老挝南俄4水电站生态放流装置设计

2023-02-20胡小光陈子华

水利水电快报 2023年2期

胡小光，陈子华

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650051)

0 引言

为确保下游生态用水不断流，通过水电站下泄一定流量保证下游生态流量需求的过程称为生态放流。生态放流是维持下游河流生态功能的基本途径，是河流生态系统的一项重要指标。为维持下游水生态系统的平衡和持续发展，在水电站建设时考虑设置相应的生态放流系统已成为国家环保部门的硬性要求。

水电站传统的生态放流装置设计是在相应水位区间专门增设生态放流孔和闸门，通过闸门长期局部开启或全部开启进行泄流。王友春[1]提出了利用闸门局部限位开启，通过闸底泄流保证下泄生态流量的方法。刘元海等[2]介绍了通过控制冲沙闸开启度，使其在2～4 cm之间变化，实现下放基流的方法。这种方法简单直观，但闸门运行频繁。闸门开启时出水断面流速大，流态紊乱，闸门振动大，水流长期冲刷堰顶和侧墙，对建筑物的结构设计和闸门启闭机配置均有较高要求，且很难精准控制下泄流量。

为解决上述问题，本文提出在底孔工作闸门结构上设置生态放流装置的方案[3]，即在闸门门叶上安装电动阀门，利用阀门的自动调节流量功能，通过长期局部开启阀门控制水流达到下放生态流量的目的。

1 项目概况

南俄4水电站位于老挝境内湄公河左岸的一级支流南俄河，该电站采用混合式开发方式，装机容量240 MW，主要建筑物由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽3个部分组成。其中，底孔泄洪建筑物位于溢流表孔右岸，由1孔2.0 m×2.2 m底孔弧形工作闸构成，闸门设计水头为40 m，支铰为圆柱铰，支臂为直支臂，门叶结构为双主横梁。闸门操作条件为动水启闭，全开全关，原主要功能为水库放空和进水口检修维护。

2 装置设计及实施

2.1 方案比选

根据南俄4水电站建筑物结构布置，工程设计初步考虑的生态放流措施可包括以下3种方式：① 在相应水位区间专门增设生态放流孔和闸门，闸门开启度控制在2～4 cm，通过闸门长期局部开启泄流；② 在坝身预埋钢管作为生态流量管泄流；③ 利用已有底孔工作闸门，在闸门结构上设置生态放流装置。3种生态放流措施方案比较见表1。

由表1可知：① 方案1涉及大面积土建开挖和施工，且需新增大型金属结构设备，经济性最低，施工难度最大，预估运行效果不佳；② 方案2虽施工容易，经济性最高，但作为生态放流装置，无法对管内流量自动调节，且有堵塞风险[4]；③ 方案3在技术上可行，充分利用了现成的建筑设备，科学合理性和自动化程度最高，实施难度和工程造价明显远小于方案1，但具体评价需根据阀门型式和尺寸最终确定。为确定最终方案，需先针对方案3设计具体方案。

表1 生态放流措施方案比较

2.2 方案设计

方案3在闸门门叶上安装电动阀门，利用阀门自动调节流量的功能，通过长期局部开启阀门控制水流达到下放生态流量的目的。经计算，原闸门门前所受水压力为2 177.74 kN，面板设计厚度为16 mm，材料为Q235B，计算梁格区间为482 mm×584 mm。因闸门需承受较大水压力，钢面板设计较厚实，闸门结构梁板格板空间紧凑，故闸门上可安装设备的外形尺寸有限，且安装的设备在工作时不应对闸门结构产生破坏性振动[1]。对样本数据的分析比较可知：相较于一般的阀门，电动锥形阀具有流量调节范围大、出口压力较低、出口流速较低等优点，结构设计能满足线性调流和消能的功能，运行时稳定可靠。而且，电动锥形阀外形为细长结构，安装在闸门上时闸门开孔较小，对闸门整体结构及原本功能基本无破坏。因此安装在闸门上的阀采用电动锥形阀较合适。

如图1所示，生态放流装置由无缝钢管、电动锥形阀、阀门基础托架、整流罩和电气设备组成，通过供水阀的局部开启可自动调流以保证生态流量下放。具体实施方法为：根据水库水位情况确定供水阀中心线位置，根据水流流速和生态放流所需流量，计算所需过流面积，确定进水孔尺寸，选择相应尺寸的锥形阀。

底孔弧形工作闸门门前最低水位为1 025 m，闸门底板高程为1 000 m，门后流速：

(1)

式中：u为流量系数；g=9.8 m/s2；h为门前最低水头，m。

过流面积：

s1=f/v

(2)

