隔水幕墙在水电站低温水治理中的应用

薛联芳，孙平玉，冯云海，颜剑波

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014)



隔水幕墙在水电站低温水治理中的应用

薛联芳1，孙平玉2，冯云海2，颜剑波2

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014)

已建调节性能好的水库普遍存在下泄低温水问题，影响下游生态环境。传统治理措施需大幅降低水库水位或放空水库以修建分层取水建筑物，影响电站正常发电。隔水幕墙取水是改善电站下泄低温水的新措施，不仅适用于已建水库工程，也适用于拟建水库工程。通过介绍其工作原理，并对隔水幕墙的工程应用效果进行数值分析，证明隔水幕墙取水技术能够有效改善下泄水温，可为我国今后类似水电工程低温水治理提供借鉴。

隔水幕墙；分层取水；下泄水温；数值模拟

调节性能好的水库会形成巨大的停滞水域，改变水体和大气之间原有的能量交换规律，导致水库蓄水后库区水温具有明显的沿深度变化的特点，表层水温和底层水温相差很大[1-2]。常规电站大多采用传统底层取水方式，下泄水温较低，容易对下游河道的生态环境、两岸农业生产及生物多样性造成不利影响。

进入21世纪后，国内高坝大库不断增多，水库下泄水温低问题得到普遍重视，减缓下泄低温水的影响成为调节性能好的水电工程亟待解决的主要环保问题。目前，工程上对水电站下泄低温水的防治主要采取多层取水口取水、浮式管型取水口取水、溢流式(叠梁门)分层取水等措施[3]。这些措施仅局限于在建或未建工程，对已运行的水库，由于需要大幅降低水库水位或放空水库而不适用。

针对已运行水库，为实现既提高下泄水温又不损失电站发电量的目标，本文在水电站进水口分层取水研究的基础上，借鉴海岸圩田淤泥阻隔及渔网渔具的设计原理和方法，提出了一种新颖的改善下泄低温水的取水技术，并通过数值模拟研究验证了其实施效果。

1 隔水幕墙取水方案

1.1 隔水幕墙原理

调节性能好的水库运行后，库区水温形成显著的稳定分层，沿水深方向分为表层、温跃层和底层。表层水与空气直接接触，水温随气温变化明显，层内水温互相掺混，初夏季节水温相对较高；温跃层介于表层和底层之间，温度自上到下呈梯度变化；底层全年基本处于较低温度。根据水库水温垂向分层分布特点，在坝前某一位置一定深度以下建设不透水柔性隔水幕墙，有效隔断部分温跃层和底层的水体流向进水口，将温跃层和底层低温水隔挡在隔水幕墙前，表层温度较高水体则加速流向进水口，达到选择性分层取水的目的。同时，在电站进水口泄流的带动下，隔水幕墙下游水体在垂向扩散，加速热交换，打破原有水温垂向分层结构，实现提高下泄水温的目的。

1.2 隔水幕墙整体结构

隔水幕墙整体结构采用底部锚固、顶部悬浮、两端固定的结构形式，由固定装置、浮力系统和墙体结构组成。

(1)固定装置。隔水幕墙固定装置包括底部锚固基础和两岸控制塔。固定装置的作用主要是防止水流冲击时，隔水幕墙发生任何整体位移，对隔水幕墙工程的安全至关重要。底部锚固基础采用沉箱形式，由钢筋混凝土浇制而成，锚固于库底作为支点。控制塔建设于两岸，是隔水幕墙工程主要的受力支柱，承受着整个幕墙上的总荷载。

(2)浮力系统。浮力系统由一系列聚苯乙烯、聚亚安酯或其他类型泡沫材料制成的球形或圆柱形结构组成。浮力系统可根据水位变化自动调整隔水幕墙高程位置，避免了人工升降隔水幕墙的繁杂操作。

(3)墙体结构。隔水幕墙墙体结构主要包括幕布、上纲、下纲、拉索和沉子。幕布采用聚酯、聚丙酯等不透水合成材料制作，作为主要隔水体，承受水压力荷载。上纲采用迪尼玛绳，两端张拉于两岸控制塔，与幕布顶部固定连接，将作用于幕布上的荷载传递至两岸控制塔。下纲采用钢缆绳，两端固定于两岸控制塔，与幕布底部搭接，沉于水底，起配重链作用，防止底部幕布浮起。锚固基础与浮力系统之间通过拉索张拉，形成隔水幕墙的基本骨架，幕布固定于拉索上，幕墙墙体以抛物面形式悬浮于水中。此外，在上纲悬挂一系列分布均匀、重量合适的沉子，从而防止幕布漂起。

2 隔水幕墙工程应用研究

2.1 水库概况

以国内某水库为例，该水库最大坝高185.5 m，坝址控制流域面积11 051 km2，年径流量75.69亿m3，水库正常蓄水位475 m，相应库容37.48亿m3，总库容40.94亿m3，死水位425 m，有效库容26.16亿m3，引水发电系统进水口底板高程408 m，具有多年调节性能，属于典型的高坝大库。经过多年现场实地水温监测，获得该水库全年水温垂向分布，如图1所示。

图1 水库水温垂向分布Fig.1 The vertical distribution of water temperature in the reservoir

由图1可知，水库水温垂向分布呈现明显的稳定分层结构。表层，水深5 m以上，水温随季节变化明显，层内水温基本相同；温跃层，水深5～80 m，自上到下水温连续变化；底层，水深80 m以下，水温全年基本恒定在8～10℃。

