对低水头河床式电站设计的体会

'第$!卷第%期"&&’年%月水力发电设计与施工文章编号：!""#$#%&’（’!!"）!#$!!%%$!%"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!对低水头河床式电站设计的体会!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"曾新民（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州"(!)(!）关健词：低水头水电站；河床式水电站；水电站设计摘要：改革开放以来，相继建设了一大批低水头河床式电站。蓄水位选择、坝址选择、枢纽布置、建筑物设计优化、施工导流与工期等是低水头河床式电站设计的重要内容。以长洲、飞来峡等水电站工程为例，对低水头河床式电站的设计进行了总结，并提出了建议。!"#$%&’()&*"#$+’&*,&-%.*"$,-&%./0*#%1%2"#$+’+,%&’3#%$$#,4"#2,+/(%2/"’**+,-./,01/,2*34,-536/7+89:;/<+9=,<+5>/-8>/4,8,?@+5/-,A4BC>?BDE68,-F346E68,-?4,-"(!)(!G5"06%#*$H:4I03+8?3J?94K4I+95>8>/4,L3J?94K4I+95>8>/4,8M94559/<+9D?+5/-,78$+#’3+HN/,M+>3+9+O4918,?4K+,>4>3+46>5/?+5D8:89-+8146,>4O3J?94K4I+95>8>/4,8M94559/<+9I/>3:4I3+8?38<+P++,P6/:>4,8O>+98,4>3+9BQ3+5+:+M>/4,4O/1K46,?1+,>:+<+:8,??815/>+D>3+-+,+98::8J46>D>3+?+5/-,4K>/1/F8>/4,4O5>96M>69+5DM4,5>96M>/4,?/<+95/4,8,?M4,5>96M>/4,K+9/4?8::89+>3+/1K49>8,>M4,>+R>4O>3+?+5/-,4O3J?94K4I+95>8>/4,8M94559/<+9I/>3:4I3+8?BQ8S/,->3+A38,-F3468,?T+/:8/R/8UJ?94K4I+9N>8>/4,585+R81K:+5D>3/5K8K+9561189/F+5>3+?+5/-,4O3J?94K4I+95>8>/4,8M94559/<+9I/>3:4I3+8?8,?K6>5O49I89?541+56--+5>/4,5B中图分类号：QVW%(B(’文献标识码：X改革开放以来，国民经济发展迅速，相继建设了一大批低Z’1提到Z%1，装机容量由(BZ万SY提高到’B&万SY，年水头河床式电站。据不完全统计，已建的大、中型低水头河床发电量由)!!!多万SY·3增加到Z!!!多万SY·3，枢纽工式电站近百座，装机容量超过(!!!万SY，主要分布在广东、程量几乎不变，防护工程量增加不多，电站的技术经济指标却广西、湖南、湖北、四川、福建等省。笔者主持参加设计的低水大大改善，业主很满意。头电站有十多座，以下对低水头电站的设计工作进行总结。"坝址选择!正常蓄水位选择坝址选择关系到枢纽运行、工程造价和工期，选择一个好低水头电站挡水建筑物的坝顶高程取决于设计洪水位和的坝址可以带来巨大的经济效益。校核洪水位，而不取决于正常蓄水位，因为正常蓄水位的提高"#!选择要点很少引起闸坝工程量的增加。而水头增加，机组直径反而有所低水头河床式电站流量大，泄水闸规模大，施工导流和施减少，所以厂房的工程量也不会增加。然而正常蓄水位的少许工通航难度大。在选择坝址时，首先要估算泄水闸、厂房、船闸提高，都会带来发电量的显著增加，因为发电量与水头、流量三大建筑物的前沿长度，坝址处河床宽度宜大于三大建筑物成正比，而且随着水头的增加，停机的时间也相对减少。诚然的前沿长度，若有岛屿、沙洲更好。