京国电水利电力工程有限公司）通过投标，中标承担吉沙水电站的勘测设计任务。北京院在进行了多次现场查勘和充分的技术研究以后，提出了将吉沙水电站和下一个梯级一家人电站(规划装机40MW)合并开发的建议方案，并于2003年1月完成了《云南省迪庆州硕多岗河吉沙~一家人河段开发方式研究（补充规划）报告》，报告认为：从地形地质、水工布置、机组机型、电站出线、施工布置和工程投资等方面综合评价，吉沙与一家人合并开发优于分级开发。从规划补充阶段的成果看，合并后的电站工程总投资、单位电能投资、单位千瓦投资和电站的年利用小时数等均为国内中型电站中经济指标较优越的电站，具有良好的开发条件。2003年3月，补充规划报告在昆明通过专家咨询及审查。根据审查意见，合并开发方案有利于水能资源的充分利用，工程投资较少，同意两级合并成一级的开发方案，合并后的电站仍称为吉沙水电站。2003年1月，北京院组织地质、勘探、测量以及设计各专业人员进行现场踏勘，在现场初步拟定了作者简介：吴义航（1957--），男，安徽怀宁人，教授级高工，北京院副院长，长期从事水利水电工程设计。13 首部枢纽、引水洞轴线和厂址，同时对野外地勘和测绘工作进行了部署，预可行性研究工作全面展开。2003年2月，测量、地质、勘探等专业相继进点并开展工作；2003年5月，完成正常蓄水位初选和装机容量的比选工作，推荐本阶段正常蓄水位为3130m，电站装机容量为120MW；2003年6月基本完成了预可行研究阶段的野外测量、地勘、水库淹没调查、施工外部环境调查、施工道路、施工供电、施工主要用材调查等外业工作；完成了压力引水隧洞洞径的比选和高压管道条数的比选工作。初拟引水压力隧洞洞径3.3m；2003年6月完成首部枢纽位置选择论证工作，经综合比较，推荐首部枢纽位置在红旗桥下游约3km处。2003年6月完成《云南硕多岗河吉沙水电站预可行性研究报告》，同年8月通过云南省发展计划委员会组织的审查。由于预可研工作细致、基础比较扎实，在预可研之后只用了半年的时间，于2003年12月编制完成了《云南硕多岗河吉沙水电站可行性研究报告》，并于2004年1月通过云南省发展计划委员会组织的审查。2004年初吉沙水电站工程正式开工建设。北京院在安排做好招标和施工详图设计工作的同时，积极配合现场施工，保证现场技术供应和设代配合，直至2008年11月工程建成发电，以精心设计和优质服务赢得了业主和建设施工单位的好评。3工程设计与布置3.1设计标准与开发任务吉沙水电站是一座以发电为主的Ⅲ等中型工程。大坝、引水系统和发电厂房按3级建筑物设计。按中国地震烈度区划图，吉沙电站场地基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.2g，地震动反应特征周期为0.4s。主要建筑物采用洪水标准如下：大坝设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇；厂房设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为200年一遇；消能防冲建筑物设计洪水标准为30年一遇。吉沙电站位于硕多岗河落差比较集中的河道，无航运、过木要求。电站下游无防洪对象，也无灌溉供水要求。由于电站库容较小，调节径流能力有限，无力承担防洪、灌溉、供水等综合利用的能力，因此，电站的开发任务以发电为主。工程区硕多岗河吉沙村至一家人河段全长20余公里，落差500多米，平均比降达26‰，非常适合采用引水式开发。