(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司 樞紐設計處，湖北 武漢　430010)

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，高壩水庫建成后勢必對原生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響和破壞。美國沙斯塔、餓馬和格蘭峽水電站于20世紀90年代先后進行分層取水改建，取得成功并運行至今[1-2]。自2007年光照水電站[3]首次采用疊梁門分層取水，國內(nèi)多座水電站(錦屏一級[4]、亭子口[5]、溪洛渡[6]、糯扎渡[7]、烏東德等)陸續(xù)采用疊梁門分層取水來緩解水庫對下游生態(tài)環(huán)境的影響。本文主要對烏東德水電站進水口分層取水設計進行介紹。

1　工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜賓市)4個水電梯級—烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩中的最上游梯級。電站的開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼顧防洪，并促進地方經(jīng)濟社會發(fā)展和幫助移民脫貧致富[8]。水庫正常蓄水位975 m，水庫總庫容 74.34 億m3。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程988 m。發(fā)電廠房采用地下式，分設在左右兩岸山體內(nèi)，各安裝6臺單機容量850 MW水輪發(fā)電機組，機組額定流量為 691.1 m3/s。

根據(jù)《金沙江烏東德水電站水環(huán)境影響評價專題》成果，烏東德庫區(qū)水溫呈季節(jié)性分層狀態(tài)，單層取水時平水年在2～6月、9～10月，枯水年在2～10月，豐水年在2～6月、8月存在表層溫躍層，分層現(xiàn)象較明顯。升溫期烏東德建壩后的下泄水溫升溫過程較現(xiàn)狀延遲約2～3旬。烏東德壩下(白鶴灘庫區(qū))會東縣新田、野牛坪、巧家縣蒙姑河口、金沙江巧家渡口等處存在產(chǎn)粘沉性卵魚類產(chǎn)卵場，魚類集中在3～6月產(chǎn)卵。低溫水下泄對魚類繁殖不利。因此，在3～6月需采用分層取水，盡可能取到上層溫水，以提高下泄水溫，盡量減少低溫水對魚類生長發(fā)育的不利影響。

分層取水進水口型式主要包括多層式、疊梁門式、翻板門式、套筒式、斜臥式等。對大中型水電工程而言，分層取水進水口宜采用多層式或疊梁門式。鑒于多層式進水口取水靈活性差、結(jié)構(gòu)復雜，加以參考國內(nèi)同類同等規(guī)模工程經(jīng)驗，烏東德水電站進水口應采用疊梁門式。

疊梁門式分層取水進水口水力條件復雜，疊梁門放置高度直接影響進水口流態(tài)、水頭損失和3～6月下泄水溫的改善效果。為了驗證烏東德疊梁門式進水口結(jié)構(gòu)布置設計的合理性及其調(diào)度運行方案的有效性，開展了水力學物理模型試驗研究及疊梁門采用前后下泄水溫對比數(shù)值分析。

2　疊梁門式分層取水設施設計

烏東德左右岸地下電站均采用岸塔式進水口，與分層取水設施設計類似，以下介紹右岸地下電站疊梁門式分層取水設施設計方案。

2.1　進水口結(jié)構(gòu)布置

進水塔前緣寬度為204 m，均分6個寬度為34 m的單塔“一字型”并列布置，塔間設結(jié)構(gòu)縫。進水塔順流向長度為33 m，建基面高程為908 m，塔頂高程為988 m，流道底坎高程為913 m。

進水塔順水流向分為攔污柵段、進水倉段、喇叭口段和閘室段，依次布置攔污柵槽、疊梁門槽(兼作備用攔污柵槽)、檢修閘門槽、事故閘門槽，疊梁門式進水口典型剖面見圖1。每個單塔均布置6孔攔污柵，攔污柵單孔寬度為4 m；攔污柵墩中墩厚度為1.5 m，邊墩厚度為1.25 m，墩長6 m；柵墩通過聯(lián)系梁相互連接；柵墩尾距擋水胸墻 5.9 m，柵墩與胸墻通過支撐梁連接。攔污柵頂高程同正常蓄水位為975 m，柵頂至塔頂布置攔污墻。進水塔頂部上游側(cè)疊梁門槽與擋水胸墻間布置疊梁門門庫，門庫底高程為 977.5 m，單塔均布置6孔，每孔設6個存放門位，以滿足疊梁門和備用攔污柵的放置要求。事故閘門后設置2個直徑1.8 m的通氣孔。單塔左右兩側(cè)上下游設翼墻，上游側(cè)翼墻厚3 m，下游側(cè)翼墻厚6.3 m，中部為空腔，上游翼墻下部設連通孔，使空腔內(nèi)外平壓。

