低水頭河床式水利樞紐總體布置中值得關(guān)注的問題

張永進

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院,浙江 杭州 310002)

1 問題的提出

隨著浙江經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展,水力資源的合理開發(fā)利用、內(nèi)河航道的開發(fā)、改善城市水環(huán)境等功能要求日趨顯現(xiàn)。近年來,浙江開發(fā)建設(shè)的河床式水利樞紐工程較多,如甌江干流上為發(fā)電開發(fā)的三溪口河床式水電站工程,為改善青田縣縣城水環(huán)境結(jié)合航運發(fā)電的青田水利樞紐工程,錢塘江中上游衢江航運開發(fā)的安仁輔、紅船豆、游埠、姚江4座航電樞紐工程。以上工程都具有基本類似的特點:一是水頭低,其中三溪口河床式水電站發(fā)電水頭最大,為11 m,衢江游埠樞紐設(shè)計水頭約為4.2 m;二是流量大,以上樞紐都是布置在大江大河上,集水面積在10 000 km2以上;三是樞紐布置建筑物種類多,布置有泄洪閘、電站、船閘等建筑物;四是工程建設(shè)要求對河道行洪影響小,以減少對上游淹沒。浙江省內(nèi)主要的低水頭河床式水利樞紐工程主要參數(shù)見表1。針對河床式水利樞紐的上述特點,在樞紐總體布置時以下幾個問題值得關(guān)注。

表1 浙江省主要低水頭河床式水利樞紐工程參數(shù)表

2 樞紐壩 (閘)址選擇的基本要素

2.1 壩址選擇應(yīng)考慮流域規(guī)劃功能的實現(xiàn)及對上下游工程的影響

根據(jù)批準的規(guī)劃,如《甌江流域綜合規(guī)劃》、《錢塘江流域綜合規(guī)劃》,各梯級的水位一般是銜接的,即上一梯級的電站發(fā)電尾水位受下一級水庫的正常蓄水影響,下一級正常蓄水位確定后,上一級電站發(fā)電尾水位應(yīng)根據(jù)發(fā)電流量,在下級水庫正常蓄水位基礎(chǔ)上向上游推演求得。

浙江省水電開發(fā)的市場化程度較高,同一流域上下游梯級往往由不同的業(yè)主開發(fā),而發(fā)電水頭對河床式電站的工程效益影響很大。在設(shè)計過程中,梯級電站的正常蓄水位一般是遵循開發(fā)協(xié)議要求的 (開發(fā)協(xié)議應(yīng)以流域規(guī)劃為依據(jù)),為了兼顧各梯級利益,設(shè)計時正常蓄水位一般很難調(diào)整。在確定的上下游樞紐正常蓄水位條件下,壩址應(yīng)選擇在下一梯級正常回水末端附近,這樣既可以方便梯級間的水位銜接,減少河道疏浚工程量;同時也可以充分利用地形高程,減少上一梯級的擋水建筑物高度及工程投資。

2.2 樞紐壩址應(yīng)選擇在河道順直、水流條件簡單的河段

在樞紐寬度3～5倍范圍內(nèi)的上下游河道流態(tài)會影響工程的運行狀態(tài)。河槽的走勢、主支流的交匯條件、江心洲分布等對河道的水流條件有直接的影響。修建攔河閘樞紐后(平底水閘或橡膠壩),河道總體流態(tài)與工程前相比一般不會產(chǎn)生根本性變化,因此,將壩址選擇在原狀流態(tài)良好的河段是十分必要的。

壩址一般選擇在河道的直線河段,壩軸線上下游河道直線長度不宜小于5倍水閘進口處水面寬度,在不具有較長直線河段的地形條件,也應(yīng)將壩軸線布置在其中相對較直河段,且應(yīng)布置在河道的深泓部位,以利行洪[1]。如浙江省永嘉縣楠溪江供水工程攔河閘樞紐壩址位于沙頭鎮(zhèn)上游800m、楠溪江風景區(qū)下游約500m的“S”形河道上的中部,泄洪閘布置在河床右岸深槽部位,選擇這個閘址是多方面情況約束的結(jié)果,上游是國家級風景區(qū),不允許修建攔河閘;向下游為沙頭鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū),在其下游建閘不符合水源保護的要求,也會制約沙頭鎮(zhèn)的建設(shè)和發(fā)展,最終閘址軸線選擇在“S”形河道上的中部相對比較順直的河段,經(jīng)過河床水力學及水工模型試驗驗證,攔河過閘流態(tài)及上、下河道的流態(tài)總體良好[2]。