另外，坝址工程地质条件和正常蓄水位的提高会引起库区淹没的增加，但通过采取洪水水文地质条件要好，具体来说，河床覆盖层要浅，以便泄水闸时降低水位运行、进行库区防护等措施可以减少库区淹没。因采用岩基；要尽量避开岩溶地段，不能避开时应选择岩溶不发此，设计中要重视正常蓄水位的选择，研究是否存在提高的可育的地段；尽可能使城镇位于坝址的下游或水库末端；要有利能性，是否有措施减少库区淹没，并认真地进行经济比较。北江白石窑水电站技术经济指标的改善最主要的措施是将白石收稿日期：’!!"$!)$(&窑和沙口两级电站开发合并为白石窑电站一级开发，同时对作者简介：曾新民（(#&(—），男，湖南洞口人，教授级高工，从事库区采取防护；梅江三龙水电站初步设计时，将正常蓄水位由水利水电工程设计工作B!"#$%&’($%)’*+,-+.’+/%% 水力发电!""#年$月设计与施工于船闸布置；此外还要考虑水能指标、施工条件、水流条件等。花岗岩，弱风化岩体顶板从左岸向河床倾斜，高程在!"01!*!%!长洲水电枢纽坝址选择$。右岸高漫滩地面高程!($，宽约!"""$，长约%"""$，冲长洲水电枢纽位于西江干流的浔江河段，下距梧州!"多积层厚%*0+.$，弱风化岩面高程一般为1!/$。枢纽由!’孔#$，主要任务是发电和航运。长洲水电枢纽通航要求高，坝址溢流坝、河床式厂房（安装.台机组）、船闸和土坝组成，三大集雨面积大，洪峰流量大，库区又处于河谷平原，淹没耕地多，混凝土建筑物前缘长度约*""$。设计水位受到严格限制，施工导流十分困难。坝址又紧靠苍梧飞来峡水利枢纽于!)(.年选定升平坝址，在此后的’年县城和梧州机场，因此坝址选择涉及的因素很多，难度很大。里，枢纽布置一直局限于滩地布置和河床布置两大方案。滩地长洲水电枢纽正常蓄水位在枯水期为%"&’$，汛期为布置方案为：将三大混凝土建筑物布置在右岸高漫滩，利用原!(&’$，设计水头)&*$，装机容量’%&!+万#,，多年平均年发河床导流和通航。该方案的优点是导流工程简单，施工通航条电量%(&"!亿#,·-。采用贯流灯泡机组!)台，近期兴建双线件好，工程开工即可进行主体工程开挖；缺点是泄洪闸只宜采千吨级船闸并为远景发展预留一道船闸位置；泄水闸为.!用软基，工程量大，对河势的改变大，上游夹洲可能影响进水，孔。下游板塘山咀影响出闸流向，有碍船队航行。河床布置方案上、下坝址相距!&*#$，上坝址地处两岛三江，即长洲、泗为：将三大混凝土建筑物布置在原河床，施工第一期利用右岸化洲和外江、中江、内江，内江一般不通航，中江和外江通航；滩地开挖明渠导流和通航。该方案的优点是不改变河势，泄水下坝址地处一岛两江，即长洲和外江、内江，内江一般不通航，闸可采用岩基，工程量比滩地方案小；缺点是明渠工程量大（明渠长+.""$，底宽%""$，土方开挖*""多万$+，衬砌混外江通航。凝土!!万$+），工期约需一年半。!))"年提出左移方案，即将坝址比较从工程地质条件、枢纽布置、水能指标、枢纽总投资、施工条件、航运条件、枢纽对苍梧县城和梧州机场的影河床方案的三大混凝土建筑物向左岸平移+""$，船闸和厂响等/个方面进行。概括起来，上、下坝址均具有建坝条件，都房布置在左岸山丘，溢流坝布置在河床左侧。第一期施工围左能满足综合利用要求，枢纽建成后的永久航运条件没有本质岸船闸、厂房和溢流坝，由扩宽后的右侧河床导流和通航。该差别，完建后的装机容量、年发电量以及枢纽总投资都很接方案克服了上述两方案的缺点，与河床方案比较，节省投资近。但上坝址比下坝址多一个岛和一条江，施工导流和施工通//""万元，工期缩短一年半。航条件较好，可以采用全年挡水围堰，全年连续施工，工期较(建筑物设计优化短，建设期发电量多。加之上坝址在长洲上游端，对苍梧县城和梧州机场影响小，对长洲（梧州市的蔬菜、水产基地）淹没(%’工程等级小、占用土地少。而下坝址需要在外江深水河床修建纵向围工程等级关系到工程和下游人民生命财产的安全、工程堰，工程量大、难度大，而且只宜做过水围堰，对施工通航不造价和工期。按照现行规范23*"%"!—).