金沙江乌东德水电站分层取水进水口设计

　　　　　　　

(长江勘测规划设计研究有限责任公司 枢纽设计处，湖北 武汉　430010)

根据国内外经验，高坝水库建成后势必对原生态环境产生一定的影响和破坏。美国沙斯塔、饿马和格兰峡水电站于20世纪90年代先后进行分层取水改建，取得成功并运行至今[1-2]。自2007年光照水电站[3]首次采用叠梁门分层取水，国内多座水电站(锦屏一级[4]、亭子口[5]、溪洛渡[6]、糯扎渡[7]、乌东德等)陆续采用叠梁门分层取水来缓解水库对下游生态环境的影响。本文主要对乌东德水电站进水口分层取水设计进行介绍。

1　工程概况

乌东德水电站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜宾市)4个水电梯级—乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝中的最上游梯级。电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪，并促进地方经济社会发展和帮助移民脱贫致富[8]。水库正常蓄水位975 m，水库总库容 74.34 亿m3。挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，坝顶高程988 m。发电厂房采用地下式，分设在左右两岸山体内，各安装6台单机容量850 MW水轮发电机组，机组额定流量为 691.1 m3/s。

根据《金沙江乌东德水电站水环境影响评价专题》成果，乌东德库区水温呈季节性分层状态，单层取水时平水年在2～6月、9～10月，枯水年在2～10月，丰水年在2～6月、8月存在表层温跃层，分层现象较明显。升温期乌东德建坝后的下泄水温升温过程较现状延迟约2～3旬。乌东德坝下(白鹤滩库区)会东县新田、野牛坪、巧家县蒙姑河口、金沙江巧家渡口等处存在产粘沉性卵鱼类产卵场，鱼类集中在3～6月产卵。低温水下泄对鱼类繁殖不利。因此，在3～6月需采用分层取水，尽可能取到上层温水，以提高下泄水温，尽量减少低温水对鱼类生长发育的不利影响。

分层取水进水口型式主要包括多层式、叠梁门式、翻板门式、套筒式、斜卧式等。对大中型水电工程而言，分层取水进水口宜采用多层式或叠梁门式。鉴于多层式进水口取水灵活性差、结构复杂，加以参考国内同类同等规模工程经验，乌东德水电站进水口应采用叠梁门式。

叠梁门式分层取水进水口水力条件复杂，叠梁门放置高度直接影响进水口流态、水头损失和3～6月下泄水温的改善效果。为了验证乌东德叠梁门式进水口结构布置设计的合理性及其调度运行方案的有效性，开展了水力学物理模型试验研究及叠梁门采用前后下泄水温对比数值分析。

2　叠梁门式分层取水设施设计

乌东德左右岸地下电站均采用岸塔式进水口，与分层取水设施设计类似，以下介绍右岸地下电站叠梁门式分层取水设施设计方案。

2.1　进水口结构布置

进水塔前缘宽度为204 m，均分6个宽度为34 m的单塔“一字型”并列布置，塔间设结构缝。进水塔顺流向长度为33 m，建基面高程为908 m，塔顶高程为988 m，流道底坎高程为913 m。

进水塔顺水流向分为拦污栅段、进水仓段、喇叭口段和闸室段，依次布置拦污栅槽、叠梁门槽(兼作备用拦污栅槽)、检修闸门槽、事故闸门槽，叠梁门式进水口典型剖面见图1。每个单塔均布置6孔拦污栅，拦污栅单孔宽度为4 m；拦污栅墩中墩厚度为1.5 m，边墩厚度为1.25 m，墩长6 m；栅墩通过联系梁相互连接；栅墩尾距挡水胸墙 5.9 m，栅墩与胸墙通过支撑梁连接。拦污栅顶高程同正常蓄水位为975 m，栅顶至塔顶布置拦污墙。进水塔顶部上游侧叠梁门槽与挡水胸墙间布置叠梁门门库，门库底高程为 977.5 m，单塔均布置6孔，每孔设6个存放门位，以满足叠梁门和备用拦污栅的放置要求。事故闸门后设置2个直径1.8 m的通气孔。单塔左右两侧上下游设翼墙，上游侧翼墙厚3 m，下游侧翼墙厚6.3 m，中部为空腔，上游翼墙下部设连通孔，使空腔内外平压。