河道內(nèi)江心洲或主支流交匯對河道流態(tài)影響較大,閘壩軸線應(yīng)布置在交匯口下游約2～3倍河寬以下。已建成運行的小溪灘水利樞紐壩址位于衢江龍游河段,壩址上游為白堤圩江心洲,壩址下游為唐家江心洲,兩江心洲之間河道長度約1.0 km。根據(jù)梯級水位銜接的要求,小溪灘壩址選擇在上下游江心洲之間的河段內(nèi),壩址河段流態(tài)比較復雜,尤其是上游江心洲距離壩軸線較近,約為800 m,江心洲兩汊支流來水在壩前極易形成漩渦水流。經(jīng)過近3 a洪水期的運行,反應(yīng)出壩上水流較為復雜,樞紐的4孔×12 m泄洪閘及8跨橡膠壩不同開啟組合對河道流態(tài)影響較大,操作不當容易產(chǎn)生壩上漩渦沖刷及淤積。而目前正在前期設(shè)計的衢江紅船豆、游埠、姚家樞紐壩址所處河段均比較順直,附近無較大支流匯入,水流條件比較理想。

正在實施中的甌江下游三溪口河床式水電站位于小溪與小溪匯合口下游約900 m處,壩址河面寬約500 m,在壩軸線上游約500m處左岸有一山嘴凸出,對河道挑流效果明顯,單從河道地形看,壩址附近流態(tài)比較復雜,但從該工程建設(shè)政策處理等因素考慮,該壩址為三溪口河床式水電站惟一可推薦的壩址,對于如此復雜的河道流態(tài)采用河床水力學計算結(jié)合樞紐模型試驗是十分必要的,針對河道水流存在的問題設(shè)計中需采取必要的工程措施。

2.3 壩 (閘)址河道斷面具有合適的寬度

河床式樞紐擋水建筑物多以水閘、橡膠壩或閘壩結(jié)合的型式。從工程建筑物布置、工程建設(shè)對防洪的影響、施工導流等方面考慮,要求閘址所在的河道斷面應(yīng)具有足夠的寬度。

根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范要求,大型水閘總過流凈寬要達到所在河段寬度的85%左右[3](即水閘縮窄比率為0.80左右),對單孔凈寬12,14 m的水閘,若河道斷面全部布置水閘,水閘縮窄比率在0.80～0.82,基本能滿足過流斷面要求,而且對上游防洪影響較小?？紤]樞紐布置河床式電站、船閘的需要,船閘一般占用河道寬25 m左右(通航凈寬12 m),由于引航道的布置線型要求,船閘一般不允許向岸內(nèi)擴挖布置;河床式電站在地形條件允許、保證尾水擴散順暢的條件下,一般可向岸邊擴挖布置。因此,在閘壩選址時,應(yīng)優(yōu)先選擇軸線河道寬度B≥泄洪閘控制寬度Bmin+船閘占用寬度Bc+電站占用河道寬度Bp,其中泄洪閘控制寬度Bmin可取樞紐所在河段上、下游一定范圍內(nèi)對壩址水位產(chǎn)生明顯影響的最窄河道處寬度。在滿足上述條件下,河床式電站壩址河道寬度也不是越寬越好,否則會增加主體工程投資。

若樞紐壩址寬度偏小、建筑物布置受到一定限制時,一般可采用較大的水閘單孔凈寬、適當降低閘底檻高程、電站向岸邊擴挖布置等處理措施。

2.4 閘 (壩)址應(yīng)具有較好的工程實施條件

工程的實施條件包括施工期的交通運輸條件、施工總體布置條件以及政策處理條件。浙江省內(nèi)大江大河上的河床式樞紐工程的交通條件都比較便利,兩岸大多由公路可到達壩址。但施工場地布置往往成為施工中的難點,兩岸的公路、鐵路、村莊會成為施工場地布置的障礙。如三溪口河床式水電站工程壩址左右岸受公路、鐵路、村莊的限制,尤其是左岸電站廠房施工場地布置十分困難,成為施工組織設(shè)計的重點和難點。

