硬梁包水电站尾水系统设计

硬梁包水电站尾水系统设计

邓瞻罗乾坤

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川成都610072）

摘要：电站尾水系统规模巨大，工程投资高，地质条件复杂。设计中，根据地形地质条件、枢纽与设备布置、施工条件、工程投资等，着重对尾水型式、尾水洞条数、尾闸室设计、断层F1、F2、F4及蚀变带的处理、尾水出口位置等关键问题进行了研究，提出了技术可行、经济合理、施工方便的尾水布置方案。

关键词：硬梁包水电站；尾水系统布置；围岩稳定；支护设计

1概述

硬梁包电站位于四川省泸定县境内，是大渡河干流上的第13个梯级电站。电站采用低闸长引水式开发，厂闸相距约14.4km。地下厂房内装4台单机容量270MW的混流式发电机组。尾水系统布置于左岸，其主要建筑物由尾水连接洞、尾闸室、尾水洞、出口闸墩及尾水渠等组成。

影响尾水布置的地质构造主要有：得妥断裂东西两支、F1、F2、F4断层、蚀变带、矿物定向排列等。得妥断裂从大渡河左岸岸坡穿越厂区，并在厂区上游分为东西两支。F1、F2产状N10°W/NE∠55°~60°，带宽分别为1.1m和0.3m，由片状压碎岩、局部夹碎粉岩组成。F4上盘产状N10°E/NW∠60~65°，下盘上、下游壁产状分别N40°~45°W/SW∠55°、SN/W∠50°，带宽2m~3.5m，由上下盘附近3cm~20cm碎粉岩及中部2m~3m碎裂岩组成。F4上盘至F1、F2所围限的岩体蚀变、矿物定向排列普遍发育，其方向以N10°~30°W/SW∠60°~80°为主，岩体各向异性特性较显著，并形成了数条蚀变带，遇水易软化，在局部探洞段发育英云岩团块，强度较低，地下水局部段较丰富，有承压性。

2尾水型式

电站尾水线路长，设计中曾研究过有压尾水洞+尾调室方案。由于电站设有上游调压室，若再设尾调室，将形成双调压室。根据《水工设计手册》双调压室稳定断面公式计算，单个尾水调压室的稳定断面为4761m2，两个共9522m2，若按长条形布置，尾调室总长约430m，宽23m，洞室断面尺寸过大，不具备布置条件。因此，采用了无压尾水洞+尾闸室布置方案。

尾水洞设计中，比较了“一机一洞”、“两机一洞”、“四机三洞”三种型式。前两者技术均可行，但“一机一洞”方案的洞子条数多，共四条，隧洞净断面9.6mx20.80m（宽x高）不小，且出口闸墩数量多，出口边坡开挖支护量大，工程总投资较大；后者水力单元难以划分，运行工况较复杂，不利于机组运行调节，缺点明显，不予考虑。经论证，为节省工程投资，尾水系统采用了“两机一洞”布置型式。

3尾闸室设计

3.1洞室格局

尾闸室的布置方案应根据尾水交汇型式及洞室格局来确定。设计中，曾研究了室内交汇与室外交汇两种尾水型式。为保证室内水流顺畅，前者要求闸室跨度较大，但其尾水洞布置简单，总的工程量相对较小，国内已建成的瀑布沟电站便采用了该种型式；后者闸室仅须满足闸门起吊要求，故室跨要求小，但尾水支洞较多，总的工程量较大。结合尾水系统的地质条件，室外交汇方案的尾水支洞交汇处大部分位于F4断层及蚀变带内，地质条件差，洞室稳定问题突出，施工难度大，故尾水采用室内交汇型式。

可研阶段，对主变室和尾闸室合并布置方案进行深入的研究分析。该方案变压器及GIS布置紧靠尾水闸门槽段，经布置，主变兼尾闸室开挖跨度达27.0m，与主厂房之间岩柱厚度55m。设计中，曾思考过缩小洞室跨度，紧凑布置，将变压器布置于上游侧，让主变搬运道与检修闸门空间共用，但由于尾水连接洞检修闸门尺寸大，尾水闸门起吊需采用排架柱系统，且排架柱高度大大超过了主变压器室高，影响出线布置，同时，检修闸门均是锁定在闸孔口处，主变运输不便，故需单设主变搬运道，增设防潮隔墙到出线层，主变兼尾闸室开挖跨度较大。该方案的地下厂房土建工程总投资与三大洞室独立平行布置方案基本相当，考虑到主变室与尾闸室合并后，尾水只能采用室外交汇，不利于洞室群安全稳定，故不采用此方案布置。

3.2尾闸室

尾闸室布置于主变室下游侧，与主变室平行，中间岩埂厚度36m。尾闸室中心线与主厂房中心线距离为120.60m。尾水连接洞采用单机单洞布置，隧洞断面尺寸9.6mx13.4m（宽x高），每两条连接洞在尾闸室内交汇后分别与1#、2#尾水洞相连。

