科洛河水电站引水系统设计

王洪波

(黑龙江大学建筑工程学院，哈尔滨 150080)

1 研究区概况

1.1 自然概况

1.1.1 流域概况

科洛河发源于大兴安岭伊勒呼里山，由北向南流经黑龙江、内蒙古和吉林三省(区)的五个地市，在三岔河汇入松花江[1]，控制流域面积6.64万km2。全长1370 km，流域面积29.7×104m2。河道平均比降在3‰以上。

1.1.2 水文气象概况

科洛河流域属寒温带季风气候区，冬季寒冷，并且十分干燥；春季干燥多风，蒸发量较大；夏季天气炎热多雨。流域多年平均降水量400-500mm，坝址附近多年平均降水量474mm，最大降水量767.4mm，最小降水量296.2mm，降水年内分布不均匀，主要集中在6-9月，其中7-8月雨量更为集中，冬季降水较少。科洛河流域科洛河站年平均气温1.5℃，气温年内变化大，年内最高气温一般出现在7月，极端最高气温39.5℃，最低气温一般出现在1月，极端最低气温达-40.4℃。地面风向以NE-NW主为，年平均风速3.30m/s，极端最大风速25m/s，多年平均最大风速17.7m/s，风向NW(吹向主坝)，有效吹程6km。

1.1.3 年径流及洪水

阿彦浅水文站位于坝址以上32km，集水面积65439km2，占坝址以上集水面积的98.6%，为科洛河工程设计依据；富拉尔基水文站位于齐齐哈尔市下游30Km，集水面积123911km2，是科洛河流域系列最长的测站，对齐齐哈尔市的防洪设计具有重要意义。因此选取阿彦浅站和富拉尔基站的径流、洪水系列进行插补延长，使其具有1898年-1998年共101年的径流系列及、1905年-1998年共94年的洪水系列。

科洛河坝址集水面积仅比阿彦浅大1.4%，并且阿彦浅至坝址区间无支流汇入，因此，坝址年径流直接采用阿彦浅站年径流结果。坝址处多年平均流量为332m3/s，多年平均径流量为104.7×108m3，径流年内分配不均匀，年径流量主要集中在6月-9月，占年径流量的70%左右。科洛河流域的径流主要来源于降水补给，其年内分配与降水的年内分配基本一致。其中阿彦浅、富拉尔基水文站的年径流参数见表1；阿彦浅站径流年内分配成果见表2。

表1 阿彦浅、富拉尔基站年径流参数成果表

表2 阿彦浅站径流年内分配成果表

科洛河水电站工程位于科洛河干流中游，流域洪水主要由暴雨形成，多数年份洪峰为2-3次，主峰一般在7-8月，一次洪水过程可达30d，主要洪水量集中在15d内。工程以1000a一遇设计洪水为标准，上游库水位218.15m，下泄流量为15000m3/s；校核洪水位为219.90m，相应下泄流量为20300m3/s。其中阿彦浅、富拉尔基站设计洪水参数见表3。

表3 阿彦浅、富拉尔基站设计洪水参数及成果表

本次采用1998年实测大暴雨资料，对科洛河可能最大暴雨进行复核，科洛河3天可能最大暴雨为187.3mm，较复核前(180mm)大4%，十五天可能最大暴雨为367.5mm，较复核前(343mm)大7%。依据阿彦基站1969年、1988年典型洪水过程线，推求出综合经验单位线，求得科洛河可能最大洪水过程线[2]，其洪峰流量为24900m3/s,较复核前(23600 m3/s,)大5.5%，较万年一遇洪水大23.3%；可能最大洪水的三十天洪量为258×108m3，较复核前(247×108m3)大4.4%，较万年一遇洪量大9.8%。

1.2 水库工程地质条件

1.2.1 水库渗漏

阿彦浅以上为高丘陵区，两岸山体宽厚，无单薄或低矮水分岭，多由微弱透的岩层组成，地下水位高程在220-240m左右，高于水库正常蓄水位。阿彦浅以下河谷开阔，两岸山体低矮，右岸为低丘陵区，左岸为二级侵蚀堆积阶地，与岭谷相距约10-25km,基岩透水性微弱，且在基岩之上都有5-20余米的黏性土覆盖，其透水性微弱。在坝址左岸的长江屯附近，有一低矮平缓垭口，宽度约1200m，地面最低高度223.1m。表部为黄土状壤土、黄土状黏土，厚度达到40m，透水性微弱，基岩为非透水岩石，因此不存在渗漏问题。

1.2.3 库岸稳定

库岸地形平缓，岸坡多较稳定，局部陡壁，塌岸数量有限。但应充分考虑水库周边耕地，长期受库水冲刷，库岸不断再造，对耕地不断破坏所造成的不利影响。

2 枢纽布置

科洛河坝坝址谷底及两岸松散沉积层较厚，适宜修建土石坝。谷底强透水的砂卵砾石层、基岩表部的强透水带和右岸松散沉积层中的中强透水夹层等均需防渗处理。坝址河谷左右侧掩埋基座阶地处，松散沉积层较薄，基岩面较高，基岩完整性较差，但岩石坚硬，经处理后建造中等高度的混凝土建筑物是可行的。右岸近岸松散覆盖层相对较薄，基岩弱风化带上中部完整性较差，但岩石坚硬，经防渗处理后，布设溢洪道是适宜的；左岸灌溉输水管建于全风化基岩上，其承载力和沉陷变形均可满足要求；右岸灌溉输水洞洞顶岩体单薄，围岩稳定性较差，需进行永久支护[3]。