图1　叠梁门式进水口典型剖面

2.2　叠梁门及其启闭设备设计

根据环评报告技术评审意见，进水口叠梁门高度为40 m。当水库水位下降时，需随水库水位降低及时减少叠梁的节数，以调节叠梁门门顶高程；反之，当水库水位上升时，需及时增加叠梁门节数。采用叠梁门分层取水方案后，按6台机同时发电考虑，需设叠梁门36套。根据环保对不同月份的取水要求，结合调整的灵活性，从叠梁门运行角度和效果出发，每套叠梁门由2节8 m和6节4 m高的叠梁组成。运行时8 m高叠梁置于底部，然后在其上放4 m高叠梁。叠梁门通过塔顶2×2000/1100/1100 kN(双向)门式启闭机的回转吊启闭，回转吊通过自动挂钩梁操作叠梁门。

2.3　调度运行方案

为减小水库低温水下泄对下游鱼类繁殖的不利影响，每年3～6月，进水口启用叠梁门分层取水，其他月份不启用。在引用水库表层水时，为使进水口水流平顺，不出现有害漩涡，满足流量要求，并保证电站安全稳定运行，应根据不同库水位放置不同节数的叠梁。叠梁门分层取水系统调度运行方案见表1。

表1　进水口叠梁门调度运行方案

3　叠梁门式进水口水力物理模型试验

放置叠梁门分层取水时，进水口水力特性较未使用叠梁门时有很大差别。叠梁门门顶过流类似于堰流，水流在进水仓内经过两次90°转弯后汇入喇叭口。为系统研究进水口水力特性及其基本规律以及验证进水口结构布置设计的合理性，同时为电站分层取水运行操作提供指导，开展了进水口分层取水物理模型试验。

3.1　设　计

针对流道系统较短、水力条件相对较差的7号机组段，开展了1∶30水工模型试验研究。水工模型试验模拟了机组流道和进水口前缘，主要包括部分水库、引水渠、拦污栅结构体、叠梁门、进水仓段、喇叭口段、检修门门井、事故门门井、通气孔、引水洞上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段及控制电站机组流量的阀门段。

3.2　条　件

水力学物理模型试验选取3种特征水位：死水位945 m、汛限水位952 m和正常蓄水位975 m。模型试验工况见表2。

表2　水力模型试验工况

注：水力学模型试验中单节叠梁高度均为4 m。

3.3　研究内容

水力学物理模型试验主要研究在不同特征水位下，不同叠梁门放置高度(包括不放置叠梁门)对以下几个方面的影响：①对进水口流态的影响，重点关注吸气漩涡、叠梁门门顶自由堰流等不利流态，同时确定叠梁门最大放置高度；②对叠梁门和进水口有压管段的时均压力特性的影响；③对检修门门井和快速门门井水面波动情况的影响；④对进口段(拦污栅墩前至隧洞进口渐变段末端)水头损失的影响；⑤对引水渠、叠梁门顶流速分布特性的影响，同时量测机组导叶突然关闭对叠粱门产生的附加水击压力。

3.4　研究成果

水力学物理模型试验成果表明叠梁门式分层取水进水口体型设计合理，水流平顺，满足电站运行要求。主要成果如下:

(1)无叠梁门时，死水位945 m运行条件下，进口偶见表面漩涡，涡心未下陷；汛限水位952 m和正常蓄水位975 m条件下，进口水流平顺。

(2)有叠粱门时，随着叠粱节数增加，进水仓水面紊动加剧，检修门门井和事故门门井水面波动增大，进入流道气泡逐渐增多。综合考虑电站进水口表面流态、流道气泡、门井水位波动以及进口段水头损失后得出：库水位945 m放置1～4节叠粱时(门顶水深≥16 m)、库水位952 m放置1～5节叠粱时(门顶水深≥19 m)、库水位975 m放置1～10节叠粱时(门顶水深≥22 m)均不会产生有害漩涡流态，可满足电站安全运行要求。

