绵河水电站拦河坝改造设计方案比选

2013-08-15何东海

山西水利 2013年10期

何东海

（太原市水利勘测设计院，山西太原 030002）

1 概况

绵河是滹沱河的一级支流，属海河流域子牙河水系，其上游分为桃河和温河两支，在平定县娘子关镇汇合后称为绵河，向东出省界进入河北省。绵河以桃河为主源，在山西省境内河长84 km，纵坡6‰。该河为山间河流，呈蜿蜒形，因有娘子关岩溶泉的汇入，河中水量充沛，多年平均流量14.26 m3/s，其中娘子关泉水流量12 m3/s，为山西省最大的泉水。绵河在山西省的流域总面积为2 507 km2。

拦河坝位于平定县娘子关镇娘子关村绵河河道内，为娘子关绵河水电站的引水拦河坝。绵河水电站位于娘子关村绵河右岸，为有坝引水式，取水为地表水，厂房为河床淹没式，电站总装机发电容量2×200 kW。电站于1987年7月竣工投入运行，主要工程建筑包括拦河坝、引水渠、厂房、水轮机室、尾水渠、交通廊道等。水轮机室采用承压式，发电机为立式水轮发电机。娘子关绵河水电站建成至今，运行状况良好，对环境无影响，属清洁环保型电站。

2 工程现状及存在问题

绵河水电站拦河坝枢纽总长66.2 m，主要包括拦河坝、排沙闸和引水闸。其中拦河坝为浆砌石重力坝，坝顶高程360.1 m，坝顶宽度1.0 m，上游边坡1∶1，下游边坡 1∶0.35，底宽 10 m，坝高 6.4 m，坝长 50.9 m，主要作用为壅高河道水位；排沙闸为钢筋混凝土排架结构，共4孔，上下各2孔，孔径2.0 m×2.0 m，闸顶工作平台高程362.2 m；冲沙闸底高程357.5 m，总宽度9.3 m，主要用于排泄引水闸前的泥沙；引水闸为钢筋混凝土排架结构，有4孔，上下各2孔，孔径2.0 m×2.0 m，闸顶工作平台高程362.20 m，总宽度6.0 m，主要通过引水渠向电站输送水源进行发电。

枢纽建成并经多年运行后，上游河道严重淤积的问题，不能满足20年一遇的防洪标准，主要原因是拦河坝枢纽将河道抬高6 m左右，使河道原有宣泄泥沙的能力减弱，虽然设有排沙闸，但由于闸孔尺寸偏小，排沙能力有限。

3 改造方案

绵河水电站拦河坝枢纽改造工程为亚洲开发银行贷款山西省小城镇发展示范项目的一部分，结合亚行贷款项目的主要内容，电站枢纽改造主要达到改善河道泥沙淤积状况，增加上游河道蓄水水面的目的。

改造方案结合枢纽工程的实际情况，将拦河坝高程整体降至357 m，拆除排沙闸，修建长度为60.2 m的挡水建筑物，利于河道排沙；为了增加上游蓄水水面面积，将坝顶高程由360.1 m提高至362 m。因此需修建高5 m、长60.2 m的挡水建筑物。

4 方案比选

挡水建筑物采用橡胶坝方案与钢坝闸方案。橡胶坝方案坝高5.0 m，坝袋内压比1.35，坝长60.2 m，跨数4跨，单跨长13.75 m，边墩宽1.1 m，中墩宽1.0 m，采用动力充排水；钢坝闸方案孔口尺寸9.55 m×5.0 m（宽×高），孔数4孔，设计底板高程357 m，设计蓄水位362 m，最大启闭水头差5 m，采用动水启闭，最高挡水位5 m，边墩宽3.65 m，中墩宽4.9 m。两方案优缺点如下：