根据工程具体条件，河谷主坝拟定了三种防渗型式，即沥青混凝土心墙、黏土心墙、沥青混凝土斜墙；两岸副坝的防渗型式拟定了黏土心墙和黏土斜墙两种，主副坝组合了三种方案进行比选。

经比较选择3方案如下：

1)方案1：主坝为沥青混凝土心墙坝，副坝为黏土心墙坝

2)方案2：主副坝均为黏土心墙坝。

3)方案3：主坝为沥青混凝土斜墙坝，副坝为黏土斜墙坝。

3种方案均采用右岸岸坡溢洪道，右岸河床式电站厂房和底孔的枢纽布置方案。

经过对比选择方案3。

3 引水系统设计

3.1 进水口设计

3.1.1 进水口型式

按照水流条件，水电站的进水口分为有压进水口和无压进水口两大类。有压进水口适用于坝式、有压引水式、混合式水电站；无压进水口适用于无压引水式电站。该电站为混合式水电站，进水口为有压进水口。有压进水口的特征是：进水口高程设在水库死水位以下，以引进深层水为主，整个进水口处于有压状态，其后接有有压隧洞或压力管道。该电站为混合式水电站，根据基本资料的地质、地形条件选用隧洞式进水口[4]。

3.1.2 有压进水口底板高程

有压进水口顶部高程应保证在上游最低运行水位时仍有足够的淹没深度，以进水口前不会出现漏斗式吸气旋涡为原则。避免进水口出现吸气漏气和旋涡的临界淹没深度为：

(1)

Q=4Qmax

(2)

(3)

(4)

S闸=B×H

(5)

式中：H为闸门孔口净高，m；v为闸门断面平均流速，m/s；C淹没系数，对称进水取0.55；S代表闸门顶低于最低水位的临界淹没深度，m；Q为四台机组所需要的流量，已确定的最大流量Qmax取344.61m3/s；S洞代表有压引水道过水面积；V洞为有压隧洞经济流速取135.8m/s；D为经济直径；S闸为闸门断面面积；对于闸门断面一般取矩形断面，其高度H一般等于或稍大于引水道直径，故可取H=4.0m，宽度等于或稍小于引水道直径，可取B=0.9×3.6=3.24m。

整个闸门段的S闸/S洞，即过水断面面积与后接的引水道面积之比为1.28。

(6)

式中：S为临界淹没深度，取C=0.55，有压隧洞经济流速V洞=135.8m/s，整个闸门段过水断面取后接的引水道面积的1.2倍，即1.1m3，则闸门断面平均流速为123.45m/s。

因此，对于进口顶部与底部高程有：

H顶=H死-S

(7)

H底=H顶-H

(8)

式中：H顶为进口顶部高程；H底为进口底部高程；H死为水库死水位195m。

计算结果是进口顶部高程为59.2m，进口底部高程为173.66m。

3.1.3 有压进水口轮廓尺寸

1)进水口的轮廓尺寸主要受拦污栅断面、闸门断面和隧洞过水断面这三个断面控制。且一般为平底，上收缩曲线一般为1/4椭圆曲线，其方程为：

(9)

式中：取a=4.0，b=2.0，因此进口段上唇收缩椭圆曲线为：

(10)

2)闸门段是进口段和渐变段的连接段，通常设计为横断面为矩形的水平段。

3)渐变段是矩形闸门与圆形隧洞的过渡段，采用圆角过渡段，圆角半径r按直线规律从0变为隧洞半径R计算渐变段长度。

(11)

式中：L为渐变段长度；D为经济直径渐变段的长度一般为隧洞直径的1.5-2.0倍，侧面收缩角以6°-8°为宜，一般不超过10°，这里取i=7°。计算得到渐变段长度为16.29m。

3.2 引水隧洞线路的布置

引水隧洞选线是隧洞设计的关键问题，它直接关系到围岩的整体稳定、工程造价、施工工期和运行的安全。隧洞轴线的布置应综合考虑以下因素[5]：

1)隧洞轴线线路短、弯道少；

2)尽量避免相邻建筑物的不利影响；

3)与地址构造成较大交角；

4)满足最小覆盖厚度要求；

5)水流条件较好，水头损失小；

6)便于施工支洞的布置；

7)便于调压井的布置。

综合考虑的水文资料与工程地质因素以及枢纽布局，引水隧洞布置在右岸坝头外，进口渐变段长16.29m，圆形隧洞段长233.9m，内径D=3.6m。闸门输水洞长482.38m，包括闸后渐变段，圆形隧洞段和弧形门前渐变段。

4 结 论

该设计满足规范要求，投资经济合理，社会效益显著。