低水头大流量水利枢纽特性与设计优化

2010-02-13曾新民

中国水利 2010年20期

曾新民

（中水珠江规划勘测设计有限公司，510610，广州）

20世纪八九十年代，广东省能源匮乏，可开发的水电多为低水头中小型水电站，中水珠江规划勘测设计有限公司（以下简称珠江设计公司）设计此类水电站也最多。进入21世纪后，水能资源开发任务为航运、防洪、发电、改善城市水景观等综合利用。广东的东江水利枢纽、清远水利枢纽，广西的长洲、桂平航运枢纽，湖南的株洲航电枢纽、长沙综合枢纽，江西的石虎塘航电枢纽、峡江水利枢纽，重庆的草街、利泽航电枢纽……截至目前，中水珠江设计公司设计的大中型低水头大流量水利枢纽有30座。

一、低水头大流量水利枢纽的特性

大中型低水头大流量水利枢纽地处南方河流的中下游，均在平原丘陵区，河谷开阔，比降平缓，土地肥沃，人口密集，交通繁忙。它们具有以下特性：①水头低，坝高低；②流量大，泄洪规模大，闸下水深大，导流难度大；③水轮机直径大，厂房规模大；④均有航运任务，需要布设通航建筑物，施工期不能断航；⑤库区淹没、浸没问题突出。

改革开放初期，低水头大流量水利枢纽以发电为主，但需建船闸，航道部门又不出资，工程建设全部资金都要靠发电承担，因此低水头大流量水利枢纽经济效益较差。充分认识、利用其特性优化设计，才能降低工程造价，多发电，早发电，提高工程的经济效益。

二、设计优化

1.正常蓄水位与库区防护

低水头水利枢纽的特性之一是水头低、流量大，而电站的发电量取决于水头和流量，所以水头十分珍贵。多数低水头电站水头只有几米，水头增加几十厘米增加的发电量都很可观。但是正常蓄水位的提高会引起库区淹没的增加，这就要研究减少库区淹没的措施，如水库运行方式、库区防护等。正常蓄水位决定电站的发电量和库区淹没赔偿，涉及的方面很多，必须综合比较，选出最优的正常蓄水位，改善枢纽的技术经济指标。

采取库区防护措施，既可保护珍贵的土地资源，避免人口迁移，还可节省工程投资。白石窑水电站库区建设了5个防护区，防护工程投资远少于淹没赔偿费。防护区的排涝方式有自流排和电排，在有条件的地方应尽量采用自流排，可以节省电费、管理费，还可防止浸没。

当防护区地面高程低于水库正常蓄水位且地面不透水层重量小于渗透压力时，就要防止浸没。20世纪八九十年代多采用排水减压措施，由于减压井容易堵塞，运行维护工作量大，90年代后多采用垂直截渗，但工程量大，投资大。近期措施是将耕地填高，使其高出正常水位，但其经济性要视填土高度和施工条件而定。

2.坝址选择和枢纽布置

（1）坝址选择

低水头水利枢纽流量大，泄洪规模大，施工导流难度大。在选择坝址时，河床宽度宜大于泄水闸、厂房、船闸三大建筑物的前缘长度并留有余地。坝址处有岛屿、沙洲更好，可降低纵向导流围堰的施工难度。以长洲水利枢纽选址为例，长洲水利枢纽的主要任务是发电和航运。装机容量63万kW，选用贯流灯泡机组15台，近期兴建双线千吨级船闸。选择上、下两个具有代表性的坝址进行比较。上坝址的地形为两岛三江，即长洲和四化洲，外江、中江和内江；下坝址地形为一岛两江，即长洲、外江和内江。坝址比较是坝址自然条件的比较，长洲水利枢纽的特点是施工导流流量大，施工通航要求高，坝址最主要的区别是上坝址穿过两岛三江，而下坝址仅穿过一岛两江，所以上坝址可以利用两岛做施工导流纵向围堰，而下坝址除利用一个岛做施工导流纵向围堰外，还要在外江中间做一道纵向围堰。由此两个坝址在施工导流、施工通航的难度、工程量、工期、施工期发电量等方面有较大差别。比较的结果上坝址优于下坝址，选择上坝址。

（2）枢纽布置

低水头水利枢纽主要建筑物有泄水闸、河床式厂房、船闸及连接坝段。通常情况下，由于通航水流条件较难满足，船闸位置应优先考虑。船闸宜临岸布置，不应布置在泄水闸和电站之间。以飞来峡水利枢纽为例。

飞来峡枢纽坝址河床宽阔，主流靠左岸，水面宽约700 m，河床冲积层厚8～18 m。右岸高漫滩，宽约1 000 m，长约2 000 m，冲积层厚25～34 m。枢纽由16孔溢流坝、河床式厂房、船闸和土坝组成，溢流坝、厂房、船闸三大建筑物前缘长度约500 m。

飞来峡水利枢纽于1984年选定升平坝址，此后6年，枢纽布置一直在滩地布置和河床布置两大方案间徘徊。滩地布置方案是将混凝土建筑物（溢流坝、厂房、船闸）布置在右岸高漫滩，利用原河床导流和通航。优点是导流工程简单，施工通航条件好，工程开工即可进行主体工程建设。缺点是泄洪闸只宜采用软基，受单宽流量限制，孔数多，工程量大；对河势的改变大，上游夹洲影响进水，下游板塘山嘴影响出闸流向，有碍船队航行。河床布置方案是将混凝土建筑物布置在原河床，施工第一期在右岸滩地开挖明渠导流和通航。优点是对河势无改变，泄水闸可利用岩基，工程量小。缺点是为了满足导流和通航，明渠工程量大，土方开挖500多万m3，衬砌混凝土11万m3，工期约需增加1.5年。1990年水利部专家组提出左移方案，即将河床方案的混凝土建筑物向左岸平移300 m，船闸和厂房布置在左岸山丘，溢流坝布置在河床左侧。第一期施工为左岸船闸、厂房和溢流坝，由扩宽后的右侧河床导流和通航。该方案克服了上述两方案的缺点，与河床方案比较，节省投资7 700万元，工期缩短1.5年。