2.2 隔水幕墙整体布置

(1)断面位置选择。隔水幕墙断面位置的选择主要考虑地形地质条件、改善水温效果和工程施工难度等因素：为方便隔水幕墙的安装，尽量选择跨度狭小的断面；避开养殖区域、码头及船只运输密集区；为更好地发挥隔水幕墙改善下泄水温的效果，隔水幕墙与进水口的距离尽量近；两岸地形地质条件满足修建施工进场道路、施工平台和控制塔的要求。

现场查勘后，拟在坝前1.15 km位置建设隔水幕墙，该断面地形处于喇叭口位置，跨度最为狭小，距离进水口近，水下无渔网等障碍，两岸地质条件较好，是建设隔水幕墙的最优位置。

(2)隔水幕墙高程布置。隔水幕墙高程是决定挡水面积的主要依据，隔水幕墙挡水面积既要满足有效提高水温的要求，还要满足电站发电过流的能力。

根据水库正常蓄水位和水温垂向分布规律，拟定隔水幕墙顶部高程位于水下30 m，拦截部分温跃层和底层低温水，即隔水幕墙顶部高程为445 m，跨度308 m；底部沉于库底，隔水幕墙高度为124 m；隔水幕墙隔水面积2.1万m2。

(3)隔水幕墙结构形式。隔水幕墙结构如图2所示，上纲和下纲两端固定于两岸控制塔，浮力系统和锚固基础之间张拉拉索构成基本骨架，上纲、下纲以及拉索间缝合幕布形成墙面。

图2 隔水幕墙结构示意图Fig.2 The structural diagram of water retaining curtain wall

2.3 隔水幕墙效果分析

(1)模型建立。利用Flow-3D软件建立水库坝前长1.53 km、宽1.26 km水域三维水流和水温分层模型。模拟水位采用水库正常蓄水位475 m，下泄流量按电站发电满发流量870 m3/s控制，隔水幕墙设置在坝前1.15 km，顶部上纲位于水下30 m，对应高程为445 m。温度场采用电站下游鱼类产卵集中的5月份的水温场。

(2)模拟结果。隔水幕墙实施前后坝前水域水温垂向分布如图3所示。由图3可知，表层和底层水体温度变化不大，模型坝前水域垂向水温分布与实际情况匹配良好。

图3 隔水幕墙实施前后坝前水域水温垂向分布Fig.3 The vertical distribution of water temperature of the water area in front of the dam before and after the construction of water retaining curtain wall

由于隔水幕墙的实施，实现了分层取水，表层高温水体流向进水口。同时，隔水幕墙实施后，过流断面减小，表层水体流速增大，加快了幕墙下游水体的混合扩散和热交换作用。随着时间的积累，坝前水温结构变为含有两个温跃层的五层稳定分布结构。底层365～390 m高程分裂出一个下温跃层，实现了水温的一次跃迁；395～435 m高程变为恒温层，水温较

幕墙实施前得到一定提高。从图3中可见，取水口底板高程408 m附近水体温度显著提高，隔水幕墙实施前下泄水温为15.8℃，实施后下泄模拟水温为18.7℃，提高了2.9℃，说明隔水幕墙能够有效改善水温分层导致的下泄低温水情况。

3 工程应用前景

水温是水库水质的重要指标之一，也是生态环境的重要影响因素。水电站的建设在一定程度上改变了天然河流的水温分布，对水生生态尤其是鱼类产生不利影响。出于环保要求，有必要采用适当措施提高下泄水温，降低对水生生物的不利影响。

目前，隔水幕墙取水措施在国内外尚无工程参考。作为针对常规设计底层取水的已建电站下泄低温水问题提出的一种全新治理思路，隔水幕墙取水措施能够有效提高下泄水温，具有投资少、施工方便和不损失电量的优点。若能成功实施，将打破传统的低温水防治思路，促进水电开发与水生生态环境保护的和谐共进，有助于水电工程的可持续健康发展，具有广阔的应用前景。

[1] 吴莉莉, 王惠民, 吴时强. 水库水温分层及其改善措施[J]. 水电站设计, 2007, 23(3) : 97- 99.

[2] 吴中如, 吉肇泰. 坝前水库水温的变化规律和预测研究[J]. 水力发电, 1984(4): 33- 41.

[3] 薛联芳, 顾洪宾, 冯云海. 减缓水电工程水温影响的调控措施与建议[J]. 环境影响评价, 2016, 38(3): 5- 8.

Application of Water Retaining Curtain Wall to Solve the Problem Caused by Released Water Low Temperature for Hydroelectric Stations

XUE Lian-fang1, SUN Ping-yu2, FENG Yun-hai2, YAN Jian-bo2

(1.China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2.Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

The problem caused by the released water low temperature was ubiquitous in large existing reservoirs, and had impact on downstream ecological environment. The traditional control measures were dramatically lowering the water level or emptying the reservoir in order to build water intake structure, but these measures were not conducive for the power plant to generate electricity. This paper put forward a new measure of water retaining curtain wall to solve the problem caused by the released water low temperature for the existing hydroelectric stations. This curtain wall applies not only to the existing reservoirs, but also to the unbuilt reservoirs. By introducing its operational principle and implementing numerical analysis, it demonstrated that the application of water retaining curtain wall can effectively improve the temperature of the released water. It can provide a reference for similar hydropower projects in the future.

water retaining curtain wall; water intake; released water temperature; numerical simulation

2016-02-27

薛联芳(1964—)，男，湖南长沙人，教授级高级工程师，学士，研究方向为低温水影响，E-mail：101512446@qq.com

孙平玉(1987—)，男，安徽滁州人，工程师，硕士，研究方向为土木与环境工程，E-mail：291088601@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.06.014

X143；TV697.1

A

2095-6444(2016)06-0053-03