烏江彭水水電站
一、 工程概況
彭水水電站位于烏江干流下游，重慶市彭水縣縣城上游11km，距烏江口涪陵區(qū)147km，壩址以上流域面積69000km2，占烏江流域總面積的78.5%。流域多年平均降水量1160mm，壩址多年平均流量1300m3/s，年徑流量410億m3。年平均含沙量0.354kg/ m3?！ ?/p>
彭水水電站是烏江干流水電開發(fā)規(guī)劃的第10個梯級，正常蓄水位293m，死水位278m，調(diào)節(jié)庫容5.18億m3，為季調(diào)節(jié)水庫。開發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主，其次是航運，防洪及其它綜合利用。水電站裝機(jī)容量1750MW，距負(fù)荷中心區(qū)僅180km，是重慶市不可多得的水電電源點?！ ?/p>
壩址的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對穩(wěn)定，無區(qū)域性大斷裂通過，地震基本烈度為6度。水庫回水至貴州省沿河縣城，長約126km，為峽谷河道型水庫，水庫封閉性好。壩區(qū)基巖主要為灰?guī)r、白云巖、鈣質(zhì)頁巖等，主要建筑物工程地質(zhì)條件較好，天然建材儲量和質(zhì)量能滿足工程建設(shè)要求?！ ?/p>
彭水水電站由大壩、泄洪建筑物、電站、通航建筑物和滲控工程等組成。大壩擋水前緣總長325.5m，其中船閘壩段32m，大壩為弧形碾壓混凝土重力壩，最大壩高116.5m; 河床10個壩段設(shè)9個泄洪表孔；電站布置在右岸，為地下式廠房，主廠房尺寸252m×30m×76.5（長×寬×高），安裝5臺單機(jī)容量為350MW的大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組；通航建筑物布置在左岸，由單線船閘、升船機(jī)兩級過壩建筑物組成，按500t級船舶過壩設(shè)計。滲控工程采用垂直防滲帷幕，其軸線穿過河床大壩、左岸船閘上閘首后向左岸山體延伸接 相對隔水層，右岸穿過地下廠房引水隧洞垂直巖層走向接至隔水層封閉，防滲線路總長850m，主帷幕防滲面積約為15萬m2 。河床最大帷幕深85m。
樞紐工程永久建筑物主要工程量：土石方明控842.0萬m3，洞挖240.0萬m3，砼265.0萬m3?！ ?/p>
工程總工期（工程籌建期6個月未計入）68個月，第一臺機(jī)組發(fā)電工期50個月?！ ?/p>
靜態(tài)總投資（2004年物價水平）108億元?！ ?/p>
彭水水電站樞紐工程于2003年9月導(dǎo)流洞工程開工，2005年9月28日，電站主體工程全面開工，2007年10月下閘蓄水，2008年2月第一臺機(jī)組發(fā)電，2008年12月16日第五臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2009年底電站全面建成投產(chǎn)。
彭水水電站工程從上世紀(jì)五十年代開始初步勘查，1970年正式啟動勘查設(shè)計工作。2003年4月14日，彭水水電站工程打響了施工建設(shè)的第一炮，2005年9月6日，國家發(fā)展和改革委員會核準(zhǔn)《烏江彭水水電站項目申請報告》，2005年9月28日，電站主體工程全面開工。工程由大唐國際發(fā)電股份有限公司承建。
工程獲獎情況：2013年7月，彭水水電站工程勘察、工程設(shè)計雙雙獲全國優(yōu)秀水利水電工程勘察設(shè)計金獎。2012年彭水水電站工程勘察獲湖北省工程勘察一等獎。 2014年，彭水水電站入選菲迪克工程項目優(yōu)秀紀(jì)念獎。
二、 幾個重大技術(shù)問題的解決方案
1. 河床泄洪壩段采用弧形重力壩 壩址處于高山峽谷之中，壩址兩岸無天然埡口，河谷呈“V”型，左岸岸坡40o,右岸下陡上緩，350m高程以下60o,以上40o。正常蓄水位293m，相應(yīng)河谷寬230~260m，枯水位211~213m，相應(yīng)水面寬度為60~90m，壩基及大壩下游為奧陶系灰?guī)r和寒武系灰?guī)r、白云巖，抗沖能力強(qiáng)；壩址處洪水位變幅大，頻率為5%、1%、0.2%、0.02%的洪水，河道的水位變幅在37~61m之間，樞紐校核(0.02%)，設(shè)計(0.2%)洪水來量分別為43300m3/s，34500 m3/s，泄洪功率分別為12800MW、11250MW，水庫調(diào)節(jié)能力有限，調(diào)節(jié)后的下泄量與來量基本接近，上述壩址地形地質(zhì)及水文特性決定了樞紐泄洪建筑物以采用河床泄洪為宜。
原設(shè)計溢流壩的壩軸線呈直線展布，全表孔泄洪時，入水寬度偏大，對兩岸坡腳產(chǎn)生明顯沖刷對岸坡穩(wěn)定不利。為了使水流適當(dāng)收縮并均勻地泄入河床，改善壩下水流流態(tài)，減輕對斜穿河床的較大斷層f1和對兩岸岸坡沖刷，并能滿足電站尾水出口和下游升船機(jī)和航道正常運行要求，設(shè)計提出了溢流壩段壩軸線采用大半徑園弧形的重力壩方案。水工整體模型試驗，證實了溢流壩段壩軸線采用半徑450m，園弧形重力壩全表孔挑流和挑面流方案是適合彭水電站壩址地形、地質(zhì)條件和電站，通航建筑物運行要求的。
