潘口水电站引水发电系统的优化设计

游 志 纯

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖北 宜昌 443002)

潘口水电站引水发电系统的优化设计

游 志 纯

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖北 宜昌 443002)

在潘口水电站施工详图设计阶段，本着技术可行、施工便利、经济合理的原则，对工程引水发电系统进行了一系列优化设计，包括进水口引水渠布置优化、引水隧洞断面及支护方式优化、厂房布置优化等，取得了较好的经济效益。

引水发电系统；结构设计；优化设计；潘口水电站

1 概 述

潘口水电站位于湖北省十堰市竹山县境内堵河干流上游河段，为湖北省近几年修建的最大的水电站。潘口水电站引水发电系统主要由进水口、压力引水隧洞、发电厂房、户外开关站、进厂交通洞及尾水渠等建筑物组成。笔者论述了引水发电系统建筑物结构的优化设计。

岸塔式进水口布置在左岸坝前1#冲沟处，共设2孔，并排对称布置，单管单机引水。进水口底板顶面高程为309m，进水塔高55m。进水口引水渠渠底高程为307m，靠山体侧长120m，沿①号机轴线长71m。两孔进水口中心线间距34m，孔口设3个中墩与2个边墩，4孔拦污栅，1孔检修闸门和1孔事故闸门。进水口顶部平台与左岸上坝公路之间采用预应力钢筋混凝土空心板桥连接。

两条引水隧洞平行布置于左岸。根据实际工程地质条件，引水隧洞采用钢筋混凝土衬砌与钢板衬砌两种型式。两条引水隧洞自渐变段至蜗壳进口段总长度分别为462.714m和398.278m，其中钢筋混凝土衬砌段(内径9.5m)长度分别为317.743m和276.443m，钢板衬砌段(内径8.5m)长度分别为144.971m和121.285m；钢筋混凝土衬砌段衬厚0.7m，钢板素混凝土衬砌段衬厚0.6m。隧洞设计额定引用流量为339.4m3/s，最大净水头为91.92m，最大HD(水击作用下)为1 100m2。

厂房为Ⅰ级建筑物，抗震设防烈度为7度，抗震概率水准采用50a超越概率0.05，基岩水平加速度峰值0.134g。主厂房尺寸为94.3m×31.1m×59m(长×宽×高)，厂内安装2台单机容量为2 500MW的水轮发电机组，机组间距26m，安装高程258.1m。两台机组段间及机组段与安装场间均设20mm宽的永久缝。主厂房水轮机层以上为框架结构，以下为钢筋混凝土墙体结构。

2 主要设计优化及取得的成效

2.1 进水渠布置优化

根据枢纽区地形地质条件和水位线高程，原设计方案将进水口布置于库区左岸坝前1#冲沟处。受1#冲沟影响，引水渠左侧边坡为顺向坡，进水口左侧边坡为反向坡。施工详图阶段，为减少顺向坡开挖、避免开挖扰动形成新的边坡问题，设计人员结合现场开挖揭露情况进行了以下两方面优化：(1)调整了引水渠布置，取消了进水口前50m长的引水渠直线段，引水渠转角相应由17°调整为45°，沿①号机轴线长度由近150m缩短至71m，基础面积由8 670m2减少为3 270m2，减少了62%(图1、2)。(2)取消了引水渠60cm厚混凝土底板衬护。进水渠经过优化，较好地解决了顺向坡开挖问题，减少了开挖支护工程量，节省工程投资150多万元。

图1 设计阶段引水发电系统平面布置图(优化前)

图2 施工详图阶段的引水发电系统平面布置图(优化后)

2.2 引水隧洞优化

(1) 压力钢管段隧洞断面的优化。

在前期设计阶段，压力钢管管径采用与混凝土衬砌段相同洞径的9.5m，而蜗壳进口断面直径为6.9m，两者相差较大，故在施工详图阶段对其进行了专项分析，研究了压力钢管管径减小的可能性。经计算分析，将压力钢管直径优化为8.5m。经模拟分析，优化后的引水道末端压力升高、蜗壳最大动水压力、机组转速上升和尾水管内真空度等在相应工况下均能满足规范要求。压力钢管段隧洞断面的优化，既减少了隧洞施工设备的投入、缓解了隧洞施工压力，同时也降低了压力钢管制安的难度和工程量，大幅降低了投资，节省投资2 526万元(表1)。

表1 引水隧洞优化前后主要工程量及投资对比表

注：表中仅列出引水隧洞优化调整引起的主要工程量及对应的静态投资。

(2)支护方式的调整。

两条引水隧洞工程地质条件基本相同，上平段置于弱风化～微风化的白云母石英片岩夹云母片岩中，下平段深埋于微风化～新鲜的灰绿色绿泥钠长片岩中。引水隧洞段洞轴与岩层走向夹角为60°～90°(除出口段夹角为32°外)。引水隧洞进出口岩体类别为Ⅳ～Ⅲ2类，洞身段为Ⅲ1类。工程实施过程中，隧洞支护方式由原系统设计调整为动态设计。根据引水隧洞开挖揭露的地质条件及采集到的监测数据，除上平段采用系统锚杆+挂网喷护(进口处采用钢拱架及喷混凝土支护)外，其余洞段仅对节理发育段进行随机支护，并取消了围岩较完整洞段的支护。动态支护设计的采用，不但体现了设计服务于工程实际的原则，而且在减少工程问题的同时加快了施工进度。

2.3 厂房布置优化

坝后岸边式地面厂房基础座落于新鲜岩体上，基岩主要为绿泥钠长片岩。厂房纵轴线方向为NE17°，岸坡自然坡角为40°～45°，厂房后边坡岩层弱风化埋深为5～20m。左岸边坡存在影响其稳定的3组节理：(1)NE40°～60°，SE，∠40°～85°；(2)NW280°～300°，NW，∠50°～80°；(3)NW330°～350°，NE，∠40°～80°。

前期设计阶段，厂房后边坡最大开挖高度近120m，受左岸边坡3组节理影响，边坡稳定情况不容乐观。施工详图阶段，为避免开挖形成高边坡，将厂房沿横轴线向河床方向平移了17m；同时，为使引水隧洞总长不增加，又将厂房沿纵轴线向坝址方向平移了7.6m(图1、2)。经调整后，厂房后边坡最大开挖高度由近120m降至72m，减少了大量的边坡开挖支护工程量及相应的投资，初估节省投资1 052万元(表2)，同时也加快了施工进度，减少了对周围环境的影响。

3 结 语

表2 厂房优化前后主要工程量及投资对比表

注：表中仅列出因厂房优化引起的主要项目的工程量及对应投资。

根据潘口水电站工程特点，在施工详图设计阶段，设计人员结合现场实际，对引水发电系统进行了一系列优化设计，在确保结构安全、加快施工进度的同时，节省工程投资3 700多万元，占引水发电工程静态投资的14%，取得了较好的经济效益。该工程实例说明：在项目实施过程中，可深入现场收集资料、做出符合工程实际的设计优化工作，对缩短项目建设工期、节省工程投资具有现实的技术经济价值。

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(责任编辑：李燕辉)

2016-10-10

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1001-2184(2017)01-0095-03

游志纯(1978-)，女，江西南城人，高级工程师，工程硕士，从事水电工程水工结构设计工作.