金沙峡水电站工程布置及建筑物.docx

1、金沙峡水电站工程布置及建筑物5 工程布置及主要建筑物5.1 设计依据5.1.1 工程等别及建筑物级别金沙峡水电站工程为低坝引水径流式电站,装机容量为70MW,根据水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)的规定,本工程属等工程,主要建筑物按3级设计，次要建筑物及临时性建筑物为5级。5.1.2 设计标准电站设计保证率为P=85%；电站水平年为2010年；5.1.3洪水标准 根据水利水电工程等级划分及洪水标准，洪水标准确定为：（1） 枢纽 设计洪水频率P=2%，Q=1670m3/s。 校核洪水频率P=0.2%，Q=2440m3/s。 （2） 厂区 设计洪水频率P=2%，Q=1680m3

2、/s。 校核洪水频率0.5%，Q=2150m3/s。（3）隧洞（黑龙沟涵洞防洪）设计洪水频率P=10%，Q=15m3/s（4）泄水建筑物消能防冲设计的洪水标准设计洪水频率P=3.33%，Q=1500m3/s5.1.4设计基本资料（1）气象:历年各月极端最高气温 30C历年各月极端最低气温-28C多年平均气温3C多年平均最大风速21m/s最大冻土深度1.48m（2） 水文多年平均流量81.7m3/s.（3） 泥沙、冰情多年平均悬移质输沙率63.1 kg/s多年平均含沙量0.76kg/m3多年平均悬移质输沙量199万t（4） 水位枢纽正常水位：2166.9m。枢纽设计洪水位：2166.9m。枢纽校

3、核洪水位：2167.6m。调压井最高涌浪水位：2185.33m。调压井最低涌浪水位：2148.41m。厂房正常尾水位：2085.5m。厂房设计洪水位：2090.2m。厂房校核洪水位：2091.0m。厂房最低尾水位：2082.85m。（5） 坝基特性砂砾石地基承载能力：0.350.4MPa。抗剪摩擦系数-砂卵砾石 0.45。抗剪摩擦系数-砼与砂卵砾石 0.5。允许渗透坡降0.125（6） 抗滑稳定安全系数a) 厂房、砼重力坝和闸体：基本组合 1.25特殊组合 1.10地震情况 1.05b) 土石坝：基本组合 1.15特殊组合 1.05（7） 厂房、砼重力坝和闸体地基应力不均匀系数的允许值基本组合

4、 2特殊组合 2.5（8） 地震设防烈度度5.1.5 依据的主要规程、规范和资料以下是水工专业主要规程、规范和资料水利水电工程初步设计报告编制规程DL 5021-93水利水电工程等级划分及洪水标准 SL252-2000水闸设计规范SL265-2001水工隧洞设计规范（SL2792002）水电站厂房设计规范（SL2662001）水电站调压室设计规范（DL/T50581997）水工混凝土结构设计规范（DL/T50571996）水工建筑物抗震设计规范（DL50731997）水利水电工程劳动安全与卫生设计规范（DL50611996） 水工建筑物抗冰冻设计规范SL21198混凝土重力坝设计规范DL510

5、81999碾压式土石坝设计规范锚杆喷射混凝土技术规范GB500862001水电站压力钢管设计规范SL28120035.2工程选址及工程总布置5.2.1 开发方式确定青海华龙水电有限责任公司申请批准的大通河开发河段上起扎龙沟口，下至羊脖子弯，河道总长17.4km，自然落差130m。该开发河段的上一级电站为青海省规划的青岗峡水电站，距离扎龙沟口29km；下一级为甘肃省规划的铁城沟水电站。5.2.1.1 电站开发原则经过和业主的协商，确定电站的开发原则如下：（1） 将该河段分两级开发，第二级电站为金沙峡水电站。（2） 保证第一级电站开发合理的前提下，充分开发第二级电站。（3） 优先开发第二级电站。5

