底格栏栅取水技术在岩樟溪水电站引水改造工程中的应用

王树乾

(浙江省水利水电投资集团有限公司，浙江 杭州 310012)

1 问题的提出

引水系统进水口防淤是保证山区径流式水电站或跨流域引水工程正常运行的首要条件，不少已建成的山区小型水电站或跨流域引水工程其进水口都不同程度地存在淤堵现象，影响了电站效益的正常发挥。底格栏栅取水技术是在壅水坝内设置输水廊道，并利用其顶部栏栅筛析作用拦沙引水的一种取水方式，它适用于河床较窄、水深较浅、河底纵坡较大、大颗粒推移质及漂浮物较多、取水量比例较大的山区性河流。根据底格栏栅取水技术在岩樟溪水电站跨流域引水改造工程中的实际应用，进一步验证底格栏栅取水技术在山区径流式水电站进水口或跨流域引水工程的适用性。

2 岩樟溪水电站引水工程概况

岩樟溪水电站位于浙江龙泉岩樟溪上游，由两级电站组成。一级电站集雨面积由主流域集雨面积53.61km2和三片跨流域引水集水面积49.31km2组成。其中锦溪流域引水面积25.70km2，引用流量为10.280m3/s;肖庄溪引水面积12.42km2，引用流量为4.968m3/s;大贵溪引水面积11.19km2，引用流量为4.480m3/s。电站跨流域引水面积占总集雨面积的47.9%，其引水量直接影响到电站的发电效益。

跨流域引水工程由拦河重力堰坝、进水口闸门及拦污栅、隧洞组成 (见图1)。由于引水堰坝上游是山区性河流，洪水历时短、流速大，洪水期间水流中带有大量的卵石、砾石、粗沙，以及树枝、竹梢等漂浮物，冲至引水堰坝和进水口，经常造成拦污栅堵塞和堰前、隧洞淤积，且洪水期间清理困难。工程投产后每年需投入大量资金，在枯水期对堰坝、拦污栅及隧洞进行清淤，但效果并不理想。投产5a来的运行实践表明，当一次降雨过程超过30mm降雨量，就会造成拦污栅堵塞和堰前、隧洞淤积，导致发电引水流量大大减小，跨流域引水一直达不到设计的引用流量，电站亦长期达不到设计预期的发电量，曝露了山区性河流重力堰坝式引水模式存在的缺陷。

图1 清淤后的原堰坝及引水口布置图

3 拦河重力堰坝取水改造方案

针对上述引水系统淤积和洪水期清淤难的问题，对锦溪跨流域多次调研，经引水改造方案比选，最终采用底格栏栅坝的工作原理对引水堰坝进行工程改造。

3.1 改造工程总体布置

首先，在重力堰坝上游侧平行于堰坝砌筑1道设排水孔的浆砌石挡墙 (堰前挡墙)，挡墙略高于重力堰坝顶，在墙顶与重力堰坝顶之间设置金属格栏栅，格栏栅下部形成引水廊道，引水廊道与堰坝冲沙闸、引水隧洞进水口相连;其次，沿河流向在引水隧洞进水口、冲沙闸之间外侧砌筑浆砌石挡墙与堰前挡墙相连，防止洪水期间河流泥沙淤积进水口，挡墙顶应高于堰顶，墙顶可设简易钢筋网阻拦漂浮物，挡墙中下部可设多排反滤排水孔引水，挡墙内侧(山坡侧)形成引水渠连接堰前引水廊道与引水隧洞进水口;最后，根据引水流量，确定引水廊道宽度为180cm，深度为176～198cm，格栏栅的边框采用型钢制作并锚固在堰前挡墙和重力堰坝顶上，栅条采用10mm×80mm的钢板制作，分片焊接在边框上 (见图2)。格栅间距在通过计算确定的基础上，可根据河流泥沙、漂浮物以及排沙清淤等特性适当加大，既能减少小颗粒砂石堵塞格栅又能在汛期尽可能多的引水发电。本工程格栅间距采用5cm。改造后工程总体平面布置示意见图3。

图2 改造后的堰坝及底格栏栅图

图3 改造后工程总体平面布置示意图

3.2 底格栏栅设计

3.2.1 格栅引水段宽度计算

计算采用水利设计手册计算公式:

