姜躍良，何 濤，田 華

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

水電站進(jìn)水口分層取水結(jié)構(gòu)在水電開發(fā)程度很高的美國很受青睞，已成為水電生態(tài)友好實(shí)踐的重要組成部分[1]。近年來在我國的光照、錦屏一級、溪洛渡、雙江口等一些大型水電工程陸續(xù)開展了分層取水措施的相關(guān)研究和設(shè)計，對減緩深水型水庫下泄低溫水對下游水生生境造成的不利影響具有極其重要的意義。本文就溪洛渡水電站進(jìn)水口分層取水措施設(shè)計成果進(jìn)行介紹。

2 工程概況

溪洛渡水電站是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游江段航運(yùn)條件等綜合利用效益的特大型水電工程。電站總裝機(jī)容量為12 600MW(18×700MW)。單層進(jìn)水口方案的電站進(jìn)水口底板高程為518m。水庫正常蓄水位600m，死水位540m，正常蓄水位相應(yīng)庫容115.7億m3，死庫容51.1億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。電站可行性研究階段的水溫預(yù)測結(jié)果表明，水庫水溫結(jié)構(gòu)屬穩(wěn)定分層型，電站運(yùn)行時下泄的低溫水會改變下游河道天然水溫的分布，將對下游魚類繁殖產(chǎn)生一定的不利影響。

原國家環(huán)境保護(hù)總局在《關(guān)于金沙江溪洛渡水電站環(huán)境影響報告書審查意見的復(fù)函》中明確要求，“應(yīng)在設(shè)計階段進(jìn)一步優(yōu)化樞紐建筑物設(shè)計和電站初期蓄水與運(yùn)行方案，盡可能降低4～5月份水庫運(yùn)行水位、抬高進(jìn)水口底板高程，以提高下泄水溫，減輕對壩下水生生態(tài)的影響”。受建設(shè)單位中國長江三峽工程開發(fā)總公司委托，我院于2008年3月承擔(dān)溪洛渡水電站進(jìn)水口分層取水布置專題設(shè)計工作，專題成果于2008年11月通過審查。目前分層取水措施正處在施工階段。

3 分層取水工程布置方案比選

在招標(biāo)階段審定的單層進(jìn)水口布置方案的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整取水建筑物設(shè)計形式，研究比選了高低進(jìn)水口、雙層取水口及疊梁門多層取水共3種分層取水工程布置方案。

比較結(jié)果表明，從工程布置上，采用疊梁門工程方案實(shí)現(xiàn)分層取水相對可行(見表1)。圖1為右岸11號疊梁門多層取水進(jìn)水口縱剖面示意圖。

4 疊梁門分層取水水溫預(yù)測及效果分析

對比了疊梁門單層門葉高度分別采用12m、8m、6m的3種方案，數(shù)值模擬結(jié)果表明，不同門葉高度方案對月均水溫影響不大?？紤]到施工、運(yùn)輸、運(yùn)行等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，疊梁門單層門葉高度推薦采用12m。基于3～6月為魚類主要產(chǎn)卵期，疊梁門運(yùn)行時段為3～6月。結(jié)合歷年水文資料和最小淹沒水深要求(25m)，最多采用4層疊梁門取水，最大擋水高度為48m。下文針對溪洛渡水庫單獨(dú)運(yùn)行和聯(lián)合運(yùn)行兩種工況的水溫分布特點(diǎn)分別進(jìn)行分析。其中，單獨(dú)運(yùn)行工況指基于二灘水庫已運(yùn)行，溪洛渡水電站單獨(dú)運(yùn)行的工況；聯(lián)合運(yùn)行工況是基于二灘已建，考慮金沙江干流下游烏東德、白鶴灘聯(lián)合運(yùn)行的工況。兩種工況均以平水年進(jìn)行典型預(yù)測。

