胡小光，陳子華

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

為確保下游生態(tài)用水不斷流，通過(guò)水電站下泄一定流量保證下游生態(tài)流量需求的過(guò)程稱為生態(tài)放流。生態(tài)放流是維持下游河流生態(tài)功能的基本途徑，是河流生態(tài)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為維持下游水生態(tài)系統(tǒng)的平衡和持續(xù)發(fā)展，在水電站建設(shè)時(shí)考慮設(shè)置相應(yīng)的生態(tài)放流系統(tǒng)已成為國(guó)家環(huán)保部門(mén)的硬性要求。

水電站傳統(tǒng)的生態(tài)放流裝置設(shè)計(jì)是在相應(yīng)水位區(qū)間專門(mén)增設(shè)生態(tài)放流孔和閘門(mén)，通過(guò)閘門(mén)長(zhǎng)期局部開(kāi)啟或全部開(kāi)啟進(jìn)行泄流。王友春[1]提出了利用閘門(mén)局部限位開(kāi)啟，通過(guò)閘底泄流保證下泄生態(tài)流量的方法。劉元海等[2]介紹了通過(guò)控制沖沙閘開(kāi)啟度，使其在2～4 cm之間變化，實(shí)現(xiàn)下放基流的方法。這種方法簡(jiǎn)單直觀，但閘門(mén)運(yùn)行頻繁。閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)出水?dāng)嗝媪魉俅?，流態(tài)紊亂，閘門(mén)振動(dòng)大，水流長(zhǎng)期沖刷堰頂和側(cè)墻，對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和閘門(mén)啟閉機(jī)配置均有較高要求，且很難精準(zhǔn)控制下泄流量。

為解決上述問(wèn)題，本文提出在底孔工作閘門(mén)結(jié)構(gòu)上設(shè)置生態(tài)放流裝置的方案[3]，即在閘門(mén)門(mén)葉上安裝電動(dòng)閥門(mén)，利用閥門(mén)的自動(dòng)調(diào)節(jié)流量功能，通過(guò)長(zhǎng)期局部開(kāi)啟閥門(mén)控制水流達(dá)到下放生態(tài)流量的目的。

1 項(xiàng)目概況

南俄4水電站位于老撾境內(nèi)湄公河左岸的一級(jí)支流南俄河，該電站采用混合式開(kāi)發(fā)方式，裝機(jī)容量240 MW，主要建筑物由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐3個(gè)部分組成。其中，底孔泄洪建筑物位于溢流表孔右岸，由1孔2.0 m×2.2 m底孔弧形工作閘構(gòu)成，閘門(mén)設(shè)計(jì)水頭為40 m，支鉸為圓柱鉸，支臂為直支臂，門(mén)葉結(jié)構(gòu)為雙主橫梁。閘門(mén)操作條件為動(dòng)水啟閉，全開(kāi)全關(guān)，原主要功能為水庫(kù)放空和進(jìn)水口檢修維護(hù)。

2 裝置設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.1 方案比選

根據(jù)南俄4水電站建筑物結(jié)構(gòu)布置，工程設(shè)計(jì)初步考慮的生態(tài)放流措施可包括以下3種方式：① 在相應(yīng)水位區(qū)間專門(mén)增設(shè)生態(tài)放流孔和閘門(mén)，閘門(mén)開(kāi)啟度控制在2～4 cm，通過(guò)閘門(mén)長(zhǎng)期局部開(kāi)啟泄流；② 在壩身預(yù)埋鋼管作為生態(tài)流量管泄流；③ 利用已有底孔工作閘門(mén)，在閘門(mén)結(jié)構(gòu)上設(shè)置生態(tài)放流裝置。3種生態(tài)放流措施方案比較見(jiàn)表1。

由表1可知：① 方案1涉及大面積土建開(kāi)挖和施工，且需新增大型金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性最低，施工難度最大，預(yù)估運(yùn)行效果不佳；② 方案2雖施工容易，經(jīng)濟(jì)性最高，但作為生態(tài)放流裝置，無(wú)法對(duì)管內(nèi)流量自動(dòng)調(diào)節(jié)，且有堵塞風(fēng)險(xiǎn)[4]；③ 方案3在技術(shù)上可行，充分利用了現(xiàn)成的建筑設(shè)備，科學(xué)合理性和自動(dòng)化程度最高，實(shí)施難度和工程造價(jià)明顯遠(yuǎn)小于方案1，但具體評(píng)價(jià)需根據(jù)閥門(mén)型式和尺寸最終確定。為確定最終方案，需先針對(duì)方案3設(shè)計(jì)具體方案。

表1 生態(tài)放流措施方案比較

2.2 方案設(shè)計(jì)

