尼泊尔郎塘水电站引水枢纽设计技术探讨

赖 磊， 黄 彬

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

尼泊尔郎塘水电工程位于尼泊尔联邦民主共和国中央发展区巴格马蒂专区拉苏瓦县，距尼泊尔首都加德满都约115 km。郎塘水电站为引水式电站，最大坝高14.0 m；引水隧洞总长2 984.89 m；发电厂房为地面厂房。电站装机容量22 MW，引用流量14 m3/s，额定水头191.91 m，除发电外无其它综合利用要求。电站年利用小时6 142 h，年平均发电量13 512万kWh。根据相关规范，本电站为Ⅳ等小(1)工程。永久性主要水工建筑物按4级设计，次要水工建筑物按5级设计。[1]

对于地处山区的中小型水电站，由于引用流量小、库盆狭窄、落差大，因此引水式电站最为常见，引水枢纽作为引水式电站最重要的构成之一，其方案比选，工程布置，结构优化在很大程度上影响电站的经济合理性、运行的安全性和可靠度。因此下文用本工程实例对引水式电站的引水枢纽方案比较及建筑物选择进行探讨。

2 设计思路

引水枢纽作为本电站最重要的组成部分，其设计方案直接影响到整个电站的投资，施工难度，直线工期及后期运行维护的可靠性和安全性等方面，因此，在设计中，需拟定多种方案，从技术上和经济上进行综合比较，从而选定最优设计方案。

引水枢纽设计内容主要由以下部分组成：根据坝厂址位置及各边界条件进行引水线路左右岸方案比较，以确定引水走线；根据已选定引水线路，拟定无压引水方案和有压引水方案进行技术经济比较；确定有压引水方案后，再拟定各引水建筑物的最优尺寸，如取水口淹没深度，隧洞开挖直径，衬砌厚度，调压井及压力管道直径等，最后进行水力及结构计算，上述设计过程不断重复，直至选定最优的设计方案为止。下面将主要对引水枢纽的走线及引水建筑物布置形式作出比较。

3 方案比较

3.1 引水线路走线选择

隧洞路线一般首先尽可能布置成最短的直线[2]，但实际需综合考虑地形、地质、覆盖厚度、生态环境、水土保持、枢纽总布置、水力学、施工、运行、沿线建筑物等各种因素，通过可能方案的技术经济比较选定[3]。

从开发河段的宏观地形地貌来看，河道右岸山体单薄，连续性差，受冲沟的深切割，隧洞跨沟、穿沟较为困难，且引水隧洞较长，工程投资较大；河道左岸山体雄厚，无大的深沟切割，连续性好，引水隧洞容易穿过，轴线较短，工程投资较少。

从工程地质角度来看，右岸山体有区域性的断层通过，断层及断层影响带宽20～40 m，引水隧洞经过断层及影响带时，成洞较为困难。从岩性来看，右岸山体单薄，隧洞埋深较浅，围岩大部分为Ⅳ和Ⅴ类，地下洞室的临时及永久支护工程量大。左岸山体无区域性的断层通过，出露的地层岩性主要为片麻岩，石英砂岩、石英岩，片麻岩为含有蓝晶石矿物的层积、浅棕色、中粗粒带状片麻岩、具有蓝晶石矿物是这个单元的主要岩石特征，围岩大部分为Ⅱ和Ⅲ类，适宜设置地下洞室，且地下洞室的临时及永久支护工程量与右岸相比较小，虽然建厂的地形条件较狭窄，但可以通过向河流下游稍微偏移增加场地设置地面厂房。左右岸引水条件比较见表1。

表1 左右岸引水线路比较表

根据上述比较，从两岸的地形地质条件、工程投资及施工环境等因素上，左岸引水方案明显优于右岸引水方案，因此选定左岸引水方案。

3.2 有压引水方案及无压引水方案比较

确定为左岸引水方案后，接下来将对引水方式进行选择，因此，本阶段就有压引水线路和无压引水线路作同精度的布置比较。

其中，有压引水方案主要由以下建筑物组成：有压取水口→有压隧洞→埋藏式调压井→压力钢管(地下暗管)；无压引水方案主要由以下建筑物组成：无压取水口→无压隧洞→压力前池(溢流道)→压力钢管(地面明管)。

3.2.1 工程地质对比

两方案引水隧洞的工程地质条件基本相同，不同的是调压室和压力前池的工程地质条件。调压室位于Ⅲ-Ⅳ类围岩中，围岩地质条件较好，而地下压力前池位于强风化带中，埋深较调压井浅，大多为风化破碎岩石，成洞较为困难，风险较大，临时支护工程量较多。

3.2.2 生态环境影响对比

有压系统全部位于地下，不会破坏地表、地貌和植被，环境影响较小；无压系统的压力管道置于地表，施工时会进行大面积开挖，破坏地表植被和地貌，甚至会出现边坡稳定等问题，环境影响较大。由于工程区地处尼泊尔郎塘国家森林公园内，政府对环境保护要求较高，因此，不推荐无压引水方案。

3.2.3 主要建筑物规模对比

根据隧洞工程投资和电能损失等综合分析比较确定[4]，有压隧洞开挖断面面积为9.5 m2,无压隧洞开挖断面为11 m2，隧洞长度基本相同，且有压隧洞压力较小，因此，有压隧洞洞挖、临时支护、衬砌工程量均小于无压隧洞。

3.2.4 动能经济条件对比

经水头损失计算，有压方案满发时水头损失Hw=17.62 m，无压方案满发时水头损失分别为Hw=13.85 m，无压方案水头利用比有压方案多利用3.77 m，年发电量增加275万kWh，但投资需增加475万元，相应单位电能投资为1.73元/kWh，高于有压方案本身单位电能投资0.992元/kWh，说明无压方案是不经济的。

3.2.5 工程量大小对比

无压引水方案的前池应布置在稳定的地基上，避开滑坡和顺坡裂隙发育地段，以确保前池和下游厂房的安全[5]。无压隧洞出口地势陡峻，开挖量大，且局部存在滑坡的可能，为保证工程安全，压力前池布置为地下前池，地下前池存在工程量大，跨度空间较大，运行检修不便，冲沙溢流洞布置不利等问题，且压力前池至河谷段边坡陡峭，坡度约为50°，高约220m，溢流道的布置及溢流消能非常困难。

3.2.6 施工工序及工期对比

有压隧洞施工工序较复杂，灌浆及衬砌要求较高。无压隧洞压力管道布置为明管，工作面较有压隧洞方案的埋管更多，经过施工组织设计，无压方案的施工工期较有压方案提前约1.5个月。

根据上述综合比较，有压引水系统比无压系统节省约475万元，单位电能投资低，地质条件可靠，环境影响甚小，运行维护方便，因此选择为左岸有压引水方案进行设计。主要引水建筑物布置为：有压取水口→有压隧洞→埋藏式调压井→压力钢管(地下暗管)。

4 结 语

尼泊尔郎塘水电站属于小流量、高落差的引水式电站，笔者通过对郎塘电站所在区域的地形、地质、施工环境等充分了解后，拟定了左右岸引水的初步方案，经过综合比较，确定为左岸引水方案，再通过工程量、工程区地形地质条件、动能经济等方面比较，最终选定引水线路为有压引水方案。

本工程所在区域山体陡峻，地形坡度为50°～70°，为条状突出山脊，山高且陡，受2015年尼泊尔地震影响，该地区地表岩石破碎，局部呈现不稳定状态。结合上述因素和特点，引水枢纽建筑物均选择为埋藏式，大大提高了工程运行的安全性和可靠性，同时也降低了明挖对边坡的扰动。