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 485 m，最大水头 540 m，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 kWh，年利用小时数 4690h，电站额定水头 485.00 m，单机发电流量 14.37 m3/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 云南硕多岗河吉沙水电站预可行性研究设计报告 222 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， 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。 8 在现场初步拟定了首部枢纽、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 云南硕多岗河吉沙水电站预可行性研究设计报告 444 26，非常适合采用引水式开发。电站最大水头达 540 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，、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 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。 8 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。 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 N297E，下游部分走向转 N320.75W，上覆厚度 90250m。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 16105m，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 110650m 水 头，采用地下埋管钢板衬砌。高压管道轴线方向为 N36.152E，采用一条主管斜井方 云南硕多岗河吉沙水电站预可行性研究设计报告 666 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 3.3m4.3m，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。施工期开挖支护类围岩采取随机锚杆、喷混凝土支护；类围岩采取系统 锚杆、挂网喷混凝土支护；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 9.33 m/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 2600m2675m 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 582136m。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 485 m，最高水头为 540m，单机引用流量 14.37 m3/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 23 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 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。 8 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-217.2/618.1，额定转速 428.6r/min，额定出力 61.5 MW，额定流量 14.19 m3/s；发电机型号 SF60-14/4650，额定容量 70.588 MVA，额定电压 10.5 kV，额定电流 3881 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 108.4m/s，最大出库流量 27.3m/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 14.5 km，隧洞沿线地质条件复杂，对于这样的长引 水隧洞工程，不