4.1 使用寿命

钢坝的设计使用寿命可达50～60年；根据室内测试资料和工程实践，初步判定橡胶坝的使用寿命为10～15年。

4.2 损坏情况

橡胶坝容易受到尖利和有尖角物体的损坏，在容易受到人为破坏或河道内有尖角物较多的地方不宜安装橡胶坝；钢坝闸本身属性决定上述情况运用都不会受到影响，且闸门的运转件采用特殊复合材料，该材料在水下运行若干年无需加润滑油，也不会锈蚀。

4.3 运行情况

4.3.1 运行时间

橡胶坝是通过充气或充水的方式来达到升坝的目的，正常需要2～3 h才能完全升坝或塌坝，时间较长。而钢性闸门采用启闭机启闭，运行速度可达1～2 m/min，一般工程不超过2 min即可完成升坝和塌坝，从而有效保证突发洪水时能及时宣泄。

4.3.2 运行可靠性

由于橡胶蜡交联、刺伤、管道联结缺陷及紧固系统和施工质量等原因，橡胶坝可能存在泄漏，因此要经常性地充气（水），否则会出现坝泄气（水）自动塌坝的现象，造成一定损失。而钢坝采用机械锁定，当塌坝、升坝和调节水位时任意角度都可锁定，不会发生移动。

4.3.3 坝顶溢流

橡胶坝设计规范中规定溢流不能超过50 cm，否则会出现跨坝事件，而钢坝可有效克服这一缺陷，可长时间大流量地从坝顶溢流形成瀑布效果。

4.3.4 自动化控制

橡胶坝一般难以实现集中网络控制，而钢坝可以实现先进的自动化控制和网络控制，可在全球任一互联网控制。

4.4 安全可靠性分析

橡胶坝一般需建1座供气站或水泵房，管路多且复杂，而钢坝仅需配套2台驱动装置，该驱动装置结构简单，操作方便，无须水管、泵站等附属设施，且该驱动装置配备了手动装置，如果发生停电或其他故障时可手动操作，操作力只需5 kg，有效保证了及时升降坝，安全性极高。

4.5 能耗对比

13 m长的橡胶坝用电负荷量最少需功率20 kW/h左右，每次升坝时间约为1～2 h；9.55 m长的钢坝用电负荷量只需15 kW/h左右，每次升坝时间只需2～3 min，钢坝闸比橡胶坝每年可节省相当大的用电量。

综合比较以上两方案优缺点，结合该工程实际情况，挡水建筑物采用钢坝闸方案。

5 工程设计

此次设计将原枢纽除引水闸外的其他部分拆除，底板拆至高程355.9 m左右，然后在原拦河坝枢纽处修建钢坝闸。钢坝闸总长60.2 m，右侧为原6 m宽的引水闸段。

钢坝闸共布置4孔，孔口宽度9.55 m，有3个中墩、2个边墩，中墩宽4.9 m，边墩宽3.65 m。设计闸底板高程357 m，蓄水位高程362 m，墩顶高程362.5 m。

闸底板采用C25钢筋混凝土浇筑，底板底高程356 m，下铺设100 mm厚的C15素混凝土垫层，底板厚1 m、长13 m。为改善闸室的抗滑稳定，在底板上下游设置齿墙，齿墙深1 m、宽1 m。

中墩、边墩为空箱结构，采用C25钢筋混凝土浇筑，中墩宽4.9 m、长13 m、高5.5 m、壁厚0.8 m；内部宽3.3 m、长11.4 m，内部布置2台液压启闭机。边墩宽3.65 m、长13 m、高5.5 m、壁厚0.8 m；内部宽2.05 m、长11.4 m，内部布置1台液压启闭机。为改善闸墩上下游水流条件，同时便于施工，中墩及右侧边墩上下游端的平面形状采用半圆形；左侧边墩紧靠山体，其上下游端的平面形状采用1/4圆形。

在闸室上游侧设1.5 m宽的工作桥，总长60.2 m，共4跨，每跨净宽9.55 m，采用钢筋混凝土浇筑。