6、.2.1.2 电站开发布置形式（1） 第一级电站开发形式根据以上开发原则，经现场踏勘扎龙沟口至金沙峡口河段河谷狭窄，尤其右岸山势陡峻，7202公路紧靠陡崖沿大通河布置，基本没有布置电站厂房的条件，在金沙峡口以下河谷开始变宽，即可布置一级电站的厂房。一级电站的引水枢纽布置在扎龙口，电站厂房布置在菜子弯附近，河道总长6km，自然落差45m，装机容量33MW。根据论证，一级电站开发形式合理可行。（2）金沙峡水电站(第二级电站)开发形式考虑一级电站开发方案技术的可行性和经济的合理性，确定金沙峡水电站引水枢纽选择在滩子村，与一级电站尾水衔接，厂房设在羊脖子弯，河道总长11.4km，自然落差85m。工程由

7、引水枢纽、引水涵洞、有压引水隧洞、压力管道、厂房及电站尾水渠等建筑物组成。设计水头72.5m，设计引用流量116m3/s，装机容量320 Mw +10 Mw =70Mw。由于上述开发方式符合总体规划，技术经济可行，充分利用了水力资源，为此本次设计仅对金沙峡水电站的坝址和厂址分别做了方案论证。一级电站的位置见附图5-1。5.2.2 坝址比选经过多次实地踏勘，根据开发形式、地形地质条件及淹没情况，选菜子弯坝址（上坝址）和摊子坝址（下坝址）进行方案比较，两坝址相距2.1km。菜子弯坝址为金沙峡电站开发河段的上限，具有布置枢纽的地形条件。再向上游移即破坏一级电站的厂房地形条件。摊子坝址往下游，涉及到摊

8、子村、尕芝村、岗台村等村庄的移民。菜子弯坝址（上坝址）和摊子坝址（下坝址）之间的河段，没有布置枢纽的有利条件。5.2.2.1 摊子坝址地形、地质条件和工程布置摊子坝址位于摊子村上游，河道顺直，河床狭窄，河水面宽约6065m，河谷宽约90100m。左岸陡峻，坡度约78，右岸为级阶地，级阶地阶面高出河水位约16.0m，阶面宽约135145m，河谷呈不对称“U”型谷。据坝线处物探测试结果，河床覆盖层厚2223m。坝址地层岩性从老至新为前震旦系马啣山群花岗片麻岩和冲洪积、崩坡积、坡洪积等不同成因的松散堆积物。河床覆盖层岩性为含漂石砂卵石层，粒径最大约80100cm，一般约1520cm，分选性较差，结构

9、松散，渗透性及富水性较好，其渗透系数为2025m/d，允许渗透坡降为0.125。(alplQ34)含漂石砂卵石层的允许承载力0.350.4MPa，变形模量5060MPa，建议开挖边坡采用1:1.251:1.5。左右坝肩天然边坡基本稳定。引水枢纽采用侧向引水，正向泄洪冲砂的布置形式。基础置于砂卵砾石层上；进水闸布置于右岸，河床由右向左依次为泄洪底孔、泄洪表孔溢流坝、溢流堰和重力式挡水坝组成，右岸台地布置副坝。进水闸轴线与河道中心线的夹角为61，进水闸后接146.28m长的涵洞自副坝上游侧穿过右岸台地与压力隧洞相接。枢纽正常高水位2166.9m，主河床泄水、挡水建筑物总长92m，闸坝顶高程2168

10、.2m。副坝总长143.92m，副坝顶高程2168.2m，防浪墙顶高程2169.4m。泄洪底孔一孔，孔口BH=9m4m，闸底板高程2144m，闸高27.2m。三孔泄洪表孔，每孔尺寸BH=10m9m，表孔段溢流坝顶高程2157.9m。溢流堰总长15m，堰顶高程2166.9m。挡水坝设在最左侧，与左岸坝肩相接，坝长21.5m。各闸、坝段之间设永久沉降缝。进水闸一孔，孔口为BH=6m6m，孔口以上淹没深度为6m，为了防止泥沙进洞，进水闸底板高程设为2152.6m，比泄冲闸底板抬高8.6m。右岸副坝采用砂砾石坝，坝高5.4m2.96m。坝顶设高1.2m防浪墙。上游坝坡用复合土工膜防渗，设在副坝上游的砼