在壩址選擇有多方案比較時,選擇遠離居民點的壩址往往是明智的選擇,可減少政策處理難度,減少工程實施期對附近居民的干擾,這些往往成為保證工程能否正常施工的關(guān)鍵。

3 閘孔凈寬、閘底檻高程選擇

水庫的淹沒與正常蓄水位以及洪水位有關(guān)。對于河床式樞紐水閘工程,閘孔凈寬和底檻高程是決定洪水位的關(guān)鍵因素之一。

3.1 淹沒處理難度較小工程的閘孔凈寬、閘底檻高程選擇

選擇較小的閘孔規(guī)模勢必加大泄洪時上下游水頭,對提高泄洪閘的單寬流量是比較明顯的。若樞紐上游的淹沒政策處理數(shù)量不大,政策處理相對簡單,應(yīng)將樞紐工程的閘孔規(guī)模、庫區(qū)淹沒處理投資一并進行技術(shù)經(jīng)濟比較,按照節(jié)省投資、方便政策處理的原則綜合確定閘孔凈寬及底檻高程。

3.2 不允許有較大淹沒工程的閘孔凈寬、閘底檻高程選擇

隨著國家對建設(shè)用地政策的調(diào)整,土地征用、移民搬遷的代價越來越高,水庫淹沒政策處理投資往往決定了工程建設(shè)的可行性。根據(jù)目前浙江擬建的河床式水利樞紐工程情況,均要求工程建設(shè)前后對上游的行洪影響減少到最小,按照正常蓄水位加一定的安全超高確定上游的淹沒影響線。這就要求按照壩址河道斷面寬度、建筑物布置情況,按最大允許過流凈寬的要求來布置泄洪閘,一般按工程前后閘上水位壅高不大于30 cm作為泄洪閘較優(yōu)的過流斷面,浙江省在21世紀修建的多座河床式水利樞紐工程20 a一遇洪水泄洪壅高水位一般均在30 cm以下。

閘底檻高程則由樞紐所在河段上下游河床的高程確定,一般選擇閘底檻高程略高于河槽高程,在過流能力滿足的條件下,可適當抬高底檻高程;若過流能力偏小,同時河寬限制擴大水閘凈寬,則需適當降低底檻高程。根據(jù)文獻[4],上游河床面高程與閘底板高差對水閘流量系數(shù)影響較大,而下游河床高程影響較小。因此采用降低閘底檻高程加大水閘泄流能力時,閘底檻高程應(yīng)高于疏浚后的河床高程。根據(jù)省內(nèi)已建工程運行情況分析,由于過閘水流流速加大,在閘室段底板淤積的可能性是很小的。

3.3 水閘底檻高程臺階式布置

若樞紐所在河段比較順直、兩岸堤防經(jīng)規(guī)劃整治,其河道灘地、深槽分布一般不明顯,如衢江上的游埠樞紐。類似樞紐的泄洪閘可采用相同的閘底檻高程布置,可以簡化建筑物的布置形式,對水閘的泄洪運行管理也比較方便。

樞紐所在河段的灘地及深槽若分布明顯,且在壩址上下游相當長的范圍內(nèi)河道的灘地與深槽連續(xù)分布,說明樞紐河段原河道的水流是比較穩(wěn)定的偏向一側(cè)的。如甌江上的五里亭、外雄、三溪口樞紐,泄洪閘的底檻高程宜采用高、低臺階布置,深槽區(qū)布置較低閘底檻,淺灘區(qū)布置相對較高的泄洪閘,這樣的閘底檻布置方式具有充分發(fā)揮深槽區(qū)水閘泄洪能力大、減少工程前后河道流態(tài)變化、節(jié)省工程投資的優(yōu)點。

泄洪閘高、低兩側(cè)閘室一般結(jié)合混凝土縱向圍堰分隔,其兩側(cè)高差不宜過大或過小,根據(jù)已建的類似項目,一般控制在1.5m左右為宜。水閘下游拋石防沖槽末端往往是水流沖刷比較嚴重的區(qū)域,為保證水閘下游高、低兩側(cè)銜接部位防沖安全,應(yīng)通過閘下游海漫縱坡的調(diào)整,使高低兩側(cè)拋石防沖槽及下游河床高差盡量減少。