(3)无叠梁门和有叠梁门时，机组正常运行时流道段沿程时均压力均为较大正压，沿程时均压力变化平缓，压力梯度较小。随着叠粱节数增加，进口流道沿程压力逐渐变小。

(4)无叠粱门时，各级特征水位下机组正常运行时检修门门井和事故门门井水面波动幅值均较小，约 0.09 m。随着叠粱节数增加，门井水面波动幅值逐渐增大，事故门门井和检修门门井水面最大波动幅值分别为 0.27 m和 0.33 m。

(5)无叠粱门时，库水位在945，952m和975 m时，进口段水头损失相应为 0.31 ，0.32 m和 0.34 m。有叠梁门且库水位相同时，进水口段总水头损失与叠粱节数呈正比。库水位在945 ，952m和975m时，进口段最大水头损失分别为1.82 ，1.51 m和1.41 m。

(6)无叠梁门时，随着库水位从945 m上升为975 m，各特征断面流速分布相似，且流速平均值和最大值逐渐变小。有叠粱门时，引水渠表面流速略有增大，叠粱门断面和进水仓断面由于过流面积减小流速明显增加。

(7)机组全部甩负荷、导叶9 s关闭条件下，底部叠粱所承受的附加水击压力大于其上部叠粱，中间墩槽叠粱门所承受附加水击压力大于边墩槽叠粱门，附加水击压力和门井水面升高随着库水位上升而逐渐增加。最大附加水击压力为7.8×9.81 kPa，门井最大水面升高为 5.2 m。

4　叠梁门分层取水效果分析

基于未采用叠梁门的水温预测成果，对3～6月采用叠梁门取水进行了水温预测，用以分析分层取水对下泄水温的改善效果。以平水年、多年平均气象和多年平均入库水温作为计算条件，采用宽度平均的立面二维水温数学模型预测表1中叠梁门调度运行方案对下泄水温改善效果。乌东德平水年、丰水年、和枯水年叠梁门取水与单层取水的下泄水温比较见表3～5。

表3　平水年叠梁门取水与单层取水的下泄水温比较　℃

表4　丰水年叠梁门取水与单层取水的下泄水温比较　℃

表5　枯水年叠梁门取水与单层取水的下泄水温比较　℃

由表3～5可知，在叠梁门启用期间，3～5月水电站下泄水温较单层取水时提高 0.5～1.1℃，有一定程度的改善效果。6月叠梁门的运行并无效果，一方面是由于3～5月叠梁门方案尽量取用表层温水后，库区水温较单层取水方案明显偏低，在6月降水位过程中叠梁门逐节被提起，被叠梁门阻挡的库区冷水被引用，造成下泄水温的降低；另一方面叠梁节数的减少和汛期流量加大均会使叠梁门的改善效果减弱。但若6月不采用叠梁门，则可能导致库区低温水的瞬时大量泄放，低温水现象将更为显著。采用叠梁门分层取水后，3～6月仍存在一定的低温水现象，下泄水温较现状水温偏低 0.5～1.0℃。从水温改善效果的角度分析，叠梁门分层取水方案在一定程度上减轻了低温水的负面影响。

5　结　语

与单层进水口相比，叠梁门式分层取水进水口增加了一道叠梁门，导致结构布置难度增加，水力特性更加复杂。叠梁门放置高度直接影响进水口流态，叠梁门调度运行方案对下泄水温改善效果影响较大。针对上述关键问题，开展了叠梁门式进水口水力学物理模型试验和叠梁门分层取水效果数值分析。分析研究表明：乌东德水电站叠梁门分层取水设施布置简单，对枢纽布置影响小；采用表2叠梁门调度运行方案时，进水口水流顺畅，流态平稳，在3～5月能一定程度地提高下泄水温，在6月能有效地阻挡低温水下泄，能一定程度地缓解3～6月低温水下泄对下游鱼类产卵的不利影响。

参考文献：

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[8]长江勘测规划设计研究有限责任公司.乌东德水电站进水口分层取水专题研究报告[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2015.