11、压力输水涵洞兼做土坝的基础垂直防渗，土坝上游防渗膜与涵洞顶部砼相连。由于枢纽主河槽覆盖层深达22m左右，所以主河床闸坝基础置于软基砂砾石上。据调查我国到目前为止在软基上建闸的最大闸高度为27m。主要因消能防冲、防渗及沉降变形等技术问题，限制了闸、坝的高度。因而也成了该工程的主要技术难点。本次设计采用消力池消能，经水力学计算，泄洪底孔闸后消力池长63m，消力池深度5m。泄洪表孔闸后消力池长度45m，消力池深2.4m。溢流堰后消力池长度28m，消力池深度1.0m。基础防渗形式采用防渗铺盖加垂直砼防渗墙的结构。经计算泄洪底孔与表孔的上游防渗铺盖长为70m。垂直砼防渗墙深为6m。 5.2.2.2 菜子

12、弯坝址地形、地质条件和工程布置菜子弯坝址位于金沙桥下游800m处，河床狭窄，河水面宽约4555m，河谷宽约7090m。右岸为前震旦系花岗片麻岩，岩性致密坚硬，抗风化能力强，弱风化带厚约23m；右坝肩自然边坡7580，局部段由于卸荷裂隙切割产生不稳定体，建议进行清除。右坝肩边坡稳定，工程地质条件良好。左岩为大通河级阶地，阶面宽约3040m，阶面高出河水位约68m。河床覆盖层厚2025m，岩性为含漂石砂卵石层，粒径最大约80100cm，一般约1520cm，分选性较差，结构松散，具架空结构。含漂石砂卵石层的渗透系数为2025m/d，经类比，其允许渗透坡降为0.125。含漂石砂卵石层的允许承载力为0.

13、350.4MPa，变形模量5060MPa。河床砂卵砾石覆盖层深。引水枢纽由右向左依次为电站一孔进水闸、一孔泄洪底孔、三孔泄洪表孔、溢流堰和挡水坝组成。根据一、二级电站水位衔接确定枢纽正常高水位为2183m，闸高度20m。菜子弯坝址枢纽与摊子坝址枢纽结构布置相似，所不同的是其一，右岸山势陡峻，基岩出露，进水闸侧向引水后可直接进洞。其二，闸坝高度低，技术简单。5.2.2.3 闸、坝址比较（1） 从地形、地质及工程布置方面分析两坝址均建在软基上，菜子弯坝址（上坝址）闸、坝高度较摊子坝址低，开发水头不受技术条件限制，淹没赔偿费用低。右岸为凹岸，引水条件较好，但河道较窄，施工与7202公路干扰大，公路布

14、置困难，且影响上一级电站的开发。摊子坝址由于软基上基础防渗、地基承载力及下游消能等技术问题的制约，闸、坝的高度限制了金沙峡水电站的装机容量，剩余水头由一级电站开发。坝址处右岸台地宽阔，虽有利于工程及施工布置，但需设置长146.28m的副坝。摊子坝址的优点是压力引水隧洞缩短2.4km，尤其是隧洞避开了摊子沟，摊子沟地形、地质条件复杂，沟道宽阔，沟底及沟边覆盖层很深，且常年流水。（2） 从经济方面分析为了增加方案的可比性，闸、坝址比较时均选羊脖子厂址。对应两个坝址的电站的主体工程投资见表5.21。由表可见，菜子弯坝址虽然装机容量大，但由于隧洞加长2.4km，增加投资3975万元，且增加一条施工支洞