式中：f为所需最低流量，m3/s。南俄4水电站下游河道生态流量需大于0.5 m3/s。

图1 闸门结构上设置阀门装置三维模型Fig.1 Three-dimensional model of the valve on the existing gate structure

经计算，可得到门上锥形阀应达到的过流面积，反向推出所需锥形阀的孔口大小，最终确定安装1个DN200的锥形阀即可满足要求。

由上述分析可知，将所选锥形阀安装在闸门面板结构上时，安装空间足够，且面板上开孔面积小(略大于Φ200)，与闸门结构结合为整体后，不会对闸门结构造成破坏。

经综合比较分析，方案3在闸门结构上设置生态放流装置实施难度小、工程造价低，科学合理性最高，故确定此方案为最终设计方案。

2.3 方案实施

如图2和图3所示，根据确定的阀门尺寸，在门叶面板孔口中心适当位置上开孔，将无缝钢管进口端焊接在闸门门叶结构面板上的孔中，无缝钢管主体部分焊接在门叶纵向隔板和门叶纵向隔板翼缘板上，电动锥形阀经法兰连接无缝钢管和出口整流罩，并通过增设在闸门相应位置的阀门基础托架支撑阀门，以此将阀门固定在钢结构闸门上。

弧形工作闸门由1台启门容量为320 kN/160 kN(启门力/闭门力)、工作行程为3.5 m的摇摆式液压启闭机操作，电动锥形阀通过电缆线与液压启闭机室内控制柜连接，在液压泵房内即可实现操作，闸门和阀的操作相互独立。

图2 闸门迎水面结构示意Fig.2 Structure of upstream gate

图3 供水阀装置与闸门装配结构示意Fig.3 Instillation of water supply valve and gate

3 效果分析

放流装置和闸门的运行和操作相互独立，且放流装置的设置未改变闸门的本身功能作用和现有溢流坝堰面曲线，对泄洪水流流态无影响。因此，将放流装置安装在闸门上，不仅能实现闸门原有的功能，又能通过阀门的自动调节功能不间断下放生态流量，满足功能定位要求。

如图4所示，当闸门全关处于挡水状态时，供水阀常开过流保证生态流量下放。如图5所示，当闸门开启泄洪前，先关闭供水阀再打开闸门过流，此时可利用地面有利条件对锥形阀进行维护和检修。如图6所示，通过配备计算机监控系统和计量设备，在控制室内可实时监测生态放流的状态。通过以上流程的操作，可保障下游的生态放流不间断。

图4 闸门关闭阀门放流状态示意Fig.4 Valve discharge condition after gate closing

图5 闸门开启阀门非放流状态示意Fig.5 Non-discharge valve condition after gate opening

图6 锥形阀信号控制示意Fig.6 Cone valve signal control

本生态放流装置形式独特，主要有以下特点。

(1) 因所选锥形阀的阀体具备线性调流和消能功能，且阀进水孔对称开设在闸门面板孔口中心适当位置，有效避免了水压力的不对称作用对供水阀产生的振动和破坏，可削减生态过流时产生的能量和负压振动。

(2) 锥形阀支承在阀门基础托架上，由基础托架传递并释放作用在阀上的力。阀门基础托架由常规型钢组构而成，组合装配方式简单灵活，且材料质轻易加工，断面抗弯剪能力强，支承阀门时稳固可靠。

(3) 为保证供水阀和闸门连接的刚度和强度，连接阀门的无缝钢管和闸门面板、门叶纵向隔板、门叶纵向隔板翼缘板焊接成一体，基础托架和闸门两侧支臂腹板内侧翼缘板焊接成一体，阀门和基础托架采用高强度不锈钢螺栓连接。以上焊接连接均可在工厂内完成，且能达到高质量的焊接效果。可在工厂内预拼装，有效减少现场工作量，实现现场快速安装。

(4) 阀门出口处设锥形弧面的整流罩，可约束阀门出口水流的流态，减小介质的动能，使调流阀出口因汽蚀而产生的气泡被限制在流体中央，防止气泡在调流阀及管道管壁处破裂而造成调流阀或管道的破坏。

目前，南俄4水电站上底孔工作弧形闸门和生态放流装置已经安装到位，运行安全稳定。水流出底孔阀后，水流束集中且位于泄槽中间部位，对闸门河道均无冲刷。

经流量计实测，当库水位达到最高水位1 043.9 m 时，通过阀的生态流量为1.7 m3/s；库水位下降至最低水位1 025 m时，生态流量为1.2 m3/s，均大于所需生态流量，故该生态放流装置的泄流能力满足要求。