林飞

（湖南省水利水电勘测设计研究总院　长沙市　410007）

老坡口水电站设计中的几个关键问题

林飞

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市410007）

湖南省汝城县老坡口水电站为湘江二级支流淇水的最后一个梯级，因前期规划工作深度有限，按原规划开展地勘工作后，根据陆续揭露的地质条件，原方案实施难度大，投资高。经技术会商，全面结合该流域梯级布置实际和河段地形地质条件，决定将坝址上移4.0 km，厂址下移1.3 km，由高坝方案变为低坝长引水形式，工程难度大为降低，投资节省。枢纽布置和具体建筑物设计因地制宜，安全经济，可供类似工程设计参考。

老坡口水电站选址优化因地制宜安全经济

1　工程概况

老坡口水电站工程位于湖南省汝城县暖水镇境内，距汝城县约31 km，为淇水流域（湘江二级支流）规划开发的最后一个梯级，上接鱼仔口电站，下距河口5.7 km，与东江电站库尾相衔接。坝址以上控制流域面积468 km2，总库容182.82万m3，调节库容85万m3。老坡口水电站是以发电为主的小（Ⅰ）型水电工程，枢纽由拦河重力坝、发电引水隧洞、厂房和110 kV开关站等主要建筑物组成。

大坝为常态混凝土重力坝，坝顶高程359.0 m，最大坝高28.0 m，坝轴线长117.25 m，开设3孔10 m×9.0 m“WES”型溢流表孔，戽流式消能，左岸坝体内设有2.0 m×2.0 m放空底孔。厂址位于东江库区的沤江右河岸冲沟内，距汝城县约19 km，通过引水隧洞从大坝右岸引水发电，电站设计水头68 m，引用流量39.04 m3/s，装机2×12 MW，多年平均电量8 148万kW·h，尾水渠全长160.88 m。发电引水隧洞采用圆形断面，衬后内径4.5 m，全长2 950.581 m，在桩号2+781.896处设有内径9.5 m的圆筒式调压井。110 kV户外开关站位于厂房右后侧，平面尺寸35.5 m×39.7 m，利用开挖石渣回填冲沟而成。

工程总工期29个月，第一台机组发电工期24个月，静态总投资15 612.99万元。该工程2004年9月主体工程开工，2007年12月完工，至今运行良好。

2　工程地质条件

老坡口水电站位于淇江下游峡谷，坝区两岸山坡陡峻，下部基岩裸露，左右岸地形较为对称，山顶高程（420～530）m，左岸地形缓于右岸，左岸山坡坡角35°～50°，冲沟不发育，右岸山坡坡角40°～55°，共发育3条冲沟；河床高程（334.8～335.5）m，当河水位336.3 m时，水面宽为30 m左右，一般水深0.6 m。坝址区岩性为寒武系浅变质砂板岩及第四系松散堆积物组成。

厂址位于下游沤江右河岸废弃铜矿厂下游冲沟内，距暖水镇约4.4 km，有暖水镇至凉滩码头的公路通过。东北面紧靠仙头脑山脉，山坡地形较陡峻，坡角40°～60°，山顶高程410 m，河床高程（269～274）m。山坡脚公路一带，基岩裸露。厂区地层岩性主要为寒武系青灰、灰黑色浅变质石英砂岩夹薄层板岩，岩石风化强烈，节理裂隙发育，上部岩石较为破碎。

引水发电隧洞位于河流右岸,进口位于坝址上游255 m的②冲沟上游，调压井位于厂房东北面山坡。

3　坝址选择

原规划坝址位于河流汇合口以上1.0 km的峡谷出口处，为“V”型河谷，地形条件较好，洞线短，基岩为泥盆系石英砂岩，初定大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高76.0 m，总库容2 472万m3，通过1.47 km引水隧洞至欧江右岸的碳素场处修建电站厂房，装机2×12 MW。