15、长500m，隧洞投资增加，所以摊子坝址的经济指标比菜子弯坝址优越，而且摊子坝址电站一次性投资小，见效快。（3） 坝址选定通过地形、地质条件及工程布置、经济等多方面比较，选择摊子坝址较为有利，本次设计推荐摊子坝址。电站主要经济指标比较表 表5.2-1序号工程项目单位菜子弯坝址电站摊子坝址电站1隧洞洞径m6.86.8隧洞长度km8.96.43设计水头m86744设计流量m99.1399.135装机容量Mw72626引水枢纽投资万元199027057引水隧洞投资万元1275087758厂房投资万元1950 17989机电设备及安装投资万元730262397临时工程万元272119178投资合计万元2

16、6713214349单位kw投资万元371034575.2.3 厂址比选经过现场踏勘，沿大通河摊子坝址以下至先明桥之间，根据地形、地质条件选择了尕芝厂址、黑龙沟厂址和羊脖子厂址。初步设计阶段对以上三个厂址进行比较分析。（1） 地形、地质条件比较尕芝厂址位于尕芝村，距离摊子坝址6.9km，黑龙沟厂址距离摊子坝址7.7km,羊脖子厂址距离摊子坝址8.9km。尕芝厂址处地形最复杂，压力管道难以布置。覆盖层也最厚，厂房基础开挖深达45m。黑龙沟厂址地形相对简单，厂房所在的台地高出河床约20m，基础开挖较大；厂房顶低于地面，厂区布局不佳。羊脖子厂址地形简单，台地仅高出河床约12m，压力管道和尾水渠最短；

17、三个厂址中羊脖子厂址最优越。三个厂址的地质条件相似。（2） 经济技术比较电站三个厂址主要主要技术指标和主体投资比较见表5.2-2电站三个厂址主要投资指标比较表 表5.2-2序号工程项目单位尕芝厂址电站黑龙口厂址电站羊脖子厂址电站1隧洞洞径m6.26.56.82隧洞长度km4.95.76.43设计水头m5564744设计流量m99.1399.1399.135装机容量Mw46.0853.6626引水枢纽投资万元2705270527057引水隧洞投资万元6321741087758厂房投资万元1878181617989机电设备及安装投资万元4430523062397投资合计万元153341716119

18、6078单位kw投资万元333332013162（3） 厂址选定经过以上地形、地质及技术经济分析比较论证，最终推荐羊脖子厂址。5.2.4 隧洞洞线布置（1）隧洞布置设计原则根据水工隧洞设计规范，确定隧洞布置设计原则如下：洞线布置主要考虑地形、地质、施工等因素，即线路选在线路短、沿线地质构造简单、岩体完整稳定、上覆岩层厚度适中及施工方便的地区，通过比较选定。 洞线方位与层状岩体的岩层或块状结构的岩体主要结构面交角大于30。 洞身最小覆盖厚度：采用钢筋砼支护洞段，按不小于0.4倍内水头控制；采用锚喷支护时，洞身垂向围岩厚度不小于1.0倍内水头，侧向不小于1.5倍内水头，临山谷边坡时，按下式判断：式

19、中：R岩体容重，N/m3；D覆盖厚度，m；H内水头，m；K安全系数，K=1.51.6，取K=1.6；坡面倾角。 本工程为低流速有压洞，平面及竖向弯曲段的弯曲半径按不小于5倍洞径控制，转角按不大于60控制。同时，弯道首尾设置直线段，长度按5倍洞径控制。 隧洞在最不利条件下，洞顶以上应有不小于2m的压力水头。 洞身段设计为顺坡。 隧洞断面采用承载能力较好的圆形。为适应地质条件变化，采用多种临时支护方式。渐变段长度按2倍洞径控制，渐变段的圆锥角采用610。隧洞断面尺寸进行经济论证确定，论证中采用费用现值最小的原则。（2） 隧洞洞线布置引水发电隧洞通过的山体基岩主要为前震旦系（AnZmh）花岗片麻岩和

20、奥陶系下统（O1）结晶灰岩两种岩性，岩性致密坚硬，耐风化，岩体较完整，具有良好的成洞条件。隧洞沿线发育的结构面主要有以下几组：隧洞穿过大小沟道7条，其中哪芝沟、无名沟和黑龙沟最大，哪芝沟和黑龙沟常年流水，地下水位高，覆盖层厚，是隧洞的技术难点，电站进水口后以涵洞形式布置于坝前级阶地，隧洞洞口基岩边坡坡角7580，边坡稳定，岩性为前震旦系花岗片麻岩，致密坚硬，具良好的进洞条件，但需对洞脸以上的松散岩石及局卸荷裂隙进行工程处理。确定洞线桩号0+000m处在进水闸闸后缘；自进水闸后与主河道成61的夹角布置涵洞，在副坝上游穿过右岸台地进隧洞，该涵洞称1#涵洞，总长156.28m，末端桩号为0+156.

