基于小型河床式水电站的设计特点

甄 燕，李金霖

(1. 西北水电勘察设计研究院，西安710065;2. 中铁十七局二公司，西安710065)

1 小型河床式水电站的特点

1.1 地形选址和枢纽布置

小型河床式水电站所选择的坝址一般位于河床较宽而且两岸地势较低的位置，同时河道中下游河道纵坡平缓的河段，避免大量淹没，以建低坝或闸。河床式水电站的枢纽建筑物主要有厂房、船闸、泄洪闸以及挡水坝等建筑物。为了便于水电站的管理，水电站厂房和船闸一般不布置在河岸的同一侧，而分置于河道两侧，泄洪闸设置在河床的中间部分。

1.2 水电站厂房

无论是大型还是小型的河床式水电站，它都被作为挡水坝的一个重要组成部分，厂房本身起挡水作用是河床式水电站的主要特征。同时，为了适应大流量的水流，河床式厂房也成为了低水头水电站厂房的类型选择，而且水电站机组一般采用灯泡式。这种形式可以大大节省土建的工程量，而且水电站的厂房结构也比其他类型的厂房简单，机组安装时间也很短。此外，河床式水电站可以使用很小的机组和发电水头。在河床式水电站中所应用的最小水头一般为8 ～10 m以下。

1.3 需要大量金属结构制作和安装工作

河床式水电站修建在江河之上，在夏季需要大流量宣泄，所以，水电站需要安装大量的排泄闸以防止汛期出现洪水冲毁堤坝的现象发生。同时，河床式水电站的金属结构制作的工作量也很大，主要包括泄洪闸工作门、检修门及启闭机、厂房出入口的工作门、检修门等6个主要组成成分，因此，河床式水电站需要有大量的金属结构制作及安装工作量。

1.4 对通航的要求

通航需求对水电站的建设工期有着重要影响。通常情况下，水电站的建设不能阻碍河流的正常通航，所以，在修建河床式水电站时，如果要建设水电站的河流有通航要求，为满足该要求，要尽量缩短水电站建设的工期，并且修建时一般选择通航需求较少的季节来进行施工。

1.5 厂房建设是水电站建设的重要环节

在河床式水电站中，厂房是重要组成部分，关系着整个水电站的正常运行和管理。同样，在小型河床式水电站建设项目中，与水电站的其他建设环节相比，厂房是水电站工程建设的重要内容，同时，河床式水电站建设的所有环节中，厂房工程是重点建设内容，其主要原因是: 厂房工程施工需要工序较多，而且工作量较大，施工时间在整个工程项目建设工期占有最大比例，这就决定了厂房工程是整个河床式水电站工程施工进度中的关键环节。

2 小型河床式水电站的设计特点

2.1 厂房的设计特点

小型河床式水电站的顺水流方向主要有3个部分组成，即进水口段、主厂房段以及尾水段。其中，进水口段流向的尺寸主要受到布置进水口闸、拦污栅和连接进口与蜗壳的上唇曲线段的需求影响，因此，尺寸的确定要以这3 项为基准。

在河床式水电站中，水库不需要太大的容积和深度，但是在污水期，有许多漂流的污物，会导致进水口拦污和清污出现问题。例如，我国黄河上建设的一些河床式厂房，在洪水期就会有大量草泥顺着水流下漂，会引起发电机组停机的状况。所以，不仅要设置主拦污栅，还要根据污物的特性来增加副拦污栅的布置，提高拦污能力。同时，小型河床式厂房只设可以在动水中下降的事故工作闸门，但是也要采取如下措施对机组进行控制:运用双调节系统并设置事故配压阀等。基于以上情况，事故工作阀门可使用门机吊落，可以有效减少厂房的闸门和启闭机的使用数量。

同时，厂房机组段的宽度，就是水流进水口段的垂直宽度。如果进口宽度较大，那么就要设置几道中间隔墩，进而缩小闸门与厂房结构之间的距离。而且，隔墩在蜗壳前室的长度对水轮机中水流的状态具有重要影响，因此，需要对水力进行测试再确定隔墩深入前室的程度。

小型河床式厂房的水头比其他类型的厂房低，这使得水轮机尾水管的长度就较长，尾水段的尺寸也较大，所以，主变压器往往都安装在尾水平台上，并要与尾水管的长度相适应。和进水口段相同，尾水段的宽度与机组段的宽度也是完全一样的，而且也需要设置隔墩。但是隔墩的长度不能深入尾水管段的内部，不然会导致尾水管内部的状态恶化，进而降低水轮机的工作效率。

对于水头较高的小型河床式厂房，进水口的平台要比发电机层的楼板高，机房在上游部分起到了挡水的作用。对于无论是在洪水期还是枯水期水位变动较大的河谷来说，在洪水期，下游的水位会很高，尾水平台的高度也会远远高于发电机层的楼板，厂房下游部分也要设挡水墙，进而形成一个封闭的厂房结构。