尾闸室开挖跨度为15m，长度为154.30m，室高56.75m，中间设置厚度为17.10m的岩柱隔墙，在隔墙顶高程1142.00m以下，分为1#和2#尾闸室；1142.00m高程以上，两室连通，共用一套起吊设备。在闸室右端墙（顺水流方向）设交通联系洞与厂房、主变室连接。

为防止内水外渗，影响地下厂房运行及洞室围岩稳定，尾闸室周边设混凝土衬砌，衬砌高程高于校核洪水位，衬砌顶高程为1144.70m，1144.70m高程以上为喷锚支护，1144.70m高程以下衬厚为1.00m；同时，为保证衬砌结构，在1144.70m至1112.00m边墙衬砌段布置排水孔和敷设排水软管，底板处设逆止阀，以有效减少检修时墙后外水压力。

4尾水洞及尾水出口

4.1尾水洞

两条尾水洞平行布置，隧洞间距60m，采用城门洞型。1#、2#尾水洞分别长1065.36m、1164.48m，隧洞纵坡均为i=0。为顺畅连接尾闸室与尾水出口，隧洞平面上设一转弯点，转弯半径分别90m、150m，转弯角度为68°。经动能经济比选，采用16m的洞宽，流速V=3.68m/s。按等水头损失原则，结合电站尾水位和隧洞规范要求，经计算，尾水洞净断面采用16.0mx21.20m（宽x高）。

尾水洞洞身围岩主要以Ⅲ为主，但Ⅳ、Ⅴ类围岩占比较大，由于洞子开挖断面大，洞室围岩稳定问题较为突出。隧洞采用系统锚喷+钢筋混凝土衬砌支护。系统锚杆采用C28，L=6.0m，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩间、排距分别为1.5m、1.2m、1.0m；混凝土衬砌厚分别为0.65m、1.05m、1.35m。隧洞全线在顶拱120°范围内采用回填灌浆，并适当进行固结灌浆。

对于洞身段穿越的F1、F2、F4断层及蚀变带、英云团块等，地质条件差，施工中不可预见性较大，故采用弱爆破、短进尺，开挖前超前支护，开挖后及时系统支护的施工方案，初期支护可采用钢支撑、钢筋格栅支撑等和喷钢纤维混凝土相结合，并配合超前锚杆、随机锚杆、锚索及系统锚杆等，必要时采取管棚、预灌浆等其他超前支护措施以保证洞室的安全。

4.2尾水出口

尾水出口位置选择余地不大，靠向上游太多，不能充分利用水头，无法梯级斜街；若向下游布置，距得妥断裂东西两支太近，对尾水洞及出口结构极为不利，同时，为保证基岩进洞，尾水出口只能布置于妥断断裂上游约200米的观音岩处。该处边坡为基岩边坡，其下游紧邻崩坡积块碎石土覆盖层边坡，范围较大，不易扰动。

设计中，尾水出口采用“一洞一渠”布置方式，共布置2个尾水明渠。尾水出口底板高程为1122.00m，出口设有检修闸门，为方便与施工道路相连，出口闸顶部平台高程设为150m，闸墩长13m，外接尾水明渠。尾水渠长约45~65m，宽度由闸门出口的16m渐变为32m，并设较缓的反坡与主河道相接，末端设拦沙坎。尾水渠挡墙顶最大高程为1150.00m；为减少开挖范围，场平高程1150.00m。

5结语

通过论证，硬梁包电站尾水系统布置经济合理、技术可行、施工方便，为类似工程设计提供了借鉴。电站尾水系统规模大，地质条件复杂，涉及问题多，尽管主要技术问题，通过大量的分析研究，基本已得到解决，并获得了专家的认可，但由于各方面的原因，有些问题离付诸实施尚有一定的距离，仍需开展工作。

与大多数无压尾水系统相比，本电站装机容量较大，将主变与尾闸合并的布置方案优势不大，加之特殊的地质条件，采用洞室独立布置的方案较为合理。经研究，笔者认为尾闸布置于主变室内的方案更适合于地质条件较好的中小型电站。

参考文献：

[1]中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川省大渡河硬梁包水电站可行性研究报告，2015.

[2]刘嫦娥，牟春来，李旻，赵晓秋.道耶坎水电站引水发电系统及厂房设计，水电与新能源，2014（2）

[3]梁剑，谭清林.益地水电站地下厂房布置[J]，水电与新能源，2014（12）

[4]杨捷.小孤山水电站地下厂房布置方案确定和设计[J]，水电能源科学，2010（8）

作者简介：

邓瞻（1979-），男，湖北襄阳人，高级工程师，主要从事水工研究设计工作。