21、28m（即为隧洞起点桩号），隧洞位于大通河右岸山体；合理可行的跨（穿）几条沟道是隧洞布置的关键，本次选洞线结合确定合理纵坡，力求跨沟合理可行，洞线最短，故未进行洞线方案比较。隧洞纵坡确定为1/500，涵洞进口底高程为2152.6m；途经的第一条沟道为哪芝沟，隧洞桩号1+528.69m，此时洞顶高程2156.64m，洞底高程2149.5m，经地质钻探，哪芝沟的覆盖层深19m，根据规范的要求，隧洞基岩埋深取15m，确定隧洞的一个控制点IP3，距离哪芝沟沟口的公路550m。隧洞途经的第二条沟道为无名沟，隧洞桩号3+498.74m，按上述原则确定洞线控制点IP4，洞顶高程约2152.7m，隧洞基岩埋深

22、24m。经过高程分析，隧洞在途经第三条沟道-黑龙沟时，没有以隧洞形式穿过该沟道的条件，必须考虑隧洞钻出地面设涵洞形式跨过黑龙沟的方案，遂考虑涵洞挖方量和填方量适中，施工期隧洞进出口防洪要求，便于施工等因素确定隧洞控制点IP4(延)，此时隧洞桩号5+818.94m，沟底高程2141.07m，洞底高程2140.9m，即沟底大致与洞底同高；通过以上各控制点确定了隧洞的洞线布置，使洞线最短,技术可行，经济合理。5.3 工程总体布置 本工程由引水枢纽、引水隧（涵）洞、地面厂房等建筑物组成。5.3.1 枢纽工程布置枢纽工程位于摊子村上游侧，采用正向泄洪冲砂，侧向引水的布置形式。主河床建筑物及进水闸布置详见

23、5.2.2.1。5.3.2涵洞布置方案比较方案1：引水涵洞布置在副坝下游，副坝和引水涵洞互相独立。进水闸正向引水，涵洞前40m顺河岸布置，以致涵洞开挖不影响副坝安全，然后偏转60的角度大致与副坝平行埋设接隧洞,涵洞总长162.85m，副坝总长137.4m。副坝上游设水平铺盖防渗。方案2：引水涵洞布置在副坝上游，进水闸侧向引水。引水涵洞沿副坝坝角布置，兼做副坝的垂直防渗墙，涵管总长143.92m，副坝总长146.28m。两个方案的布置详见金沙峡水电站引水枢纽平面布置图和土坝剖面图。两方案比较：两方案技术可行，从总体布局看，方案1增加两个弯道，水头损失大，方案2管线顺直，方案2较方案1优越。从经济

24、方面分析，方案1副坝长137.4m，涵洞长162.85m。方案2副坝长143.92m，涵洞长146.28m。分析结果见表5.31。 枢纽布置方案比较表 表5.31序号项目单位单价方案1方案1方案2方案2元工程量投资（万元）工程量投资（万元）1管沟砂砾石开挖m310.111811318.3141683317.012管沟砂砾石填筑m312.261727421.181605219.683坝基清基m38.8935873.1944483.954坝基填筑m312.2635874.444485.465浆砌石护坡m3204.324689.56458011.876中细砂垫层m374.863122.343982.