方案3在閘門(mén)門(mén)葉上安裝電動(dòng)閥門(mén)，利用閥門(mén)自動(dòng)調(diào)節(jié)流量的功能，通過(guò)長(zhǎng)期局部開(kāi)啟閥門(mén)控制水流達(dá)到下放生態(tài)流量的目的。經(jīng)計(jì)算，原閘門(mén)門(mén)前所受水壓力為2 177.74 kN，面板設(shè)計(jì)厚度為16 mm，材料為Q235B，計(jì)算梁格區(qū)間為482 mm×584 mm。因閘門(mén)需承受較大水壓力，鋼面板設(shè)計(jì)較厚實(shí)，閘門(mén)結(jié)構(gòu)梁板格板空間緊湊，故閘門(mén)上可安裝設(shè)備的外形尺寸有限，且安裝的設(shè)備在工作時(shí)不應(yīng)對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性振動(dòng)[1]。對(duì)樣本數(shù)據(jù)的分析比較可知：相較于一般的閥門(mén)，電動(dòng)錐形閥具有流量調(diào)節(jié)范圍大、出口壓力較低、出口流速較低等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足線性調(diào)流和消能的功能，運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定可靠。而且，電動(dòng)錐形閥外形為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，安裝在閘門(mén)上時(shí)閘門(mén)開(kāi)孔較小，對(duì)閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)及原本功能基本無(wú)破壞。因此安裝在閘門(mén)上的閥采用電動(dòng)錐形閥較合適。

如圖1所示，生態(tài)放流裝置由無(wú)縫鋼管、電動(dòng)錐形閥、閥門(mén)基礎(chǔ)托架、整流罩和電氣設(shè)備組成，通過(guò)供水閥的局部開(kāi)啟可自動(dòng)調(diào)流以保證生態(tài)流量下放。具體實(shí)施方法為：根據(jù)水庫(kù)水位情況確定供水閥中心線位置，根據(jù)水流流速和生態(tài)放流所需流量，計(jì)算所需過(guò)流面積，確定進(jìn)水孔尺寸，選擇相應(yīng)尺寸的錐形閥。

底孔弧形工作閘門(mén)門(mén)前最低水位為1 025 m，閘門(mén)底板高程為1 000 m，門(mén)后流速：

(1)

式中：u為流量系數(shù)；g=9.8 m/s2；h為門(mén)前最低水頭，m。

過(guò)流面積：

s1=f/v

(2)

式中：f為所需最低流量，m3/s。南俄4水電站下游河道生態(tài)流量需大于0.5 m3/s。

圖1 閘門(mén)結(jié)構(gòu)上設(shè)置閥門(mén)裝置三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the valve on the existing gate structure

經(jīng)計(jì)算，可得到門(mén)上錐形閥應(yīng)達(dá)到的過(guò)流面積，反向推出所需錐形閥的孔口大小，最終確定安裝1個(gè)DN200的錐形閥即可滿足要求。

由上述分析可知，將所選錐形閥安裝在閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)上時(shí)，安裝空間足夠，且面板上開(kāi)孔面積小(略大于Φ200)，與閘門(mén)結(jié)構(gòu)結(jié)合為整體后，不會(huì)對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)造成破壞。

經(jīng)綜合比較分析，方案3在閘門(mén)結(jié)構(gòu)上設(shè)置生態(tài)放流裝置實(shí)施難度小、工程造價(jià)低，科學(xué)合理性最高，故確定此方案為最終設(shè)計(jì)方案。

2.3 方案實(shí)施

如圖2和圖3所示，根據(jù)確定的閥門(mén)尺寸，在門(mén)葉面板孔口中心適當(dāng)位置上開(kāi)孔，將無(wú)縫鋼管進(jìn)口端焊接在閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)面板上的孔中，無(wú)縫鋼管主體部分焊接在門(mén)葉縱向隔板和門(mén)葉縱向隔板翼緣板上，電動(dòng)錐形閥經(jīng)法蘭連接無(wú)縫鋼管和出口整流罩，并通過(guò)增設(shè)在閘門(mén)相應(yīng)位置的閥門(mén)基礎(chǔ)托架支撐閥門(mén)，以此將閥門(mén)固定在鋼結(jié)構(gòu)閘門(mén)上。

弧形工作閘門(mén)由1臺(tái)啟門(mén)容量為320 kN/160 kN(啟門(mén)力/閉門(mén)力)、工作行程為3.5 m的搖擺式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，電動(dòng)錐形閥通過(guò)電纜線與液壓?jiǎn)㈤]機(jī)室內(nèi)控制柜連接，在液壓泵房?jī)?nèi)即可實(shí)現(xiàn)操作，閘門(mén)和閥的操作相互獨(dú)立。

圖2 閘門(mén)迎水面結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of upstream gate

圖3 供水閥裝置與閘門(mén)裝配結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Instillation of water supply valve and gate

