某水利樞紐工程放水兼發(fā)電引水建筑物設(shè)計(jì)

蔣小健

(阿勒泰地區(qū)SETH水庫管理處，新疆 阿勒泰 836500)

1 工程概況

新疆某水利樞紐工程任務(wù)為供水和防洪，兼顧灌溉和發(fā)電，水庫總庫容2.94億m3，工程主要由碾壓混凝土重力壩(含擋水壩段、表孔和底孔壩段、放水兼發(fā)電引水壩段等)及消能防沖建筑物、壩后式電站廠房和升魚機(jī)等組成。工程為II等工程，規(guī)模為大(2)型。攔河壩(含擋水壩段、表孔和底孔壩段、放水兼發(fā)電引水壩段等)及消能防沖建筑物為2級建筑物，升魚機(jī)和電站廠房為3級建筑物；導(dǎo)流建筑物級別為4級。碾壓混凝土重力壩從左岸至右岸共布置21個(gè)壩段。電站廠房采用壩后式電站廠房，廠區(qū)建筑物由主廠房、副廠房、尾水建筑物和管理用房等組成。2臺(tái)110 kV主變布置于副廠房上游側(cè)室外。主廠房內(nèi)設(shè)2臺(tái)單機(jī)容量12 MW及1臺(tái)3.6 MW水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)引水流量為大機(jī)組2×27.65 m/s、小機(jī)組8.6 m/s。

2 放水兼發(fā)電引水建筑物

可研階段推薦方案樞紐裝機(jī)為兩大一小3臺(tái)裝機(jī)，初設(shè)階段布置方案采用兩種方案進(jìn)行比選：一種方案采用一管一機(jī)方案，一種是一管三機(jī)方案。

采用一管一機(jī)方案，電站運(yùn)行管理靈活方便，水流條件好，水頭損失小；但取水口寬度大。本工程分層取水通過疊梁門實(shí)現(xiàn)，進(jìn)口前沿寬，造成疊梁門寬度較大，規(guī)模較大，并且疊梁門需要門庫存放，門庫規(guī)模較大，門庫布置及運(yùn)行操作均不方便；并且壩內(nèi)埋設(shè)3根鋼管，對壩體快速施工影響較大。

采用一管三機(jī)方案，缺點(diǎn)是電站運(yùn)行管理不便，需增設(shè)蝶閥，岔管處鋼管應(yīng)力條件較差，水流條件較差，水頭損失大;優(yōu)點(diǎn)是取水口布置緊湊，寬度小，疊梁門庫布置在取水口旁側(cè)壩段，運(yùn)用方便，壩內(nèi)埋管只有1根，對壩體施工影響小。經(jīng)綜合考慮，采用一管三機(jī)方案。

可研階段審查意見“基本同意放水兼發(fā)電引水進(jìn)水口采用分層取水型式及布置，放水兼發(fā)電引水建筑物采用一管三機(jī)布置型式?！?/p>

可研階段評估意見“引水發(fā)電及過魚建筑物設(shè)計(jì)基本合適”。

3 取水口設(shè)計(jì)

3.1 取水口取水方式比選

壩址區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)，水庫蓄水后，水庫水溫呈垂向分層分布，庫表水溫和庫底水溫溫差較大。放水兼發(fā)電取水口底高程為979.0 m，下放的庫水水溫與天然氣溫相差較大，對下游生態(tài)和農(nóng)業(yè)灌溉將產(chǎn)生影響。因?yàn)樗w置換期較長的庫區(qū)水溫分層，會(huì)引起深水層的水質(zhì)惡化；其次，對水生生物產(chǎn)生影響，壩址區(qū)烏倫古河魚類產(chǎn)卵季節(jié)為4～7月，魚類產(chǎn)卵所耐受的最低溫度一般為18 ℃。低溫水的下放，水的溶氧量及水的化學(xué)成分將發(fā)生變化，進(jìn)而影響魚類和餌料生物的衍生，降低魚類的新陳代謝能力；低溫水的下放，還限制下游灌區(qū)地溫的提高，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。為避免低溫水對下游生態(tài)環(huán)境的不利影響，取水口采用分層取水的方式。

3.2 分層取水進(jìn)水口方案選擇

壩址區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)，水庫蓄水后，水庫水溫呈垂向分層分布，庫表水和庫底水溫差較大。為避免溫差較大水對下游生態(tài)環(huán)境的不利影響，進(jìn)水口采用分層取水的方式。