随着地勘和设计工作的深入，发现所选坝址存在两个关键问题，决定了项目的可行性：一是大坝、厂址地质条件均较差，坝址岩石风化强烈，紧邻左坝头库内存在较大崩积体，厂区整体位于坡崩积体上，工程难度大，不可预见因素多；二是坝高较高，投资大，虽引水隧洞较短，但整体项目经济指标差，方案实施较困难，经济评价为基本不可行。因此，选址成为该项目成败的关键因素，为此，设计对工程选址重新进行复核，决定将坝址上移4.0 km至小江背村附近，地形条件较好，虽洞线增长，但坝高由76.0 m降低至28.0 m左右，对地质条件要求较低，厂房沿欧江下移1.3 km左右，发电引水隧洞长度增加约1.4 km，厂区地质条件较好。大坝投资大大降低，仅为原高坝方案的1/4。

坝址上移厂址下移方案变更后，坝高降低48 m，由高坝降为低坝，工程难度大大降低，水库库容虽减小，但可利用上游鱼仔口水库的调节性能进行联调。虽引水隧洞长度增加，但沿线地质条件较好，工程风险可控；厂房下移后，虽厂区布置不如原方案顺畅，受东江顶托影响更大，但通过设计合理布置，充分利用该处冲沟地形布置厂房和开关站，节省导流费用。发电水头影响约（0.5～2.4）m，东江为多年调节水库，根据20多年的实际蓄水资料，目前尚未蓄至正常水位，故其对电站的顶托影响实际难以准确计算，由实测资料分析，该两处厂址水能指标差别不大。坝址上移后项目整体经济指标较好、可行，且实施难度小，项目救活了。

由老坡口坝址变更可见，中小河流规划方面的工作深度一般较浅，资料较缺乏，对规划的复核工作非常重要，在中小项目上往往易被忽视，造成开发方案的偏误，甚至项目被“打死”。

4　消能方式

4.1原初设方案

受坝高和下游水位制约，该工程采用简单经济的挑流消能方式不适合。通过水力计算分析，自然状态下，由于坝址下游水位整体较浅且变幅较大，难以形成稳定的面流和戽流，故初设推荐采用底流消能形式。

底流消能主要参数：孔口尺寸为3 m×10 m×9.0 m，堰顶高程为347.0 m，反弧半径R=10 m，圆心角53°,最大单宽流量70.0 m3/s,河床高程约334.5 m，拟定消力池底板高程331.5 m。经计算，3孔溢流坝均需设置消力池，设置辅助消能工后，消力池底板厚1.5 m，长度30 m，池深3.5 m，出池流速为3.76 m/s，接近基岩的抗冲流速，在池后不设护坦。

4.2消能方案优化

技施设计时，设计就大坝消能形式问题进行了专门研究，该工程坝高较低，库容较小，下游河岸岩体条件相对较好，经详尽计算分析表明，将下游河床局部范围适当下挖以人为增加坝址处下游水深，可基本实现戽流消能，简化了消能布置，增强消能效果，同时节省了投资。

参考同类成功运行的工程实例，在保证大坝安全的前提下尽量降低工程投资，实际采用断面：反弧半径R=8.0 m，挑射角45°,下游堰坡1∶0.75，鼻坎高程335.34 m，戽底高程333.0 m，下游河床疏挖至保证基岩出露高程333.0 m，戽末用深齿槽保护，两岸岸坡适当疏挖防护。运行期注意监测，如下游河床冲毁严重，及时修复，确保大坝安全。

老坡口水电站自2007年12月建成投产，到目前为止，大坝历经多次开闸泄洪，最大泄量为600 m3/s，经检查，下游河床及消力戽基本完好，证明消能方式改为戽流方案是成功的，同时，消能方式改变后，工程投资节省230万元，效益显著。

5　引水隧洞

隧洞进口段位于河流右岸坝址上游约255 m处,洞口位于山坡陡崖下,洞脸大面积基岩裸露，坡角50°～65°，设计上采用锚杆锁口直接进洞，减少洞口明挖，避免形成高边坡带来的不利影响。

引水隧洞全线穿过的地层均为寒武系中～下组浅变质岩岩组，岩层产状N35°～55°W,NE∠45～55°岩层走向与洞向（S20°W）一般交角较大，对隧洞围岩稳定有利。隧洞全线无区域性大断层通过，水文地质条件简单，地下水主要为裂隙水。根据地形地貌及地层岩性，将隧洞围岩分为Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等五个类别，Ⅱ1～Ⅱ2类围岩为稳定～基本稳定，除局部网喷外，大部分不衬砌；Ⅲ～Ⅳ类围岩为稳定较差～稳定差，需进行衬砌；Ⅴ类围岩为不稳定，一般是较大规模的断层破碎带，开挖时不断坍塌及大量涌水的洞段，必须及时支护和加强衬砌。发电引水隧洞钢筋砼衬砌段长520.581 m，占全长的17.2%；混凝土喷护段长1 226 m，钢衬段长42.796 m。