电站最大水头达540作者简介：吴义航（1957--），男，安徽怀宁人，教授级高工，北京院副院长，长期从事水利水电工程设计。13 米，水库水位变化对水头影响很小，但水库形成日调节库容对电站的电能质量十分重要。水库为一河道型水库，河道两边多为悬崖峭壁，形成库容较小。通过综合分析比较，考虑进水口的布置、满足电站发电所需日调节库容的需要，以及水库回水不淹没峡谷出口处的农田等因素，选择水库正常蓄水位为3132.00m，死水位3123.00m，设计洪水位3134.20m。3.2工程地质条件吉沙水电站工程区处于三江褶皱系弧形转变受急剧挤压而变窄处，地质构造复杂，区域稳定性较差。首部枢纽位于吉沙峡谷中，坝址上游约800m范围内，右岸为陡峭灰岩质岸坡，岩体完整性较好，冰积层主要分布于3200高程以上的平缓地带，结构密实，植被茂盛；左岸岸坡相对平缓，自然坡度约33°，基岩岩性为结晶灰岩和砂质板岩，砂质板岩板理发育，抗风化能力弱，容易剥蚀。水库两岸山体雄厚，两岸地下水分水岭均高于水库正常蓄水位，不存在向邻谷渗漏.条件。库岸多为灰岩峭壁，岩质岸坡稳定性较好。坝基岩体为石炭系中下统结晶灰岩，呈弱风化状态，节理发育，建基面岩体完整性较差，尚有软弱夹层、溶洞等地质缺陷。引水隧洞位于硕多岗河左岸山体内，围岩以灰岩和砂质板岩为主，并有少量的安山岩。由于受区域构造影响，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩分别为11.07%、42.04%、25.68%、21.21%，大部分洞段围岩稳定性差。由于引水隧洞较长，沿线地质条件变化大，大部分洞段地质条件差。厂房地基为二叠系砂质板岩夹灰岩，呈弱风化状态，完整性差。厂房后边坡高151m，上部为岩质边坡，无不利结构面组合；下部为崩坡积体，边坡总体稳定。3.3首部枢纽由于首部枢纽的工程量相对于总工程量所占比重不大，首部枢纽位置根据可形成日调节库容、满足水工建筑物布置条件、不淹没小中甸平原等因素确定。通过选择比较，选定的枢纽总布置方案为：首部枢纽位于红旗桥下游约3km的河段上。此段河道狭窄，宽度约20m左右，两岸山势陡峻，原始森林茂密，枢纽布置满足布置引水式开发的首部枢纽的要求，河道宽度能满足布置泄水建筑物的要求，采用导流洞方式导流。坝型为混凝土重力坝，坝顶高程3137m，最大坝高36.2m。作者简介：吴义航（1957--），男，安徽怀宁人，教授级高工，北京院副院长，长期从事水利水电工程设计。13 首部枢纽包括拦河坝、下游消力池、引水系统进水口等。坝顶总长74.75m，共分5个坝段。自右至左依次为右岸非溢流坝段（长22.3m）、表孔溢流坝段（长20.5m）、排沙泄洪底孔坝段（长11.5m）、左岸非溢流坝段（长14.5m）、左岸连接坝段（长9.75m），坝顶宽8m。大坝上游坝面铅直，下游坝坡坡比1:0.75。岸塔式进水口布置在左岸坝前约18m处，进水口底板高程3116.00m。3.4引水系统在引水线路的选择上，设计根据此段河段的地形、地质条件，对左岸和右岸引水线路进行了分析比较。硕多岗河蜿蜒曲折，右岸有两个大的回头弯道，如果采用右岸引水方案，顺河道裁弯取直布置方式，引水隧洞共四次跨越硕多岗河，采用地下埋管与明管相间设计，跨河段设置管桥，设计复杂，施工难度较大，投资也将增加。右岸引水方案如果采用为不跨河方案，引水线要增长约2km，不仅工程量增加较多，电站水头损失也较大。因此，从工程布置，建筑物的安全性、工程造价、运行管理、施工进度及复杂程度等方面比较，左岸引水线路优于右岸引水线路，为此，采用左岸裁弯取直的引水线路。