淺析虹吸管在已建成水電站生態(tài)泄流中的應(yīng)用

何 瀟

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

近幾年，生態(tài)文明建設(shè)被黨中央放在了所有工作的重中之重。生態(tài)基流的合理確定、生態(tài)基流下泄措施的切實落實成為中小型水電站整治工作的重心。生態(tài)基流是指流域內(nèi)用于維持生態(tài)平衡正常狀態(tài)所必需水資源流量，涵蓋下游所有生物生存所需的水量以及自然環(huán)境維持平衡所需的水量[1]。

受建設(shè)期經(jīng)濟社會發(fā)展水平及有關(guān)行業(yè)標準等多方面因素影響，我國較大部分中小型水電站在工程建設(shè)期均未設(shè)置生態(tài)基流下泄設(shè)施。現(xiàn)多通過改造現(xiàn)有閘門、增設(shè)生態(tài)機組等方式實現(xiàn)生態(tài)基流下泄。本文將以大通河某水電站為工程實例，從工程設(shè)計角度研究探討虹吸管在該水電站生態(tài)泄流中的應(yīng)用。

1 工程概況

某水電站坐落于大通河上，為低壩引水徑流式電站，工程主要以發(fā)電為目的，總裝機為70 MW，工程等別為Ⅲ等。主要由擋水建筑物（重力式擋水壩）、泄水建筑物（泄洪表孔溢流壩、溢流堰）及引水發(fā)電建筑物等組成。樞紐設(shè)計蓄水位為2166.90 m，設(shè)計引用流量120 m3/s，可利用發(fā)電最大水頭為82.20 m，可利用發(fā)電最小水頭68.80 m，多年平均發(fā)電量25620 萬kW·h。該水電站于2002 年開工建設(shè)，2005 年投產(chǎn)發(fā)電。

2 技術(shù)條件分析

該水電站工程由引水建筑物、擋（泄）水建筑物、發(fā)電廠房和尾水渠等組成。樞紐自右岸向左岸依次布置有底孔式泄沖閘、表孔式泄洪溢流壩、溢流堰和重力式擋水壩，樞紐平面布置見圖1。根據(jù)水電站運行情況，水庫正常運行蓄水位2166.90 m，最低運行水位2164.60 m。水電站左岸砼擋水壩段和溢流堰段具備虹吸管道布置條件。

圖1 樞紐平面布置圖

1）左岸砼擋水壩段：重力壩段位于樞紐左壩肩，長度20.5 m，基礎(chǔ)位于基巖上，建基高程2143 m。最大壩高26.2 m，相應(yīng)壩底寬23.54 m，上游直立，下游坡比1∶0.8，采用C15 砼澆筑。由于工程運行多年，在此壩段布設(shè)虹吸管受壩前淤積嚴重、壩后無消力設(shè)施影響，實施費用較高、運行較為困難。

2）溢流堰段：溢流堰壩段長度為15 m，為重力壩型式。堰頂曲面采用WES 曲線，壩體底寬最大處為28.75 m。溢流堰上游垂直，下游坡度為1∶1.05，堰頂高程為2166.90 m，堰高最大處為27.3 m，堰底處反弧段的轉(zhuǎn)彎半徑為4.00 m，轉(zhuǎn)角為44°。壩體外層采用C20 鋼筋砼，內(nèi)層采用C15 埋石砼填筑，埋石量（體積含量）小于等于35%。溢流堰后采用消力池進行消能，消力池的長度為54 m，寬度為46 m，深度為2 m，底板厚度為2 m。消力池為C20 鋼筋砼結(jié)構(gòu)，底板上布有排水管，梅花形布置，間距為2 m，底板基礎(chǔ)布置砂礫石反濾層和土工布反濾層。溢流堰靠近泄沖閘段，堰前淤積較少，堰頂距工作橋底1.1 m，沿堰面布設(shè)倒虹吸泄流管，管道出口接消力池，具有布設(shè)簡單、泄流順暢、不需新設(shè)消能設(shè)施等優(yōu)點，故本次設(shè)計采用在溢流堰面布設(shè)虹吸管方案。

3 工程總體布置

在溢流堰頂部緊鄰溢流壩閘墩一側(cè)人工鑿除部分鋼筋砼形成臨時施工管槽，在溢流堰堰面布設(shè)2 根DN1000 鋼管，堰頂管槽處及堰底反弧段各設(shè)1 座C25 現(xiàn)澆鋼筋砼鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩間虹吸鋼管段均勻布設(shè)3 套伸縮節(jié)及支墩。虹吸管尾部安裝電動蝶閥，并輔助以真空泵，利用虹吸現(xiàn)象將溢流堰上游水流引至下游，經(jīng)過消力池消能后進入下游河道。在下游河道水流平穩(wěn)處設(shè)置流量監(jiān)控設(shè)施，對生態(tài)基流下泄流量進行實時監(jiān)控，并與環(huán)保部門監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)相連，可實現(xiàn)環(huán)保部門對生態(tài)基流下泄額度的監(jiān)督與考核。工程總體布置見圖2～圖3。

運行原理：運行時先關(guān)閉虹吸管尾部的DN1000 軟密封雙偏心電動蝶閥，開啟輔助管路上的水環(huán)真空泵和DN200 軟密封雙偏心電動蝶閥，將虹吸鋼管排氣充水，直至達到真空狀態(tài)后水流自上游虹吸至下游，然后關(guān)閉水環(huán)真空泵和DN2000 軟密封雙偏心電動蝶閥，開啟虹吸管尾部的DN1000 軟密封雙偏心電動蝶閥，水流將形成恒定自由出流。