4 樞紐建筑物布置關(guān)系

河床式樞紐工程一般由泄洪閘、發(fā)電廠房、船閘及兩岸接頭建筑物組成。

泄洪閘在樞紐中的位置關(guān)系到工程的泄洪安全與泄流能力,在樞紐布置中至關(guān)重要。為滿足工程泄洪安全及較大的泄量,布置泄洪閘的區(qū)域應(yīng)具有較好的流態(tài),若在水閘上游進水區(qū)產(chǎn)生漩渦等不良流態(tài),不但對泄流能力產(chǎn)生很大影響,而且由于渦流的作用造成閘前沖刷等嚴重問題。因此,泄洪閘的迎水前沿必須與河道的來水主流盡量一致,而且泄洪閘軸線應(yīng)盡量與水流方向垂直,以獲得較好的進流條件。

發(fā)電廠房、船閘的布置有“一岸布置”、“兩岸分側(cè)布置”2種選擇。由于船閘的上下游引航道對橫向水流、回流的流速限制比較嚴格,電站與船閘相鄰布置很難滿足水流要求,而且電站運行與船閘運行的交叉管理也不方便。電站與船閘兩岸布置,船閘上下游引航道水流條件比較穩(wěn)定,運行管理干擾少,是比較成熟可行的建筑物布置方案。如衢江航運開發(fā)工程的所有航電樞紐經(jīng)過水工模型驗證后,全部采用電站與船閘分兩岸布置的方式。

對于樞紐壩址寬度足夠?qū)?船閘與廠房也可同岸布置,但修建廠房與船閘、泄洪閘與船閘分隔導流建筑物需要占用較大的河面寬度,且工程投資較大。

發(fā)電廠房的布置是河床式樞紐的重要比選內(nèi)容,須從工程投資、水流條件、地質(zhì)條件、施工條件等方面進行綜合比選,一般遵循以下原則:①電站布置在河道深槽一岸,應(yīng)盡量減少占用河道主河槽行洪斷面,利用凹岸布置,減少工程后對河道泄洪流態(tài)的變化;②電站側(cè)一般作為一期工程施工,工程量大,周期長,應(yīng)布置在施工布置、導流比較有利的一側(cè);③布置電站一側(cè)河床基巖面高程應(yīng)適宜,減少石方開挖量及混凝土回填方量;④應(yīng)便于下游尾水渠水位的銜接,避免過大的下游河道疏浚工程量;⑤布置電站一側(cè)應(yīng)便于工程日常管理設(shè)施的布置。

5 結(jié) 語

(1)河床式水利樞紐壩址河段的選擇、樞紐建筑物整體布置是關(guān)系工程成敗的關(guān)鍵所在,在設(shè)計中應(yīng)充分考慮規(guī)劃銜接、河道水流條件、行洪影響、適宜的河面寬度、工程實施條件及工程投資效益等因素。

(2)樞紐閘孔凈寬及閘底高程的選擇因素有:工程技術(shù)經(jīng)濟比較、水庫的淹沒控制要求、河床原始高程及河勢等。在淹沒控制嚴格的工程中,盡量減少對行洪的影響往往成為確定閘孔規(guī)模及底檻高程的主導因素。

(3)樞紐中廠房、船閘的布置宜采用 “兩岸分側(cè)布置”方式,船閘流態(tài)比較容易滿足。電站廠房布置應(yīng)考慮河道行洪、地基條件、施工場地以及尾水銜接等問題。

[1]江蘇省水利勘測設(shè)計研究院.SL 265—2001水閘設(shè)計規(guī)范 [S].北京:中國水利水電出版社,2001.

[2]包中進,林偉波,王富強.楠溪江供水工程攔河閘樞紐水力學研究報告 [R].杭州:浙江省水利可口研究院,2007.

[3]華東水利學院.水工設(shè)計手冊 [M].北京:水利電力出版社,1982

[4]張緒進,樊衛(wèi)平,張厚強.低閘樞紐泄流能力研究 [J],水利學報,2005(10):1246-1251.