圖1 溪洛渡水電站進(jìn)水口縱剖面示意

序號分層取水工程布置方案簡要說明特 點(diǎn)綜合比選結(jié)論1高低進(jìn)水口方案將左岸1～4號(右岸15～18號)進(jìn)水口底板高程設(shè)為542.00m。左岸塔基高程539.00m(右岸537.00m),左岸塔高71m(右岸73m),左右岸前部引渠底高程540.00 m;左岸5～9號(右岸10～14號)進(jìn)水口底高程仍保持單層取水時的底板高程518.00m,左岸塔基高程515.00m(右岸513.00m),左岸塔高95m(右岸97m),左右岸前部引渠底高程516.00m涉及進(jìn)水口建基面的調(diào)整。在不同的庫水位下,進(jìn)水口需采用不同的開啟運(yùn)行方式,系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的靈活性較差,且會帶來發(fā)電量及銷售收入的損失,對溪洛渡電站經(jīng)濟(jì)效益的影響巨大2雙層取水口方案進(jìn)水口布置格局與原單層進(jìn)水口大體一致,增加一道閘門,進(jìn)水塔順?biāo)鞣较虺叽鐚⒃黾蛹s20.00m涉及進(jìn)水口建基面的調(diào)整,受左右兩岸廠房進(jìn)水口的地形條件限制,不具備實(shí)施雙層取水口方案的條件3疊梁門方案左岸在攔污柵柵墩處增加一道疊梁門門槽,右岸利用備用攔污柵槽作為疊梁門槽。疊梁門擋水閘門底高程為518.00m,最大擋水高程為566.00m高程,門葉尺寸3.8m×48m(寬 高),門葉分4節(jié),每節(jié)高度12m。每臺機(jī)組進(jìn)口前緣由柵墩分成5個過水柵孔,九臺機(jī)組共設(shè)45個過水柵孔,擋水閘門數(shù)量亦為45扇,門葉共180節(jié)不涉及進(jìn)水口建基面的調(diào)整,工程量較小從水工布置上比較,疊梁門方案基本可行

遇豐水年水庫高水位運(yùn)行時，最多可能啟用4層門葉擋水，最大擋水高度為48m，分層取水升溫效果將較平水年更明顯。

4.1 單獨(dú)運(yùn)行工況

4.1.1 疊梁門逐旬啟用情況

3～6月啟用疊梁門分層取水。以平水年(1982.06—1983.05)進(jìn)行分析，水位在567m以上運(yùn)行時，兩層門葉擋水，擋水閘門頂高程為542m；水庫水位在555m與567m之間時，吊起第一節(jié)疊梁門，用第二節(jié)門葉擋水，此時擋水閘門頂高程為530m；水庫水位降至555m以下時，繼續(xù)吊起第二節(jié)疊梁門，無閘門擋水，取水方式與單層取水相同，取水口底高程518m。

4.1.2 預(yù)測結(jié)果及分析

圖2反映了該分層取水方案的水庫壩前水溫年內(nèi)分布特征。表2反映了下泄水溫、壩前表層水溫、庫底水溫、壩址處天然水溫及氣溫年內(nèi)過程，并比較了該疊梁門取水方案逐月下泄水溫與單層取水口方案及天然狀況的差異。

相對單取水口方案而言，疊梁門取水方案使3～6月魚類主要產(chǎn)卵期平均水溫升高了0.3℃，其中，3月份升高了0.7℃，4月份升高了0.8℃，在一定程度上減輕了低溫水的負(fù)面影響。

圖2 逐月壩前水溫分布(單獨(dú)運(yùn)行 平水年)