圖2 虹吸管布置平面圖

圖3 虹吸管布置縱剖面圖

4 方案設(shè)計

4.1 設(shè)計參數(shù)

大通河位于西部內(nèi)陸地區(qū)，由于蒙古地區(qū)高壓和東南方向海洋性季風影響，具有雨熱同步、年降水量低、年蒸發(fā)量大、日照時間長等特點。本工程所在區(qū)域多年平均氣溫0.41℃，年均最低氣溫-6.4℃，極端最低氣溫-34.1℃，冰凍期長，晝夜溫差大，多年平均降水量520.1 mm，多年平均蒸發(fā)量1200 mm，風力最大為16 m/s，最大凍土深度1.5 m。一般年份封凍天數(shù)在60 d 左右，庫區(qū)的冰蓋厚度約為74 cm。

上游最低運行水位：2164.60 m。

下游消力池水位：按樞紐下游河道不斷流的要求，初步擬定消力池水位為2144.18 m（比消力池底坎高0.2 m）。

生態(tài)基流流量：枯水期不得小于6.5 m3/s，豐水期不得小于13.0 m3/s（數(shù)據(jù)源自《青海省主要河流生態(tài)基流流量指標分析計算報告》的通知，青水資函[2017]385 號）。

4.2 水力計算

4.2.1 流量計算

依據(jù)《水力計算手冊》對虹吸管進行水力學計算，虹吸管單管下泄流量按恒定管流計算，公式如下[2]：

式中：Q 為下泄流量，m3/s；μc為管道系統(tǒng)流量系數(shù)；A 為管道斷面面積，m2；d 為管道內(nèi)徑,m；l 為管道計算長度,m；H0為不計入行近流速水頭的作用水頭,m；λ 為沿程水頭損失系數(shù)；Σζ 為計算管段內(nèi)局損系數(shù)之和。

為滿足生態(tài)泄流要求，計算采用最低運行水位時的最小水頭。經(jīng)計算，在最低運行水位2164.60 m，且下游消力池水位為2144.18 m 時，采用2 根DN1000 的虹吸管泄流，單根下泄流量可達6.62 m3/s，流速8.24 m3/s，滿足生態(tài)基流枯水期時不得小于6.5 m3/s 的要求，豐水期時2 根同時開啟可滿足生態(tài)基流下泄流量不小于13.0 m3/s 的要求。具體計算見表1。

表1 虹吸管下泄流量水力計算表

4.2.2 最大安裝高度

以上游庫區(qū)水面為基準面，不計入行近流速水頭，對上游庫區(qū)水位斷面和虹吸管最高點斷面列伯努利方程可得：

式中：hs為最大安裝高度,m；為鋼管中的最大真空高度，工程上一般限制不超過7 m 水柱,m[3]；為虹吸管最高點處流速水頭,m；hw為水頭損失。

代入計算后可得，最大安裝高度hs=5.6 m。

方案中安裝高度為5.3 m，小于5.6 m，滿足最大安裝高度。

4.3 主要建筑物設(shè)計

（1）堰頂改造：在右孔溢流堰靠近閘墩處堰頂呈階梯形拆除混凝土，階梯最高點控制高程為2165.90 m，水平拆除寬度約為3.5 m，拆除后形成縱向呈階梯形，橫向呈矩形的臨時管槽。

（2）鎮(zhèn)墩設(shè)計：虹吸管安裝完畢后，分別在溢流堰頂和溢流堰底的反弧段設(shè)置C25 現(xiàn)澆鋼筋砼1#、2#鎮(zhèn)墩。1#鎮(zhèn)墩尺寸為5.0 m×3.5 m×2.1 m（長×寬×高）；2#鎮(zhèn)墩尺寸為5.0 m×3.5 m×3.5 m（長×寬×高）。鎮(zhèn)墩與堰面結(jié)合處將堰面混凝土鑿毛處理并埋設(shè)直徑25 mm 的錨筋（間距0.6 m×0.6 m）。

（3）支墩設(shè)計：鋼管中部設(shè)3 座現(xiàn)澆C25 混凝土支墩，支墩尺寸為0.8 m×3.5 m×0.5 m（長×寬×高）。支墩與堰面結(jié)合處將堰面混凝土鑿毛處理并埋設(shè)直徑25 mm 的錨筋（間距0.5 m×0.5 m）。

5 結(jié)語

中小型水電站增設(shè)虹吸管進行生態(tài)泄流與其他方案相比具有以下優(yōu)點：

（1）在不同水電站的方案設(shè)計中，通過調(diào)整虹吸管數(shù)量及管徑，可滿足較大流量范圍的生態(tài)泄流流量要求；在同一水電站的方案設(shè)計中，通過調(diào)整虹吸管運行方式（單/多管或其他組合），可適應(yīng)枯水期- 豐水期生態(tài)流量調(diào)節(jié)需求。

（2）在已有建筑物上增設(shè)虹吸管，施工簡便，造價較低，且對大壩等主要建筑物造成的破壞及影響較小，有利于工程施工及運行安全。

（3）虹吸管安裝可在不降低上游水位的條件下施工完成，工期靈活，且不影響水電站的發(fā)電水頭，有利于水電站經(jīng)濟效益的正常發(fā)揮。

該水電站虹吸管生態(tài)泄流設(shè)施現(xiàn)已施工完畢，于2019 年11 月份開始投入運行，運行效果較好，有效改善了下游河段的減水、斷流現(xiàn)象。大通河上游段地處祁連山國家級自然保護區(qū)，但中小型水電站數(shù)量多，整治難。本設(shè)計方案施工簡便，安全性高，經(jīng)濟效益好，具有一定的推廣意義。