《防洪标准》和利，加之下坝址紧靠苍梧县城，离梧州机场近，对苍梧县城建45%*%—%"""《水利水电工程等级划分及洪水标准》的分等指设和梧州机场干扰大。综合比较选定上坝址。标，低水头电站的工程等级实际上由水库总库容（水库最高水长洲水电枢纽坝址选择从!)()年到!))+年历时*年，位以下的静库容）确定。低水头电站（防洪水库除外）在洪水期论争相当激烈。笔者认为，坝址选择真正起作用的是坝址本身开启闸门敞泄，闸前水位雍高很小，洪水位以下的水库容积为的自然条件，设计者的责任是充分认识、利用坝址的自然条河槽容积，失事不会对下游造成灾害。但在枯水期（库水位为件，将其展现出来。正常蓄水位）水头较大，一旦失事将对下游造成灾害。目前运用45%*%—%"""《水利水电工程等级划分及洪水标准》中“失&枢纽布置事后造成损失不大的水利水电工程的!0.级主要永久性水&%’需考虑的主要因素工建筑物，经过论证并报主管部门批准，可降低一级”的规定，低水头河床式电站主要建筑物有泄水闸、河床式厂房、船将低水头河床式电站水工建筑物的级别降低一级。笔者建议闸及连接坝段。枢纽布置要考虑的因素很多，有地形地质条在规范修编时，低水头电站（防洪水库除外）的工程等别改由件、运行条件、水流条件、交通条件、工程量和投资、施工导流正常蓄水位以下库容确定。和施工通航、施工工期等。通常情况下，由于通航水流条件较(%!泄水闸规模的确定难满足，船闸位置应优先考虑。船闸宜临岸布置，不应布置在低水头电站回水线的特点是：在一定的蓄水位条件下，小泄水闸、电站厂房与过水建筑物之间。流量的回水终点离坝址远，大流量的回水终点离坝址近，闸门枢纽布置要考虑的因素固然很多，但具体工程应着重考全开敞泄时回水终点移至坝前。在设计长洲水电枢纽时，泄水虑其最突出的问题；不仅要做好常规的枢纽布置，还要做好非闸规模按宣泄!"年一遇洪水时坝前水位雍高小于+"6$确常规的布置。下面以飞来峡水利枢纽为例，具体介绍枢纽布置定。后来白石窑、飞来峡、丹竹、蓬辣滩水电站设计时都照此办的选择。理，似乎坝前水位雍高小于+"6$成了一种规定。其实不然，&%!飞来峡水利枢纽布置泄水闸规模主要影响库区淹没，应该通过经济比较确定。在设飞来峡水利枢纽坝址河床宽阔，主流靠左岸，河床宽约计梅江丙村、三龙水电站时，对泄水闸的规模作了经济比较，%"""$，水面宽约/""$，河床冲积层厚(0!($，下伏基岩为采用了较小的泄水闸规模，坝前水位雍高达到*"6$。笔者认+.!"#$%&’($%)’*+,-+.’+/ 第)&卷第’期曾新民：对低水头河床式电站设计的体会设计与施工为，若库区没有大量土地、房屋，适当减小泄水闸规模，加大坝初步设计后，广西区政府决定采用中外合资方式进行建前水位雍高，是经济合理的。设，奥地利+,-公司对初设方案进行了优化。船闸位置不变，!"#消能防冲设计&’台机组厂房和*&孔泄水闸全部布置在外江和内江，中江低水头电站在洪水期闸门全开敞泄，上、下游水位差很布置土石坝。施工第一期分别围外江和内江，均采用全年挡水小，闸下呈波流或面流与下游衔接，没有消能问题。只有在入库围堰，围堰挡水标准按百年一遇洪水设计，全年施工，由扩大流量大于电站满发流量、小于停机流量时，发电外的多余流量后的中江导流，通航。第一期工程完成后封堵中江，工程即可由泄水闸宣泄（弃水工况），才存在消能问题。弃水工况的消能蓄水发电、通航。发电工期和总工期均为*年零.个月。该方防冲水力设计可先计算，再由水工模型试验验证。为了节省工案与初步设计相比，土、石方量多约&///万%)，投资多约!程量，减少投资，可开挖消力塘加大水深以满足面流消能要求。亿人民币，施工临时淹没也有所增加。+,-公司方案的优点是对水头较高的电站，可以在闸下设置隔墙，将其分成两个区。一导流简单，风险小。区设消力池，另一区将池底高程降低使其满足面流消能，不设!//*年!月，中电投集团公司在梧州召开施工组织及工消力池。例如白石窑、飞来峡、丹竹、蓬辣滩水电站等都采用面程优化设计研讨会，笔者在会上提出了导流优化方案。该方案流消能，不设消力池。但要注意，为了确保泄水闸的安全，泄水的枢纽布置为：船闸位置不变；外江右侧布置&.