25、97坝坡土工布m216.4218713.07430915.078铺盖砂砾石开挖m38.8928422.5309铺盖砂砾石填筑m312.2622742.79010铺盖垫层(中细砂垫层)m374.86142110.64011铺盖土工布m216.4234105.6012涵管m28000455.9454.9143.92402.98合计538.5468.9注：上表仅表示两方案不同的项目从上表可见，方案2比方案1的经济指标好。故本次推荐方案2。5.3.3引水发电隧洞隧洞接涵洞后沿右岸山体布置；在桩号0+000m0+156.28m段布置1#涵洞，穿过右岸级阶地；在桩号5+759.46m处钻出黑龙沟底，布置跨

26、沟涵洞长124m，即2#涵洞；桩号6+404.47m处隧洞末端设调压井。隧洞与涵洞总长6404.47m；隧洞全长6124.19m，涵洞全长280.28m。其中II类围岩3845.8m，占60%；类围岩2128.39m，占33.3%；隧洞进出口加强段长150m，占2.3%，涵洞长280.28m，占4.4%。隧洞为圆形断面，直径6.8m，采用钢筋混凝土全断面衬砌。涵洞过水断面形式同隧洞，断面为内衬厚14mm的钢板加外包现浇钢筋混凝土复合式结构。调压井布置于厂后山体中，为阻抗式调压井，竖井直径18m，阻抗孔直径3m 。底部高程2145.41m，顶部高程2202.64m。从调压井至厂房分岔点布置1条压

27、力总管，为洞埋管，呈45斜管布置，之后为分岔明管。厂房分岔点至机组中心布置4条支管，支管为卜形布置。主管管径5.5m，内衬钢板厚20mm。高压管道总管长度148m。5.3.4发电站厂房：根据地形地质条件，主副厂房平行布置，厂房处地面高程21022094m，主厂房发电机层高程2091.2m，主厂房建基高程2073.4m。厂房基础座在砂砾石层上。主厂房总长64.95m，宽18m，副厂房布置于主厂房上游侧，长50.63m。主厂房内布置了3台20MW的水轮发电机组和1台10MW的水轮发电机组。主机室段长48.4m，根据地形条件，安装间布置在主厂房的左侧，长16.5m。主厂房分为两个机组段，1#与2#机

28、组为一机组段，3#与此相关4#机为一段。机组间距均为11m，大小机机组安装高程同高为2081.5m。升压站布置于副厂房左侧的大通河一级台地上。7202公路从厂房尾水渠通过，设进厂公路连通安装间。管理区位于厂房左侧台地上。5.4枢纽建筑物设计金沙峡水电站闸坝高度已达到国内在软基上建闸的高度极限，带来闸坝下游消能问题、基础渗透稳定问题、抗滑稳定问题及沉降等技术问题。本次设计时就以上技术问题进行了大量的理论计算，需要下阶段经过科学试验来验证。5.4.1泄洪方式方案比较根据地形地质条件及洪水标准，初步设计选两种泄洪形式进行比较。方案1：三个泄洪表孔+一个泄洪底孔+无控制宽15m溢流堰。方案2：四个泄洪

29、底孔+无控制宽30m溢流堰孔口尺寸及泄量见表5.4-1两个方案技术均可行。方案2投资大，从长远运行来说，方案1坝前将形成淤积铺盖，有利于枢纽渗透稳定；降低坝后平均单宽流量，有利于消能防冲。从大通河沿线已建和在建电站的经验等方面分析论证，决定推荐方案1。 泄水建筑物孔口尺寸及泄量表 表5.4-1序号方案泄洪形式孔口尺寸(BH)m泄流量（m3/s）单宽流量（m3/s.m）1方案一三个泄洪表孔109179854.52一个泄洪底孔9462141.93溢流堰宽15m161.254总泄量24365方案二四个泄洪底孔942472696溢流堰宽30m1083.67总泄量25805.4.2 闸顶高程的确定根据水闸设计规范第4.2.4条的规定：闸顶高程应根据挡水和泄水两种运用情况确定。挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常高水位加波浪计算高度与相应安全超高值之和；泄洪时，闸顶高程不应低于校核洪水位与相应安全超高值之和。依下列公式计算，计算结果见表5.4-