分層取水進(jìn)水口方案在疊梁門方案與固定進(jìn)水口方案之間進(jìn)行比較。

(1)疊梁門方案采用有壓壩式進(jìn)水口，進(jìn)口底高程979 m，后接管徑4.5 m壓力鋼管。由進(jìn)口段、攔污柵、分層取水疊梁門、檢修閘門及漸變段組成，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。攔污柵采用直立式布置，利用壩頂門機(jī)吊裝清污抓斗清污。攔污柵設(shè)1孔，孔口凈寬4.5 m。攔污柵下游2.50 m設(shè)置疊梁門，疊梁門至平板檢修閘門槽孔口距離9.75 m。檢修門后的漸變段長7.5 m，漸變段后接內(nèi)徑4.5 m的壓力鋼管，壓力鋼管出壩體后分為1、2、3號共3個(gè)支管，其中3號支管再分為2個(gè)支管，分別為生態(tài)基流、魚道、工業(yè)供水以及兼顧機(jī)組發(fā)電供水。

(2)固定進(jìn)水口方案采用有壓壩式進(jìn)水口，進(jìn)水口由開敞式進(jìn)口段、攔污柵、分層取水閘門、檢修門槽及漸變段組成，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。攔污柵采用直立式布置，利用壩頂門機(jī)吊裝清污抓斗清污。攔污柵設(shè)兩孔，孔口凈寬4.5 m，相應(yīng)的過柵流速為0.868 m/s。攔污柵后設(shè)置4個(gè)分層取水閘門，門高7.0 m，進(jìn)口底高層分別為979.0、990.0、1 001.0 m以及1 012.0 m，取水口門頂處設(shè)置4 m高的橫梁。其中，高程1 012.0 m門頂處和橫梁梁頂1 023.0 m高程以上采用開放式，取正常蓄水位的表層水。進(jìn)水口至平板檢修閘門槽孔口最近距離為3.5 m。

進(jìn)水口設(shè)置進(jìn)口檢修閘門，閘門尺寸為4.5 m×5.03 m。攔污柵、分層取水口閘門及檢修閘門均采用壩頂門機(jī)機(jī)控制(見表1)。

表1 不同方案投資比較

兩方案均采用壩頂門機(jī)控制閘門啟閉及攔污柵的起吊與安放，運(yùn)行管理?xiàng)l件相差不大，都能滿足分層取水的功能要求。方案2取表層水效果不如方案1，且土建投資較大，施工難度高于方案1；并且由兩方案投資比較來看，方案2投資比方案1投資高402萬左右，因此本階段推薦方案1，采用疊梁門分層取水方案。

4 放水兼發(fā)電取水口布置

放水兼發(fā)電取水口布置于13號壩段，采用有壓壩式進(jìn)水口，后接壩內(nèi)壓力鋼管。取水口由開敞式進(jìn)口段、攔污柵、分層取水疊梁門、檢修門槽及漸變段組成，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。攔污柵采用直立式布置，利用壩頂門機(jī)吊裝清污抓斗清污。攔污柵設(shè)兩孔，孔口凈寬4.5 m，相應(yīng)的過柵流速為0.868 m/s。攔污柵后2.5 m設(shè)置疊梁門，疊梁門至平板檢修閘門槽孔口9.75 m。攔污柵、疊梁門以及檢修閘門均采用壩頂門機(jī)機(jī)控制。

檢修門后的漸變段長7.5 m，由4.5 m×4.5 m的方孔漸變?yōu)閮?nèi)徑4.5 m的圓孔，漸變段后接內(nèi)徑4.5 m的壓力鋼管，壓力管道由壩內(nèi)埋管段(上下2個(gè)水平段、上下2個(gè)彎段)、4個(gè)卜型岔管、5個(gè)支管等組成。