引水系统由岸塔式进水口、长引水隧洞、阻抗式调压井、高压管道等建筑物组成。根据地形、地质条件，以及与大坝、厂房的相互关系，采用“一洞两机”的引水布置方式。各建筑物设计进行了水力计算，其水头损失、经济流速、调压井稳定面积、最高涌浪水位、动水压力等计算，满足规范要求。引水线路采用全埋藏式布置，系统总长15.58km。引水隧洞布置时，为尽量减小洞线长度，基本采用顺河道裁弯取直布置，同时使引水隧洞顶部和侧向均满足覆盖层厚度要求，围岩不产生水力劈裂。隧洞上游部分走向为N297°E，下游部分走向转N320.75°W，上覆厚度90~250m。调压井为引水系统衬砌型式变化的分界点，进水口至调压井段为压力引水隧洞，全长14.47km，设计水头16~105m，基本采用钢筋混凝土衬砌，调压井至厂房段为高压管道段，全长约1074m，设计水头较高，约110~650m水头，采用地下埋管钢板衬砌。高压管道轴线方向为N36.152°E，采用一条主管斜井方案，设二条中平段，厂房前约38m处分岔，分为2条支管下正向进厂。由于引水隧洞较长，沿线地质条件变化大，大部分洞段地质条件差。设计全线采用圆型断面，内径3.3m~4.3m作者简介：吴义航（1957--），男，安徽怀宁人，教授级高工，北京院副院长，长期从事水利水电工程设计。13 ，永久衬砌采用钢筋混凝土衬砌或喷锚支护，布置了固结和回填灌浆。施工期开挖支护Ⅲ类围岩采取随机锚杆、喷混凝土支护；Ⅳ类围岩采取系统锚杆、挂网喷混凝土支护；Ⅴ类围岩采取全断面钢格栅拱架、超前管栅、全断面系统锚杆和挂网喷混凝土支护。采取上述支护措施后洞室围岩基本稳定。调压井采用阻抗式，圆形断面，内径7.5m，井高104.11m。调压井后设事故闸门。调压室后为高压管道，长约1074m，主管内径2.6m、2.3m，流速5.41、6.92m/s，支管内径1.4m，流速9.33m/s。由于压力钢管埋藏较深，水头高，内压大，采用钢管外包混凝土衬砌结构，管外排水和灌浆的设计。3.5厂房与机组选型电站厂房位于虎跳峡镇花椒坡村，为地面式厂房。厂房后边坡山体上陡下缓，表层为崩坡积体。上部为岩质边坡，下部为崩坡积体。整个边坡共设5级马道，其中高程2600m～2675m段设计开挖坡比1：1.5，高程2675m以上为1：0.75。从厂区平台以上最高断面约160m，属高边坡。为了保证厂房整体长期运行安全，对厂房后山坡采取削坡减载方式处理，同时辅以系统喷锚～挂网等联合加固措施。厂区建筑物由主机间、安装间、上游副厂房和下游副厂房、尾水渠、开关站、机修间等组成，主厂房尺寸（长×宽×高）为58×21×36m。主厂房净宽18m，两台机组间距19m，安装场布置在厂房右端，长度18m。本电站额定水头485m，最高水头为540m，单机引用流量14.37m3/s，电站装机容量120MW，属于高水头中型水电站，机组安装海拔高程较高，适用于本电站水头范围的机型有冲击式和混流式水轮机。在厂房土建投资方面，冲击式机组尺寸长度和跨度都要大一些，但由于采用地面厂房布置方案，布置厂房的花椒坡村地形较为开阔、平缓，因厂房尺寸增加的土建工程量有限。由于国内500m水头段采用混流式机组的电站很少且无运行经验。即使是在世界范围内，对水头500m以上的混流式水轮机有成熟技术的公司也只有2~3家。综合考虑500m水头段冲击式机型技术较为成熟，生产厂家较多，有利于机组招标采购。并且电站的厂房布置方便、机组运行维护方便等因素，因此选用冲击式水轮机（进口转轮）。