式中:Q为引用设计流量，m3/s，取10.28m3/s;b为格栅沿坝轴线宽度，m;μ2为全引时的栅孔系数，μ2=0.94μ，μ为栅孔流速系数，取0.433(为其他类似工程水工模型试验值);P为开通度，本工程采用栅条形状为扁钢，宽1.4cm，格栅间隙为5cm，每隔1m设有0.2m宽联系梁1根，经过计算P取0.625;L为格栅栅缝长度，本工程为1.6m。

经过计算，b=14.8m，考虑栅孔可能存在堵塞而造成流量减少，栅孔面积增加25%，确定格栅沿坝轴线向宽度18.5m，结合现场河道宽度，最终取22m。

3.2.2 洪水时格栅引水段引用流量计算

计算采用水利设计手册计算公式:

式中:Q为栅孔引用流量，m3/s;Q1为堰顶流量，m3/s;Q2为多余下泄流量，m3/s;b为格栅沿坝轴线宽度，m，取22m;μ为栅孔流速系数，取0.433(为其他类似工程水工模型试验值);P为开通度，本工程采用栅条形状为扁钢，宽1.4cm，格栅间隙为5cm，每隔1m设有0.2m宽联系梁1根，经过计算P取0.625;h1k、h1k分别为栅隙始终端的临界水深，m。

计算结果见表1:

表1 栅孔引流能力计算成果表 m3/s

经过计算校核洪水位时格栅引水流量为17.14m3/s，设计洪水位时，格栅引水流量为12.05m3/s。

3.2.3 引水廊道过流能力计算

计算采用水利设计手册计算公式:

式中:Q为过流流量，m3/s;A为过水面积，m2;C为谢才系数，C=R1/6/n;R为水力半径，m;n为糙率，取0.014;i为底坡，%。

经计算在廊道断面为1.80m×1.75m(宽×高)，底坡为1%，水深1.40m时，过流量为11.48m3/s大于设计引用流量10.28m3/s。因此所选用的廊道断面及底坡满足设计要求。改造后底格栅剖面示意见图4。

图4 改造后底格栅剖面示意图

4 改造后取水防淤效果

2012 年底锦溪流域引水堰按上述方案进行改造，仅用48d即完成了改造工程，总投资仅为20余万元。2013年改造完成以来，经过了6次24h降雨量30.0mm以上的大到暴雨过程，最大1次24h降雨量为82.5mm。洪水期间，树枝等漂浮物在纵向挡墙的作用下，大部经拦栅顶及堰顶被冲向下游，进水口未受丝毫堵塞;少量枝条卡在格栅，但对引水流量影响不大，洪水过后仅用少量人工很容易地完成了清除;到2014年汛前，沉沙池尚无淤积。

经1a的运行观察，枯水期水流透过浆砌石挡墙的排水孔和坝顶栅孔跌落于引水廊道，能有效引至引水洞;洪水期洪水过坝时大部水流通过底格栏栅进入引水廊道，而大颗粒砂石被挡在挡墙外，漂浮物被泄向下游河道，确保了引水隧洞进水口在洪水期间不被淤积、堵塞，有效地达到引水和防淤积的目的。

经统计，引水工程改造前，由于进水口淤积、堵塞，24h降雨量达到30.0mm及以上时，堰坝坝顶就产生溢流，导致大量弃水;而改造后，在24h 60.0mm以下的降雨量，都能保证90%的水量引入进水口。2013年05月08—10日流域降雨量79mm，与改造前一次类似的降雨过程相比，引入水库的水量增加了60.88万m3，发电量增加约30万kW·h，增加的发电收入近15万元。改造后1a增加引水量的发电收入就已收回了工程改造所需的全部投资，并且大大节省了清淤费用，同时还消除了清淤作业过程的安全风险，工程效益显著。

5 结语

通过底格栏栅取水技术在岩樟溪水电站跨流域引水改造工程中的实际应用，进一步验证了底格栏栅取水形式既能有效取水又能大大提高防淤、防堵塞能力的特点。同时，它具有造价低廉、结构简单、工期短、施工方便、易于管理等优点，尤其适用于河床较窄、水深较浅、河底纵坡较大、大颗粒推移质及漂浮物较多、取水量比例较大的山区性河流取水工程。