3 效果分析

放流裝置和閘門(mén)的運(yùn)行和操作相互獨(dú)立，且放流裝置的設(shè)置未改變閘門(mén)的本身功能作用和現(xiàn)有溢流壩堰面曲線，對(duì)泄洪水流流態(tài)無(wú)影響。因此，將放流裝置安裝在閘門(mén)上，不僅能實(shí)現(xiàn)閘門(mén)原有的功能，又能通過(guò)閥門(mén)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能不間斷下放生態(tài)流量，滿足功能定位要求。

如圖4所示，當(dāng)閘門(mén)全關(guān)處于擋水狀態(tài)時(shí)，供水閥常開(kāi)過(guò)流保證生態(tài)流量下放。如圖5所示，當(dāng)閘門(mén)開(kāi)啟泄洪前，先關(guān)閉供水閥再打開(kāi)閘門(mén)過(guò)流，此時(shí)可利用地面有利條件對(duì)錐形閥進(jìn)行維護(hù)和檢修。如圖6所示，通過(guò)配備計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和計(jì)量設(shè)備，在控制室內(nèi)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生態(tài)放流的狀態(tài)。通過(guò)以上流程的操作，可保障下游的生態(tài)放流不間斷。

圖4 閘門(mén)關(guān)閉閥門(mén)放流狀態(tài)示意Fig.4 Valve discharge condition after gate closing

圖5 閘門(mén)開(kāi)啟閥門(mén)非放流狀態(tài)示意Fig.5 Non-discharge valve condition after gate opening

圖6 錐形閥信號(hào)控制示意Fig.6 Cone valve signal control

本生態(tài)放流裝置形式獨(dú)特，主要有以下特點(diǎn)。

(1) 因所選錐形閥的閥體具備線性調(diào)流和消能功能，且閥進(jìn)水孔對(duì)稱開(kāi)設(shè)在閘門(mén)面板孔口中心適當(dāng)位置，有效避免了水壓力的不對(duì)稱作用對(duì)供水閥產(chǎn)生的振動(dòng)和破壞，可削減生態(tài)過(guò)流時(shí)產(chǎn)生的能量和負(fù)壓振動(dòng)。

(2) 錐形閥支承在閥門(mén)基礎(chǔ)托架上，由基礎(chǔ)托架傳遞并釋放作用在閥上的力。閥門(mén)基礎(chǔ)托架由常規(guī)型鋼組構(gòu)而成，組合裝配方式簡(jiǎn)單靈活，且材料質(zhì)輕易加工，斷面抗彎剪能力強(qiáng)，支承閥門(mén)時(shí)穩(wěn)固可靠。

(3) 為保證供水閥和閘門(mén)連接的剛度和強(qiáng)度，連接閥門(mén)的無(wú)縫鋼管和閘門(mén)面板、門(mén)葉縱向隔板、門(mén)葉縱向隔板翼緣板焊接成一體，基礎(chǔ)托架和閘門(mén)兩側(cè)支臂腹板內(nèi)側(cè)翼緣板焊接成一體，閥門(mén)和基礎(chǔ)托架采用高強(qiáng)度不銹鋼螺栓連接。以上焊接連接均可在工廠內(nèi)完成，且能達(dá)到高質(zhì)量的焊接效果?？稍诠S內(nèi)預(yù)拼裝，有效減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速安裝。

(4) 閥門(mén)出口處設(shè)錐形弧面的整流罩，可約束閥門(mén)出口水流的流態(tài)，減小介質(zhì)的動(dòng)能，使調(diào)流閥出口因汽蝕而產(chǎn)生的氣泡被限制在流體中央，防止氣泡在調(diào)流閥及管道管壁處破裂而造成調(diào)流閥或管道的破壞。

目前，南俄4水電站上底孔工作弧形閘門(mén)和生態(tài)放流裝置已經(jīng)安裝到位，運(yùn)行安全穩(wěn)定。水流出底孔閥后，水流束集中且位于泄槽中間部位，對(duì)閘門(mén)河道均無(wú)沖刷。

經(jīng)流量計(jì)實(shí)測(cè)，當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到最高水位1 043.9 m 時(shí)，通過(guò)閥的生態(tài)流量為1.7 m3/s；庫(kù)水位下降至最低水位1 025 m時(shí)，生態(tài)流量為1.2 m3/s，均大于所需生態(tài)流量，故該生態(tài)放流裝置的泄流能力滿足要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)南俄4水電站的生態(tài)放流要求，在綜合分析了常規(guī)生態(tài)放流設(shè)施利弊之后，在底孔工作弧形閘門(mén)上安裝電動(dòng)錐形閥以解決下游生態(tài)水泄放問(wèn)題，通過(guò)供水閥的局部開(kāi)啟自動(dòng)調(diào)流實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量泄放。此設(shè)計(jì)可為其他類似工程提供參考。