3.泄洪规模和施工导流

（1）泄洪规模选择

经分析发现，低水头电站回水线有如下特点：在一定的蓄水位条件下，小流量的回水终点离坝远，大流量的回水终点离坝近，闸门全开敞泄流时，回水终点移至坝前。也就是说，库尾回水外包线由发电流量控制，坝前回水外包线由正常蓄水位或洪水位确定。若淹没处理的设计洪水位低于正常蓄水位，坝前淹没赔偿由正常蓄水位确定，泄洪规模只要满足淹没处理的设计水位不超过正常蓄水位即可。若淹没处理的设计洪水位高于正常蓄水位，泄洪规模应通过不同的孔数和不同的淹没赔偿进行技术经济比较确定。以上是对清水河流而言，对多沙河流则要在水库冲淤平衡的基础上推求水库回水外包线。

（2）施工导流

电站经济效益的改善除了减少工程量和投资且要多发电外，还要争取早发电。缩短工期是最大的效益，而工期首先取决于施工导流。

长洲水利枢纽施工导流设计先后作了四次：初步设计、咨询公司设计、施工图设计、优化设计。在施工图设计中，枢纽布置如下：船闸位置不变；外江右侧布置16孔泄水闸，左侧布置9台机组厂房；中江布置15孔泄水闸；内江左侧布置6台机组厂房，右侧布置12孔泄水闸。导流标准：全年不过水围堰采用10年一遇洪水标准。过水围堰，采用11月1日至翌年4月15日5年一遇洪水标准。导流方案：一期围外江和内江左岸厂房及2孔泄水闸，外江采用全年挡水土石围堰，全年施工；内江厂房采用在草土围堰保护下修筑碾压混凝土过水围堰，半年施工。枯水期由中江和内江右侧河道导流，汛期内江左侧厂房过水围堰参加过流，中江通航。二期分别围中江和内江右侧10孔泄水闸，均采用土石过水围堰，半年施工。枯水期由建好的外江16孔、内江2孔泄水闸导流，汛期中江和内江过水围堰参加过流，船闸通航。

珠江设计公司提供的施工导流设计，其枢纽布置和导流标准与施工图设计相同：第1个枯水期用低水围堰围外江，施工泄水闸和厂房用高水围堰，由中江和内江导流，中江通航。第1个汛期在高水围堰保护下施工外江厂房，由中江、内江和外江已建好的泄水闸导流，中江通航。第2个枯水期用低水围堰围内江，施工内江泄水闸和厂房高水围堰，由中江和外江泄水闸导流，中江通航，外江厂房继续施工。第2个汛期由中江、外江泄水闸和内江泄水闸导流，中江通航。在高水围堰保护下施工内江厂房。外江厂房进行机组安装。第3个枯水期围中江，采用土石过水围堰，施工中江15孔泄水闸。由外江、内江泄水闸导流，船闸通航。外江继续安装机组，内江厂房继续施工。第4年1月底外江厂房两台机组发电，发电工期2年8个月，总工期4年5个月。和施工图设计相比，发电工期和总工期分别提前1年和1年5个月。

优化设计采用先外江、后内江、再中江逐江逐年开工，用低水围堰修建泄水闸和厂房高水围堰，厂房在高水围堰保护下全年施工。方案的优点是工期缩短，导流工程量、投资减少，各期导流都有较大的过水断面，水位低，施工临时淹没少，发电工期提前22个月。

4.泄水闸消能防冲和土坝无围堰筑坝

（1）泄水闸消能防冲

低水头水利枢纽（防洪水库除外）全开闸门敞泄洪水时，上下游水位差不到1 m，而且下游水深大，闸下呈波流和面流与下游衔接，没有消能问题。当入库流量大于电站满发流量且小于停机流量时，发电外的弃水由泄水闸宣泄才存在消能问题。

白石窑水电站经水工模型试验，闸趾处冲深不大，冲刷发生在闸趾以下50～100m范围内，据此按面流消能设计，闸下设消力塘，底板不衬砌。为确保泄水闸本身的安全，在泄水闸前趾、后踵设钢筋混凝土齿槽。电站自1997年3月15日下闸蓄水运行至今，经水下检查，冲刷情况与设计相符。此后珠江设计公司设计的低水头水利枢纽，绝大多数采用面流消能，至今还没有一个工程的消能防冲设施发生损坏。

（2）土坝采用无围堰筑坝

低水头水利枢纽两岸连接土坝的高度一般在40 m以下，如果采用常规筑坝技术，围堰的填筑量与土坝的填筑量相差无几，一个枯水期难以达到拦洪高程，既费时又费钱。在白石窑水电站小江土坝设计中采用无围堰筑坝，即以截流戗堤作土坝下游排水棱体，水面以下用砂砾石抛填，水面以上为碾压土坝。对砂砾石抛填部分和坝基覆盖层采用混凝土防渗墙防渗。小江土坝最大坝高28.5 m，已运行10余年，坝坡稳定，坝体无裂缝，坝下游未发现集中渗流和管涌。