2. 主廠房洞室縱軸線平行巖層走向 根據(jù)樞紐總體布置，地下廠房位置在右岸、中部開發(fā)型式，主廠房縱軸線選擇，根據(jù)主廠房圍巖性狀和巖溶系統(tǒng)分布狀況，比選了兩個軸線，一是NE44o,即與巖層走向成20o夾角（簡稱20o方案），一是NE24o即平行巖層走向（簡稱0o方案），比選結(jié)果選取主廠房縱軸線與巖層平行的0o方案。一般工程經(jīng)驗，在層狀巖體中主廠房縱軸線是選取與巖層走向成較大交角的方向，但對彭水水電站地下廠房所處地質(zhì)條件，選取0o方案是正確的，相比較而言，0o方案的優(yōu)點是：
（1） 主廠房位于厚層～巨厚層的 、 層Ⅱ類圍巖中，巖溶不發(fā)育，斷裂不發(fā)育，且小斷層、裂隙大多被方介石充填，膠結(jié)好，巖體強(qiáng)度高。
（2） 從地層的分布，O31x 、O41x 巖層段的水平投影長度約66m，考慮到巖層傾角65o及主廠房高度約72m，主廠房基本處于O31x 、O41x 巖層段的中間。主廠房軸線與壩區(qū)地應(yīng)力的最大主應(yīng)力方向平行，對廠房圍巖穩(wěn)定有利。
（3） 主廠房避開了位于廠房上游的KW51號巖容系統(tǒng)和位于主廠房下游的W84熱水巖溶系統(tǒng)，廠房溫度易于控制，并可避開C夾層對廠房頂拱及上游高邊墻圍巖穩(wěn)定的不利影響，在主廠房頂拱的上游側(cè)區(qū)域，保留了距C2夾層較大的巖橋厚度?！ ?/p>
（4） 由于主廠房軸線平行于巖層走向，由此帶來了在主廠房下游邊墻出露層鈣質(zhì)頁巖的不利的順層邊墻段，采用常用的錨固措施和對尾水管段采用槽挖方式，是可以處理的。0o方案較好地利用了主廠房地段有利的地質(zhì)條件和避開不利的地質(zhì)條件。對于主廠房段地圍巖中存在的地質(zhì)缺陷問題可以采用常用的措施加以處理?！ ?/p>
3. 電站尾水隧洞采用變頂高新體型 彭水水電站機(jī)組過水流量大（單機(jī)組578m3/s）、水頭相對較低（極端最小水頭僅44m）、下游尾水洞長（1#~5#470~350m）、下游水位變幅大（37~61m）的特點，使得下游調(diào)壓室的尺寸巨大，如由最小水頭確定的調(diào)壓室斷面積，不能滿足電站在最小水頭與極端最小水頭之間運行時的小波動穩(wěn)定性要求；而根據(jù)極端最小水頭確定的調(diào)壓室斷面積，需擴(kuò)大約46%的調(diào)壓室面積，不僅增加了工程量、工程造價及施工難度，同時過大的調(diào)壓室尺寸對其自身的圍巖穩(wěn)定不利，還危及廠房洞室的圍巖穩(wěn)定，使方案難以成立?！ ?/p>
為找出一條既有有壓洞的優(yōu)點，又有無壓洞的長處，將兩者結(jié)合在一起的綜合隧洞，經(jīng)過多年的努力探索，仿真計算和模型試驗等大量的工作后，長江設(shè)計院于1996年提出了“變頂高”尾水隧洞新型結(jié)構(gòu)方案。在我國內(nèi)是首創(chuàng)?！ ?/p>
變頂高尾水洞的工作原理是采用特殊的尾水洞型式來適應(yīng)下游水位的變化，以滿足電站調(diào)節(jié)保證和穩(wěn)定運行的要求。當(dāng)下游為低水位時，尾水洞有壓滿流段比較短，無壓明流段比較長，尾水管進(jìn)口處負(fù)壓以及機(jī)組運行穩(wěn)定性容易滿足規(guī)范的要求；隨著下游水位升高，盡管有壓滿流段的長度逐漸增長，無壓明流段的長度逐漸減短，直至尾水洞全部呈有壓流，但有壓段的平均流速是逐漸減小的，而且機(jī)組的淹沒深度也逐漸加大。正負(fù)兩方面的作用使得尾水管進(jìn)口處負(fù)壓能控制在規(guī)范的范圍之內(nèi)，并且保證機(jī)組運行穩(wěn)定，從而起到取代尾水調(diào)壓室的作用。
彭水水電站變頂高尾水洞方案采用單機(jī)單洞1#~5#機(jī)尾水洞長度為402~288m，變頂高尾水洞的前部頂拱采用二次曲線，其后的隧洞采用不同的頂坡和底坡與尾水出口相接，變頂高尾水洞的斷面為城門洞型，斷面尺寸12.6m×22.28m~12.6m×27.5m?！?/p>
物理模型試驗結(jié)果表明：
低水位時，尾水洞呈明流，流態(tài)平穩(wěn)；
中水位時，尾水洞呈明滿混合流特征，洞內(nèi)平均流速較低，無明顯的“拍擊”現(xiàn)象，并不產(chǎn)生有害的水流狀態(tài)，所以既不會對拱頂結(jié)構(gòu)帶來危害，也不會對機(jī)組穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。
在高水位時，整個變頂高尾水洞呈有壓流，因其流速低，不僅有效地減小了水流慣性的影響，而且也減小了水頭損失，增加發(fā)電效益。
綜上所述，從水流水力特性和機(jī)組穩(wěn)定運行來說，變頂高尾水洞方案可以取代尾水調(diào)壓室方案。該方案不僅可以滿足電站各種工況下的穩(wěn)定運行要求，同時還使地下洞室的布置變得簡單，方便施工，具有較大經(jīng)濟(jì)效益。