月份月均下泄水溫壩址天然水溫月均下泄水溫與天然水溫差值月均下泄水溫與單層取水口水溫差值表層水溫庫底水溫庫區(qū)平均氣溫1月14.312.81.5-0.315.914.110.22月13.313.8-0.5-0.314.913.312.23月14.716.2-1.50.715.513.217.04月17.419.2-1.80.818.213.221.45月19.521.4-1.9-0.220.713.224.36月21.522.2-0.7023.313.225.47月21.922.5-0.60.423.313.227.48月22.322.9-0.6-0.128.813.226.99月20.921.1-0.2-0.425.113.223.310月19.819.60.2-0.123.213.219.511月18.216.61.6-0.220.413.215.412月16.313.82.5-0.118.413.411.5年平均18.318.5-0.2020.613.319.5

4.2 聯(lián)合運(yùn)行工況

4.2.1 疊梁門逐旬啟用情況

3～6月啟用疊梁門分層取水。以平水年(1960.06—1961.05)進(jìn)行分析，水位在579m以上運(yùn)行時，三層門葉擋水，擋水閘門頂高程為554m；水庫水位在567m與579m之間時，吊起第一節(jié)疊梁門，由其它門葉擋水，此時擋水閘門頂高程為542m；水庫水位在555m與567m之間時，吊起第二節(jié)疊梁門，由最下層節(jié)門葉擋水，此時擋水閘門頂高程為530m；水庫水位降至555m以下時，繼續(xù)吊起最下層疊梁門，無閘門擋水，取水方式與單層取水相同，取水口底高程518m。

4.2.2 預(yù)測結(jié)果及分析

圖3反映了該方案的溪洛渡水庫壩前水溫年內(nèi)分布特征。表3反映了下泄水溫、壩前表層水溫、庫底水溫、壩址處天然水溫及氣溫年內(nèi)過程，并比較了該疊梁門取水方案與單層取水口方案及天然狀況的差異。

表3 聯(lián)合運(yùn)行時平水年月均下泄水溫、壩前水溫分布、壩址天然水溫及氣溫 ℃

圖3 逐月壩前水溫分布(聯(lián)合運(yùn)行 平水年)

相對單取水口方案而言，疊梁門取水方案使3～6月魚類主要產(chǎn)卵期平均水溫升高了0.3℃，其中，3、4月份均升高了0.6℃，在一定程度上減輕了低溫水的負(fù)面影響。

5 分層取水工程布置研究

5.1 發(fā)電引水進(jìn)水口建筑物的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

電站進(jìn)水口建筑物的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下：永久性主要建筑物按1級建筑物設(shè)計；非壅水建筑物洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按500年一遇洪水設(shè)計、1000年一遇洪水校核，其校核洪水位(千年一遇)為600.70m；設(shè)計地震烈度為Ⅷ度，地震水平加速度為0.21g。

5.2 發(fā)電引水進(jìn)水口的水力設(shè)計

經(jīng)計算，過柵流速為1.14m/s，過水道水流豎向流速為3.8m/s，進(jìn)水口段水頭損失約0.95m。

5.3 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)布置

鑒于左岸豎井式進(jìn)水口開挖已經(jīng)完成，故僅對進(jìn)水口攔污柵段進(jìn)行調(diào)整。為保證能夠分層取水，在柵墩上增加一道疊梁門槽。考慮到設(shè)置傾斜的疊梁門槽啟閉困難，特將整個攔污柵段調(diào)整為直立式。由于攔污柵段改為直立式，柵墩后的斜坡上需回填較大量的混凝土。考慮到回填混凝土自身穩(wěn)定要求以及減小混凝土工程量，將斜坡上的回填混凝土調(diào)整為鋼筋混凝土墻板結(jié)構(gòu)，并設(shè)平壓孔保證墻體內(nèi)外水壓平衡。

鑒于右岸岸塔式進(jìn)水口開挖已經(jīng)完成，故僅對進(jìn)水口攔污柵進(jìn)行了調(diào)整。利用原備用攔污柵槽作為疊梁門槽，只需調(diào)整攔污柵胸墻高度，其余結(jié)構(gòu)基本不變。