孔泄水闸、左闸下游应设混凝土齿墙，底高程应在冲刷线以下。对存在缓倾侧布置’台机组厂房；中江布置&$孔泄水闸；内江左侧布置角软弱夹层的闸基，要核算冲刷坑形成后的抗滑稳定性。.台机组厂房、右侧布置&!孔泄水闸。导流标准为：全年不过!"!进厂方式水土石围堰采用&/年一遇洪水标准，枯水期围堰采用&&月低水头河床式电站的进厂方式有两种，一种是垂直进厂，&日至翌年*月&$日&/年一遇洪水标准。导流方案为：第&一种是水平进厂。一般业主都愿意水平进厂。很显然，水平进个枯水期用低水围堰围外江，施工船闸、&!孔泄水闸及厂房厂对通风、采光、交通有利，但要做挡水墙，需要一定的工程量高水围堰，由中江和内江导流，中江通航。第&个汛期继续施和投资，此外还要设置厂区抽排水。珠江规划勘测设计有限公工船闸并在高水围堰保护下施工外江厂房，由中江、内江和外司最近设计的几座低水头河床式电站中，有意将厂房尽量靠江已建好的&/孔泄水闸（另!孔作为高水围堰基础）导流，中岸布置，使安装场开挖高程与下游洪水位接近，省去了挡水墙江通航。第!个枯水期用低水围堰围内江，施工内江&/孔泄和厂区抽排水，业主很满意。水闸和厂房高水围堰，由中江和外江&/孔泄水闸导流，中江!"$土坝通航。第!个汛期由中江、外江&.孔泄水闸和刚建好的内江低水头河床式电站坝址大多河床宽阔，除布置泄水、通"孔泄水闸（另!孔作为高水围堰基础）导流，中江通航。在高航、发电建筑物外，尚需布置土坝。由于土坝的挡水高度小，水围堰保护下施工内江厂房。第)个枯水期围中江，采用土石为了减少投资、缩短工期，可采用不做围堰、不清基，直接在水过水围堰，施工中江&$孔泄水闸。由外江&.孔、内江&!孔泄中抛填砂砾料筑坝，做混凝土防渗墙防渗的方案。白石窑水电水闸导流，航闸通航。第*年&月底外江厂房!台机组发电，站和飞来峡水利枢纽就是如此。发电工期!年零"个月，总工期*年零$个月。与+,-公司白石窑水电站小江土坝最大坝高!"#$%，上、下游水位差方案相比，总工期提前&个月，发电工期提前(个月，节省投最大&!#!%，安排在第二期施工，不做围堰、不清基，将截流戗资!亿元。堤作为土坝下游排水棱体，水下部分抛填砂砾料，水上部分采优化方案采用先外江、后内江、再中江逐江逐年开工，采用斜心墙碾压土坝，心墙以下设置混凝土防渗墙。自&’’(年用低水围堰在枯水期修建泄水闸和厂房高水围堰，厂房在高)月&$日下闸蓄水至今，坝坡稳定，坝体无裂缝、无明显不均水围堰保护下全年施工。该方案的优点除缩短工期外，导流工匀沉降，坝下游没有集中渗漏和管涌。程量、投资均较少，而且各期导流都有较大的过水断面，导流飞来峡水利枢纽右侧河床土坝，最大高度)*#"%，河床冲水位较低，施工临时淹没较少。积层厚&*%，以含砾中粗砂为主，安排在第二期施工。结合工$小结程截流，在坝体上、下游各设一道堆石戗堤，两堤之间用河沙填出水面，并对所填河沙进行振冲加密。水面以上按碾压土坝经过!/年来低水头河床式电站的设计和建设，特别是经施工，采用混凝土防渗板墙防渗。运行几年来，土坝安然无恙。过梅雁集团几个电站的建设，低水头河床式电站的建设工期大大缩短，并形成了一套程序，积累了经验。主要做法是将泄$施工导流与工期水闸分为两期建设，根据一、二期导流和航运需要，划分第一电站经济效益的提高除了优化设计减少工程量及投资，期和第二期的孔数。为了提前发电，厂房放在第一期建设，在多发电外，还要靠早发电，因此缩短工期成为低水头电站的重航运繁忙的河流，船闸也放在第一期建设。因此第一期围船要课题，而工期首先取决于施工导流。下面以长洲水电枢纽施闸、厂房和一部分泄水闸，第二期围剩余的泄水闸。船闸建设工导流为例进行说明。一般需要&年工期，泄水闸在一个枯水期即可建成，因此工期长洲水电枢纽导流设计先后进行了*次：初步设计、+,-由厂房控制，厂房土建需要&年到&年半，安装&台机组需要设计、施工图设计、优化设计。下面仅介绍中外合资建设和优半年左右，所以发电工期最短为&年半，比起’/年代以前建化设计两次成果。设水电站，工期大大缩短。!"#$%&’($%)’*+,-+.’+/)$'