圖1　疊梁門式進水口典型剖面

2.2　疊梁門及其啟閉設備設計

根據(jù)環(huán)評報告技術(shù)評審意見，進水口疊梁門高度為40 m。當水庫水位下降時，需隨水庫水位降低及時減少疊梁的節(jié)數(shù)，以調(diào)節(jié)疊梁門門頂高程；反之，當水庫水位上升時，需及時增加疊梁門節(jié)數(shù)。采用疊梁門分層取水方案后，按6臺機同時發(fā)電考慮，需設疊梁門36套。根據(jù)環(huán)保對不同月份的取水要求，結(jié)合調(diào)整的靈活性，從疊梁門運行角度和效果出發(fā)，每套疊梁門由2節(jié)8 m和6節(jié)4 m高的疊梁組成。運行時8 m高疊梁置于底部，然后在其上放4 m高疊梁。疊梁門通過塔頂2×2000/1100/1100 kN(雙向)門式啟閉機的回轉(zhuǎn)吊啟閉，回轉(zhuǎn)吊通過自動掛鉤梁操作疊梁門。

2.3　調(diào)度運行方案

為減小水庫低溫水下泄對下游魚類繁殖的不利影響，每年3～6月，進水口啟用疊梁門分層取水，其他月份不啟用。在引用水庫表層水時，為使進水口水流平順，不出現(xiàn)有害漩渦，滿足流量要求，并保證電站安全穩(wěn)定運行，應根據(jù)不同庫水位放置不同節(jié)數(shù)的疊梁。疊梁門分層取水系統(tǒng)調(diào)度運行方案見表1。

表1　進水口疊梁門調(diào)度運行方案

3　疊梁門式進水口水力物理模型試驗

放置疊梁門分層取水時，進水口水力特性較未使用疊梁門時有很大差別。疊梁門門頂過流類似于堰流，水流在進水倉內(nèi)經(jīng)過兩次90°轉(zhuǎn)彎后匯入喇叭口。為系統(tǒng)研究進水口水力特性及其基本規(guī)律以及驗證進水口結(jié)構(gòu)布置設計的合理性，同時為電站分層取水運行操作提供指導，開展了進水口分層取水物理模型試驗。

3.1　設　計

針對流道系統(tǒng)較短、水力條件相對較差的7號機組段，開展了1∶30水工模型試驗研究。水工模型試驗模擬了機組流道和進水口前緣，主要包括部分水庫、引水渠、攔污柵結(jié)構(gòu)體、疊梁門、進水倉段、喇叭口段、檢修門門井、事故門門井、通氣孔、引水洞上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段及控制電站機組流量的閥門段。

3.2　條　件

水力學物理模型試驗選取3種特征水位：死水位945 m、汛限水位952 m和正常蓄水位975 m。模型試驗工況見表2。

表2　水力模型試驗工況

注：水力學模型試驗中單節(jié)疊梁高度均為4 m。

3.3　研究內(nèi)容

水力學物理模型試驗主要研究在不同特征水位下，不同疊梁門放置高度(包括不放置疊梁門)對以下幾個方面的影響：①對進水口流態(tài)的影響，重點關注吸氣漩渦、疊梁門門頂自由堰流等不利流態(tài)，同時確定疊梁門最大放置高度；②對疊梁門和進水口有壓管段的時均壓力特性的影響；③對檢修門門井和快速門門井水面波動情況的影響；④對進口段(攔污柵墩前至隧洞進口漸變段末端)水頭損失的影響；⑤對引水渠、疊梁門頂流速分布特性的影響，同時量測機組導葉突然關閉對疊粱門產(chǎn)生的附加水擊壓力。

3.4　研究成果

水力學物理模型試驗成果表明疊梁門式分層取水進水口體型設計合理，水流平順，滿足電站運行要求。主要成果如下:

(1)無疊梁門時，死水位945 m運行條件下，進口偶見表面漩渦，渦心未下陷；汛限水位952 m和正常蓄水位975 m條件下，進口水流平順。

(2)有疊粱門時，隨著疊粱節(jié)數(shù)增加，進水倉水面紊動加劇，檢修門門井和事故門門井水面波動增大，進入流道氣泡逐漸增多。綜合考慮電站進水口表面流態(tài)、流道氣泡、門井水位波動以及進口段水頭損失后得出：庫水位945 m放置1～4節(jié)疊粱時(門頂水深≥16 m)、庫水位952 m放置1～5節(jié)疊粱時(門頂水深≥19 m)、庫水位975 m放置1～10節(jié)疊粱時(門頂水深≥22 m)均不會產(chǎn)生有害漩渦流態(tài)，可滿足電站安全運行要求。

(3)無疊梁門和有疊梁門時，機組正常運行時流道段沿程時均壓力均為較大正壓，沿程時均壓力變化平緩，壓力梯度較小。隨著疊粱節(jié)數(shù)增加，進口流道沿程壓力逐漸變小。

(4)無疊粱門時，各級特征水位下機組正常運行時檢修門門井和事故門門井水面波動幅值均較小，約 0.09 m。隨著疊粱節(jié)數(shù)增加，門井水面波動幅值逐漸增大，事故門門井和檢修門門井水面最大波動幅值分別為 0.27 m和 0.33 m。