疊梁門擋水閘門底高程為518.00m，最大擋水高程為566.00m，門葉尺寸3.8m×48m(寬 高)，門葉分4節(jié)，每節(jié)高度12m。每臺機(jī)組進(jìn)口前緣由柵墩分成5個過水柵孔，9臺機(jī)組共設(shè)45個過水柵孔，擋水閘門數(shù)量亦為45扇，門葉共180節(jié)。

為了減小進(jìn)水口取上層水時過水道水流的豎向流速，以使流經(jīng)攔污柵段的水流均勻、平穩(wěn)地進(jìn)入隧洞，攔污柵段和隧洞段之間留有4.00m間距。攔污柵段和隧洞段邊墻之間采用縱撐連接，縱撐間水平凈距4.60m，垂直向中心間距8.00m，斷面尺寸1.20m×1.50m(寬×高)，以增強(qiáng)攔污柵段的抗震能力。

5.4 分層取水的閘門及啟閉設(shè)備

5.4.1 左岸分層取水疊梁門方案

左岸進(jìn)水口每臺機(jī)組為單進(jìn)口，進(jìn)口底坎高程為518.00m，閘頂高程610.00m，引水建筑物的金屬結(jié)構(gòu)包括進(jìn)水口的攔污柵、疊梁門(與備用攔污柵共槽)、檢修閘門、快速閘門及啟閉設(shè)備。

5.4.1.1 進(jìn)水口攔污柵及啟閉設(shè)備布置

進(jìn)口前緣由柵墩分成5個過水柵孔，每孔寬3.8m、高71m，攔污柵強(qiáng)度按4m水位差設(shè)計。左岸進(jìn)水口設(shè)工作柵45扇，備用柵1扇，每扇柵葉由23節(jié)組成，每節(jié)高度3.12m，采用滑道支承，用拉桿連接至頂610.00m平臺并鎖定，攔污柵在前后水位差不大于1m時可啟吊。在單層取水時可進(jìn)行一孔攔污柵清污或檢修，將鎖定在備用柵槽上的一層疊梁門吊運(yùn)到空閑的儲柵槽內(nèi)，再下備用柵后方能提起工作柵，通過抓梁+拉桿+頂3節(jié)攔污柵起吊。其它20節(jié)攔污柵用抓梁分5次起吊。備用攔污柵平時分別存放在儲柵槽內(nèi)。吊起設(shè)備為2臺800kN雙向門機(jī)。

檢修閘門、快速閘門及啟閉機(jī)布置與單層取水相同，啟閉機(jī)采用1臺2 500kN雙向門機(jī)。

5.4.1.2 進(jìn)水口疊梁門及啟閉設(shè)備布置

門葉尺寸3.8m×48m(寬×高)，滑動支承，按4m水壓差設(shè)計，門葉分16節(jié)，每節(jié)高度3m，每4節(jié)用節(jié)間連接板或焊接相連組成一層疊梁門，共四層。采用閘頂800kN雙向門機(jī)配合液壓自動抓梁分層起吊。在疊梁門槽上鎖定一層疊梁門，其它三層疊梁門儲存在三個疊梁門儲門槽內(nèi)。

5.4.2 右岸分層取水疊梁門方案

右岸岸塔式進(jìn)水口每臺機(jī)組為單進(jìn)口，進(jìn)口底坎高程為518.00m，閘頂高程610.00m，引水建筑物的金屬結(jié)構(gòu)包括攔污柵、疊梁門、檢修閘門、快速閘門及啟閉機(jī)。

右岸分層取水疊梁門方案與左岸相同，僅啟閉機(jī)采用閘頂2500kN/320kN/320kN雙向門機(jī)320kN回轉(zhuǎn)吊配合+拉桿起吊頂節(jié)攔污柵，其余由回轉(zhuǎn)吊配合液壓抓梁、分節(jié)起吊攔污柵、分層啟閉疊梁門。門機(jī)軌距14.8m，揚(yáng)程110m，軌上揚(yáng)程18m。右岸疊梁門門庫均設(shè)置在備用柵槽后的聯(lián)系梁格內(nèi)。攔污柵清污或檢修方式與左岸相同。