上水平段管道中心線高程為981.25 m，長度為9.5 m，經(jīng)上下2個(gè)半徑為11.25 m、轉(zhuǎn)角為53°的轉(zhuǎn)彎段，鋼管中心線由981.25 m降為965.20 m，接管徑為4.5 m明鋼管，出壩體后分為1號卜型岔管、2號卜型岔管、3號卜型岔管及4號卜型岔管。明鋼管至1號岔管中心點(diǎn)長7.172 m，鋼管管壁厚度為22 mm，鋼管每隔2 m設(shè)1道高200 mm、厚22 mm的加勁環(huán)，其后接2號岔管；2號岔管分別接1、2號支管給2臺(tái)大機(jī)組供水，1、2號岔管管壁厚度為30 mm。1號機(jī)組支管(管徑2.6 m)至蝶閥中心線長19.958 m，2號機(jī)組支管(管徑2.6 m)至蝶閥中心線長13.874 m，1號岔管經(jīng)3號支管(管徑2.6 m)接3號岔管；1～3號支管管壁厚度為20 mm，鋼管每隔2 m設(shè)1道高200 mm、厚22 mm的加勁環(huán)。3號岔管接4號支管給小機(jī)組供水，4號(即小機(jī)組)支管(管徑1.5 m)至蝶閥中心線長16.384 m，4號支管壁厚度為18 mm，鋼管每隔2 m設(shè)1道高100 mm、厚18 mm的加勁環(huán)。3號岔管經(jīng)5號支管(管徑1.8 m)接4號岔管，給過魚建筑物及下游生態(tài)基流供水，5號支管管壁厚度為18 mm，鋼管每隔2 m設(shè)1道高100 mm、厚18 mm的加勁環(huán)。3號、4號岔管管壁厚度為22 mm，鋼材均為Q345R。

5 水力學(xué)計(jì)算

5.1 引用流量及水頭損失

5.1.1 流速

發(fā)電引水鋼管直徑4.5 m：采用一管三機(jī)，放水及發(fā)電引水鋼管最大引用流量63.9 m3/s；總管段最大流速4.02 m/s，支管段直徑2.6 m，最大流速5.21 m/s。

生態(tài)引水鋼管直徑1.5 m：引用流量為4.83 ～11.49 m3/s(其中，工業(yè)供水約為1.5 m3/s，生態(tài)供水枯水年供3.33 m3/s、豐水年供9.99 m3/s)，流速為2.73 ～6.50 m/s。

5.1.2 水頭損失

3臺(tái)機(jī)發(fā)電，洞內(nèi)流量63.9 m3/s，管路最大總水頭損失為3.02 m。

5.2 進(jìn)口底板高程確定

水庫最低發(fā)電水位1 005.0 m，初擬放水兼發(fā)電引水鋼管底板高程979.0 m。為使取水口在最低水位時(shí)保持有壓流，不致產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦將空氣及污物卷入，需要保持足夠的淹沒水深。根據(jù)規(guī)劃相關(guān)資料，在死水位986 m生態(tài)引水鋼管引水月份為3～6月份，此時(shí)段最大引用流量為11.49 m3/s，按此工況計(jì)算進(jìn)口淹沒。

(1)從防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦考慮，最小淹沒深度按照“戈登公式”估算：

S=Cvd1/2

式中，S為孔口淹沒深度(m)；v為孔口斷面流速(m/s)；d為孔口高度(m)；C為與進(jìn)口形狀有關(guān)的系數(shù)，C=0.55～0.73，此處取C=0.73。

(2)從保證進(jìn)水口內(nèi)為壓力流，最小淹沒深度S按下式計(jì)算：

式中，S為最小淹沒深度，應(yīng)不小于1.5，K為安全系數(shù)，應(yīng)不小于1.5，計(jì)算中取為1.5；△h1為攔污柵水頭損失；△h2為有壓進(jìn)水口喇叭段水頭損失；△h3為閘門槽水頭損失；△h4為壓力管道漸變段水頭損失；△h5為沿程水頭損失。

計(jì)算結(jié)果如下所示(見表2)。

表2 進(jìn)水口淹沒深度計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)際淹沒高程均大于計(jì)算所需的最小淹沒高程，取水口底板高程滿足要求。

5.3 通氣孔面積

通氣孔在檢修門井后墻內(nèi)布置1個(gè)圓孔，直徑1.0 m，面積0.785 m2。

放水及發(fā)電引水鋼管檢修門井后設(shè)置通氣孔，其作用為發(fā)生故障下門時(shí)向洞內(nèi)補(bǔ)充空氣；在檢修完成后向引水洞充水時(shí)向外排出空氣。根據(jù)水利水電工程《鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，快速閘門通氣孔面積按發(fā)電管道面積的3%～5%選定。本工程按規(guī)范取值。

引水鋼管：通氣孔面積為(3%～5%)×20.25 m2=0.61～1.01 m2。因進(jìn)口采用的是檢修門而非快速門，通氣孔面積可相應(yīng)減小，實(shí)際布置的通氣孔面積滿足通氣要求。

6 結(jié) 語

通過簡述新疆某水利樞紐工程放水兼發(fā)電引水建筑物方案比選，最終確定了樞紐的一管三機(jī)及分層取水的設(shè)計(jì)方案；并詳細(xì)論述了建筑物設(shè)計(jì)計(jì)算過程，最終確定了樞紐工程放水兼發(fā)電引水建筑物的布置方案。