此外，小型河床式厂房自身也是一个起到挡水作用的建筑物，因此，在对厂房进行地下体型设计时要妥善考虑，特别是厂房基础为软弱地基或者水的冲击力较大时，要尽量减小渗透压力对厂房所产生的压力，保证厂房有一个稳定的整体结构，降低渗透对厂房所产生的变形影响，采取措施是提高厂房的地基承载力，缓解厂房由于渗透而造成的不均匀沉降。如果厂房的上下游具有很大差别的沉降，机组的主轴会产生一定程度的倾斜。而且，不均匀沉降也会导致吊车梁接缝出现裂缝错开的现象，较大程度的错开还会对机组段中的止水造成一定程度的损害。所以，如果小型河床式厂房基础为软土地基，要对其尾水渠进行加固处理。

最后，小型河床式厂房的水库比其他类型的厂房水库小，因而在厂房前容易积聚大量的泥沙。所以，为了减少泥沙的大量堆积而对水轮机造成磨损，要在水电站枢纽布置中对建筑物进行合理的安排，使得携带大量泥沙的水流也能够在水电站平稳的下泄。对厂房前的水流也要严加注意，尽最大程度的减少局部淤积而导致的整体堵塞现象;在厂房的上游都要设置拦沙槛，防止大量的淤泥向下游推移; 同时设置排沙孔或者底孔，使得淤泥在没有进入进水口之前就会被冲到下游地区。

2.2 小型河床式水电站施工导流的设计特点

在进行水电站建设之前，要对水电站建设的地形地质等做考察，尤其是水电站是否通航的问题，对这个问题一般分为两种情况来考虑，即在施工期间允许断航和不允许断航。在这两种情况下，小型河床式水电站的施工导流也具有设计特点。

2.2.1 施工期可以断航

在这种情况下，在厂房进行设计时一般都是考虑先围发电厂房或者周边的泄洪闸，再利用河床进行导流。然后再建设船闸和其它剩余的泄洪闸，并利用前期所建成的河床进行导流。这种方式可以减少许多工程量。

2.2.2 施工期不可以断航

如果水电站在施工期不可以断航，在设计时也存在着两个方案:

1) 如果水电站的建设地形允许，那么可以采取两岸同围、中间通航的方式，也就是说将厂房、船闸和泄洪闸同时围住，然后再考虑中间通航问题。

2) 先围厂房及闸孔，然后由剩余的河床进行导流，在厂房基本完工后，在围船闸及其他闸孔，并由前期的闸孔负责通航。而且在设计时，这种方式要比其他方式的程序简单，而且能够有效的缩短工期。但是也存在着缺点，就是这种方式对闸孔类型具有限制，一般只应用于平底堰型。

因此，在选择小型河床式水电站的疏导方案时，要对通航进行仔细的研究，将通航和导流作为影响方案选择的重要因素。

在方案确定以后，就要对导流标准及导流时段进行设计和选择。而这两项与导流建筑物的建设成本、施工安全等具有紧密联系。导流建筑物的设计要根据相关的设计规范进行，而且它由保护对象、使用期限等各种因素所确定。在一般情况下，小型河床式水电站在施工导流期的水位要低于河堤，而且，小型水电站工程的围堰使用期限都很短，对于低水围堰的使用年限比高水围堰更短。所以，小型河床式水电站在设计时，要切实注意这一点，要根据实际情况来对水电站的洪水水位标准进行设定，进而降低导流工程的成本。

对导流时段进行选择，也要以小型河床式水电站的设计特点来进行。就是要根据水电站基坑的工程量来对导流时段进行选择。一般来说，厂房工程是水电站的重要建设环节。因为，无论是对于哪种水电站来说，厂房工程都是建设基础深，工程量大，需要有大量工种、技术和时间来支持。只有厂房工程尽快完成，才能够尽早的收到水电站的效益。所以，要优先进行厂房的建设，保证施工的连续性。与厂房工程相比，船闸或者闸坝的工程量则相对较少，而且建设工序也较为简单，工期很短，所以，厂房在全年中起到了挡水的作用，而闸坝和船闸则是在枯水期发挥挡水作用。

此外，在对小型河床式水电站的施工导流进行设计时，除了考虑以上两个特点以外，对于围堰型式的选择设计的特点也要给以考虑。主要分为两种情况:①是如果河床覆盖较薄，可以选择使用浆砌石的围堰型式，因为纵向围堰的抗冲击能力较其他型式强，但是所要花费的成本却很高。②如果河床覆盖较厚，那么就使用土石围堰型式，这样可以有效的加强抗冲击的能力。所以，在对小型河床式水电站的导流进行设计时，要切实考虑不同围堰类型所具有的特点，然后在根据河床式水电站的特点而选择合适的围堰类型。

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