6 分層取水疊梁門的運(yùn)行調(diào)度管理

3～6月為魚類主要產(chǎn)卵期，水位在604m以上運(yùn)行時，四層門葉擋水，擋水閘門頂高程579m；水位在579m以上運(yùn)行時，三層門葉擋水，擋水閘門頂高程為554m；水位在579m以上運(yùn)行時，三層門葉擋水，擋水閘門頂高程為554m；水庫水位在567m與579m之間時，吊起第一節(jié)疊梁門，用其它門葉擋水，此時擋水閘門頂高程為542m；水庫水位在555m與567m之間時，吊起第二節(jié)疊梁門，用最下層節(jié)門葉擋水，此時擋水閘門頂高程為530m；水庫水位降至555m以下時，繼續(xù)吊起最下層疊梁門，無閘門擋水，取水方式與單層取水相同，取水口底高程518m。

其他月份不啟用疊梁門，使用單層取水方案。

因不同水文年入庫水量和運(yùn)行水位有所差異，運(yùn)行時段應(yīng)結(jié)合水庫水位運(yùn)行調(diào)度方案進(jìn)行分層取水實(shí)時調(diào)度，靈活確定疊梁門擋水總高度，實(shí)現(xiàn)分層取水效果最大化。

7 新增土建工程量及工程投資估算

7.1 新增土建工程量

與技施階段的單層進(jìn)水口方案相比，進(jìn)水口疊梁門分層取水方案合計新增主要工程量如下：新增混凝土(C25)6.9萬m3，新增塔體鋼筋5 228t，減少混凝土(C15)2.4萬m3。

7.2 新增投資估算

與技施階段的單層進(jìn)水口方案相比，進(jìn)水口疊梁門分層取水方案投資合計新增2.61億元。其中，左岸工程新增1.83億元，包括新增土建投資0.67億元，新增金屬結(jié)構(gòu)投資1.16億元。右岸工程新增0.78億元，包括減少土建投資0.09億元，新增金屬結(jié)構(gòu)投資0.87億元。新增投資僅占溪洛渡工程總投資的4.35‰，增加量不大。

8 結(jié)束語

簡言之，溪洛渡水電站進(jìn)水口疊梁門分層取水方案是：在3～6月魚類集中產(chǎn)卵期，在保證最小淹沒水深25m的前提下，盡量采用多層疊梁門取水，疊梁門最大擋水高度為48m(4門葉×12m)；其余月份采用單層進(jìn)水口取水。

從水溫改善效果的角度分析，疊梁門分層取水方案在一定程度上減輕了低溫水的負(fù)面影響，是一種可行的分層取水方案。

從工程布置的角度分析，采用疊梁門方案實(shí)現(xiàn)溪洛渡水電站發(fā)電進(jìn)水口分層取水，僅需在左岸攔污柵柵墩處增加一道疊梁門門槽，右岸利用備用攔污柵槽作為疊梁門槽，不涉及進(jìn)水口建基面的調(diào)整，增加工程量較小，方案可行。

從投資角度分析，疊梁門分層取水方案較原單進(jìn)水口方案新增2.61億元，僅占工程總投資的4.35‰，投資增加量不大。

筆者認(rèn)為，溪洛渡水電站進(jìn)水口疊梁門分層取水方案使魚類集中繁殖期的增溫效果較明顯，同時具備工程量小、投資省、運(yùn)行操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，在對水資源合理開發(fā)的同時保證了水電建設(shè)項(xiàng)目與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜效鵠,喻衛(wèi)奇,芮建良.水電生態(tài)實(shí)踐—分層取水結(jié)構(gòu)[J].水力發(fā)電, 2008，34(12).

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[3] 金沙江溪洛渡水電站電站進(jìn)水口分層取水研究專題報告[R].成都：中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，2008.11.