发电引水隧洞应根据开挖揭露的实际地质条件，选择合适时段及时跟进一次支护，保证洞室稳定，不过分追求钢筋混凝土衬砌长度，节省投资。老坡口发电洞开挖及支护采用该原则，整个过程中未发生不利状况，多年来的实际运行情况良好。

6　厂区布置（附图）

附图　　老坡口厂区平面布置图

老坡口电站厂房为引水式开发，建筑物级别为4级，防洪标准为30年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核。但该电站位于东江库内，受东江（正常蓄水位283.34 m）洪水顶托，水文情势十分复杂，天然和顶托情况下电站处水位相差近11.0 m，合理利用该消落深度是该种库内电站设计的难点。因东江为多年调节水库，为华中电网骨干调峰电站，应充分了解其调度运行特点，以指导老坡口电站合理选择安装高程和防洪标准。本次统计分析东江建成运行以来近20年的月平均水位资料发现，建成后东江水库还没有达到过正常蓄水位运行，其在本电站厂房处的水位也无明显规律，与天然状况对比，顶托时段超过50%，最高顶托水位近5.0 m。对老坡口这样规模的小型电站而言，厂房投资占整个枢纽投资比例相对较小，为安全，机组安装高程确定按天然情况考虑，适当留有余地，厂区防洪按东江正常蓄水位回水考虑顶托影响。各工况水位详见附表1。

附表　　电站特征水位成果表

厂区布置共有两个方案：

方案一：厂房位于沤江右岸废弃的铜矿处，该段河床较狭窄，岸坡陡峻，地质条件较好，基岩裸露，厂区建筑物采用沿河一字型布局，进厂交通不畅，厂区防洪较麻烦。加上河床较窄，施工导流时需疏挖对岸岸坡25 m。该方案存在交通不畅；高边坡处理风险；侵占原河道，防洪投资大；与周边环境不协调等弊病。

方案二：铜矿厂下游120 m处有一天然冲沟，为减小施工导流难度及方便厂区防洪，电站厂房布置于该冲沟内，距河口155 m，与流向大致正交，虽开挖增加，但难度小，交通顺畅。

在设计上因地制宜，将安装场与发电机层错层布置，厂区地面高程为284.605 m，一是与现有对外公路连接顺畅，二是使结构布置合理，节省开挖工程量，同时可保证东江水库达到正常蓄水位时利用厂房自身墙体防洪不受淹。

经方案比选，选定方案二为推荐方案，巧妙利用冲沟地形，较好地克服了峡谷河段的不利因素，厂区布置经济合理。

7　结语

（1）老坡口电站为引水式开发，其开发方式关系到工程经济性和成败，应充分考虑河段梯级布置及地形、地质条件进行综合比选，中小工程尽量利用上游梯级电站的调节性能，选择低坝长引水模式，减小坝高和水库规模，降低工程难度和风险。

（2）对低坝小库的消能方式，在不对大坝造成严重危害且有可靠维修条件的情况下，可适当降低标准合理选用，以节省工程投资和降低施工难度，老坡口水电站大坝消能采用人工增加下游水深，由常规的底流消能方式改变为戽流，经实践检验，效果较好，值得中小工程借鉴。

（3）发电引水隧洞的设计应充分做好洞线走向、洞型、洞径等前期工作，尽可能减少对围岩的松动破坏，最大限度利用围岩的自稳作用。支护方式应根据开挖后实际地质情况合理选用，不过分追求钢筋混凝土衬砌的长度、厚度，节省工程投资。

（4）受顶托影响的电站，合理选择安装高程和确定防洪型式是设计的关键。

（5）厂房置于离河床155 m的冲沟，发电尾水利用冲沟回归主河道，基本为干地施工，较好地避免了峡谷河段厂区布置的困难。中小型电站有其自身特点，在保证安全前提下，灵活布置建筑物，往往能收到较好的效果。

林飞（1972-），男，大学本科，高级工程师，主要从事水工设计工作。

（2016-02-26）