(5)無疊粱門時，庫水位在945，952m和975 m時，進口段水頭損失相應為 0.31 ，0.32 m和 0.34 m。有疊梁門且?guī)焖幌嗤瑫r，進水口段總水頭損失與疊粱節(jié)數(shù)呈正比。庫水位在945 ，952m和975m時，進口段最大水頭損失分別為1.82 ，1.51 m和1.41 m。

(6)無疊梁門時，隨著庫水位從945 m上升為975 m，各特征斷面流速分布相似，且流速平均值和最大值逐漸變小。有疊粱門時，引水渠表面流速略有增大，疊粱門斷面和進水倉斷面由于過流面積減小流速明顯增加。

(7)機組全部甩負荷、導葉9 s關閉條件下，底部疊粱所承受的附加水擊壓力大于其上部疊粱，中間墩槽疊粱門所承受附加水擊壓力大于邊墩槽疊粱門，附加水擊壓力和門井水面升高隨著庫水位上升而逐漸增加。最大附加水擊壓力為7.8×9.81 kPa，門井最大水面升高為 5.2 m。

4　疊梁門分層取水效果分析

基于未采用疊梁門的水溫預測成果，對3～6月采用疊梁門取水進行了水溫預測，用以分析分層取水對下泄水溫的改善效果。以平水年、多年平均氣象和多年平均入庫水溫作為計算條件，采用寬度平均的立面二維水溫數(shù)學模型預測表1中疊梁門調(diào)度運行方案對下泄水溫改善效果。烏東德平水年、豐水年、和枯水年疊梁門取水與單層取水的下泄水溫比較見表3～5。

表3　平水年疊梁門取水與單層取水的下泄水溫比較　℃

表4　豐水年疊梁門取水與單層取水的下泄水溫比較　℃

表5　枯水年疊梁門取水與單層取水的下泄水溫比較　℃

由表3～5可知，在疊梁門啟用期間，3～5月水電站下泄水溫較單層取水時提高 0.5～1.1℃，有一定程度的改善效果。6月疊梁門的運行并無效果，一方面是由于3～5月疊梁門方案盡量取用表層溫水后，庫區(qū)水溫較單層取水方案明顯偏低，在6月降水位過程中疊梁門逐節(jié)被提起，被疊梁門阻擋的庫區(qū)冷水被引用，造成下泄水溫的降低；另一方面疊梁節(jié)數(shù)的減少和汛期流量加大均會使疊梁門的改善效果減弱。但若6月不采用疊梁門，則可能導致庫區(qū)低溫水的瞬時大量泄放，低溫水現(xiàn)象將更為顯著。采用疊梁門分層取水后，3～6月仍存在一定的低溫水現(xiàn)象，下泄水溫較現(xiàn)狀水溫偏低 0.5～1.0℃。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面影響。

5　結(jié)　語

與單層進水口相比，疊梁門式分層取水進水口增加了一道疊梁門，導致結(jié)構(gòu)布置難度增加，水力特性更加復雜。疊梁門放置高度直接影響進水口流態(tài)，疊梁門調(diào)度運行方案對下泄水溫改善效果影響較大。針對上述關鍵問題，開展了疊梁門式進水口水力學物理模型試驗和疊梁門分層取水效果數(shù)值分析。分析研究表明：烏東德水電站疊梁門分層取水設施布置簡單，對樞紐布置影響?。徊捎帽?疊梁門調(diào)度運行方案時，進水口水流順暢，流態(tài)平穩(wěn)，在3～5月能一定程度地提高下泄水溫，在6月能有效地阻擋低溫水下泄，能一定程度地緩解3～6月低溫水下泄對下游魚類產(chǎn)卵的不利影響。

參考文獻：

[1]杜效鵠.沙斯塔大壩分層取水改建設計[J].水力發(fā)電，2008，34(3):17-19.

[2]杜效鵠，喻衛(wèi)奇，芮建良.水電生態(tài)實踐—分層取水結(jié)構(gòu)[J].水力發(fā)電，2008，34(12):28-32.

[3]劉欣，陳能平，肖德序，等.光照水電站進水口分層取水設計[J].貴州水力發(fā)電，2008，22(5):33-35.

[4]游湘，唐碧華，章晉雄，等.錦屏一級水電站進水口疊梁門分層取水結(jié)構(gòu)對流態(tài)及結(jié)構(gòu)安全的影響[J].水利水電科技進展，2010，30(4):46-50.

[5]邵年，廖遠志，林學鋒.嘉陵江亭子口水電站進水口分層取水設計[J].人民長江，2014，45(4):32-35，40.

[6]姜躍良，何濤.金沙江溪洛渡水電站進水口分層取水措施設計[J].水資源保護，2011，27(5):119-122，126.

[7]楊嶸，嚴鐵軍.糯扎渡水電站進水口分層取水設計[J].云南水力發(fā)電，2012，28(2):56-60，64.

[8]長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司.烏東德水電站進水口分層取水專題研究報告[R].武漢：長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，2015.