经招标选厂确定机组由昆明电机厂制造提供，水轮机型号CJKA001-L-217.2/6×18.1，额定转速428.6r/min，额定出力61.5MW，额定流量14.19m3/s；发电机型号SF60-14/4650，额定容量70.588MVA，额定电压10.5kV，额定电流3881作者简介：吴义航（1957--），男，安徽怀宁人，教授级高工，北京院副院长，长期从事水利水电工程设计。13 A。机组安装高程海拔2588.5m。4工程特点与体会吉沙水电站于2007年12月18日完成下闸蓄水验收，水库于2008年1月26日正式下闸蓄水。2009年水库最大入库流量108.4m³/s，最大出库流量27.3m³/s；最高库水位3133.05m，高于正常蓄水位，最低水位3123.35m，接近死水位。引水系统于2008年1月20日首次充水，发现一处渗漏遂停止充水进行消缺；2008年4月和2008年8月又经第二、三次充水并进行消缺处理；2008年11月13日第四次充水后，1号机于2008年11月19日并网发电，2号机于2008年11月21日并网发电。2009年8月18日由于电网原因，两台机组同时甩负荷，引水系统和发电机组经受考验、未见异常。吉沙水电站是具有高海拔、高水头、长引水隧洞、大容量冲击式机组等特点的常规水电站工程。电站建成发电已近三年，枢纽工程运行良好，机组发电运行情况正常。回顾吉沙水电站的设计和建设过程，有如下体会希望能对以后类似电站的工程建设有一些参考借鉴。（1）吉沙水电站引水隧洞长达14.5km，隧洞沿线地质条件复杂，对于这样的长引水隧洞工程，不仅要重视前期的勘探和隧洞的开挖、支护设计，对隧洞工程的施工管理更是保证工程质量的一个重要环节。吉沙引水隧洞首次充水由于存在渗漏等质量缺陷，先后两次经补强消缺处理，影响了发电工期，经验和教训值得总结。（2）长引水隧洞工程的施工分标和施工步序安排、工期控制应科学合理，尤其要重视根据施工队伍的能力和水平合理分标，以保证工期目标的实现。还要重视开挖与支护的进度协调（避免只顾开挖而不及时支护）、严格按设计要求衬砌与灌浆等，采取严格的施工管理措施，处理好施工进度与质量的关系，才能保证长引水隧洞工程的施工质量。（3）电站最高水头达540m，冲击式机组单机容量达60MW，国内外已投运或在建的类似冲击式水轮机不多，国产大容量冲击式机组就更少，因此，合理选择水轮机及其主要参数，对机组稳定运行具有重要的意义。吉沙电站设计结合国产或进口制造厂家的设计制造水平以及本工程的具体条件，通过技术经济方案比较，合理选择确定机组型式、台数及机组技术参数，取得了比较好的运行效果和经验，可以作为借鉴和参考。（4）吉沙水电站工程地处高寒山区，气候寒冷，生态环境脆弱，森林植被资源非常作者简介：吴义航（1957--），男，安徽怀宁人，教授级高工，北京院副院长，长期从事水利水电工程设计。13 宝贵。我们在电站设计过程中重视保护生态环境，尽量减少占地和取用当地材料可能对环境造成破坏。在建设施工过程中，把生态环境保护放在突出的位置上，施工结束注意生态恢复，环境友好、资源节约的理念值得肯定并应该长期坚持和发扬。（5）水电工程的建设应和当地的经济、社会发展紧密结合。吉沙水电站的建设为当地藏区脱贫致富，促进民族地区的经济和边疆社会安定有着十分重要的政治和经济意义。同时，为当地提供了廉价的电能，实现以电代柴，减少对森林的砍伐，促进生态资源的良性循环，不仅获得了经济效益，而且还有造福子孙后代的社会效益。作者简介：吴义航（1957--），男，安徽怀宁人，教授级高工，北京院副院长，长期从事水利水电工程设计。13'