低水头河床式电站设计回顾.doc

'低水头河床式电站设计回顾[摘要]本文通过作者近二十年主持参加十余座低水头河床式电站设计的亲身经历，从正常蓄水位与库区淹没、坝址选择、枢纽布置、建筑物设计优化、施工导流与工期五方面进行回顾总结，对提高低水头河床式电站的设计水平会有所裨益。[关健词]河床式低水头设计水电站改革开放以来，国民经济发展迅速，特别是东南部率先开放地区，相继建设了一大批低水头河床式电站。据不完全统计，已建的大、中型低水头河床式电站近百座，装机容量超过一千万千瓦，主要分布在广东、广西、湖南、湖北、四川、福建。我公司设计的已建和在建的低水头河床式电站十几座，工程特性见下表。以前是政府建设水电站，今后主要是企业建设水电站。近几年我公司为梅雁企业（集团）股份有限公司设计的已建和在建的低水头河床式电站就有6座，装机容量一般3~4万KW，最大的23万KW。四座已经发电，两座即将发电。企业建设电站追求的主要是经济效益，电站的经济效益靠多发电、早发电以及降低工程造价。梅雁公司建设电站，杨钦欢董事长主要抓两件事，一是设计优化，二是提前发电。作者本人主持参加低水头电站设计自长洲水电枢纽开始，相继有白石窑、丹竹、蓬辣滩水电站等上十座，历时二十余年。回顾总结低水头电站的设计经验，对提高低水头电站设计水平会有所裨益。下面从五个方面进行总结：（1）正常蓄水位与库区淹没；（2）坝址选择；（3）枢纽布置；（4）建筑物设计优化；（5）施工导流与工期。1正常蓄水位与库区淹没低水头电站挡水建筑物的坝顶高程取决于设计洪水位和校核洪水位，而不取决于正常蓄水位，因此正常蓄水位的提高很少引起闸坝工程量的增加。水头增加，机组直径反而有所减少，所以厂房的工程量也不会增加。然而正常蓄水位的少许提高都会带来发电量的显著增加，因为发电量与水头、流量成正比，而且随着水头的增加，停机的时间也相对减少。诚然正常蓄水位的提高会引起库区淹没的增加，但可以采取措施减少库区淹没，例如洪水时降低水位运用、进行库区防护等。库区防护的经济性主要取决于防护堤基是否存在浅埋强透水层以及防护片排涝站的装机容量。总而言之，设计中一定要非常重视正常蓄水位的选择，研究是否存在提高的可能性，那怕提高几十厘米都好，是否有措施减少库区淹没，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窑和沙口两级开发合并为白石窑一级开发，同时对库区采取防护；梅江三龙水电站初步设计时，将正常蓄水位由82m提到83m，装机容量由1.8万kW提高中水珠江规划勘测设计有限公司（原珠委设计院）设计的已建和在建低水头河床式电站工程特性表项目单位长洲水电枢纽白石窑水电站飞来峡水利枢纽蒙里水电站丹竹水电站蓬辣滩7 水电站丙村水电站三龙水电站龙上水电站红花水电站所在河流西江北江北江北江梅江梅江梅江梅江梅江柳江坝址以上流域面积Km2308600177403409716750126361388686217326696746770多年平均流量M3/s610053211005093123432101801711260设计洪水流量/频率M3/s48700/1%11200/1%22700/0.2%10000/2%8250/2%8730/2%6580/2%5430/3.33%5270/3.33%32700/1%导流洪水流量/频率M3/s38300/10%7860/10%15500/5%7730/10%5020/20%5360/20%3850/20%3440/20%3320/20%22500/10%正常蓄水位m20.636.524.045.059.049.066.383.091.577.5总库容万M356000040600187000181001500013200295030507042300000发电水头(最大/额定)m15.19/9.512.22/7.813.83/8.538.46/6.29.81/6.211.58/8.26.99/4.98.9/7.28.49/6.517/13.3装机容量/台数万KW62.13/197.2/414/45/43.4/44.4/42.0/22.4/22.2/222.8/6多年平均发电量亿KW·h28.012.85.551.981.361.690.650.810.768.8船闸闸室尺寸(长×宽×门槛水深)m190×23×3.5190×15×3.5140×14×2.5190×16×3140×14×288×8×2120×15×2.270×8×270×8×1.570×8×1.5180×18×3泄水闸(孔数/孔宽)M41/1622/1016/1415/1410/149/148/148/148/1417/16主厂房尺寸(长×宽×高)M177.8×89×52.8283.7×70.33×52.27100.8×68.32×48130.5×75.5×55.895.7×75.66×39.858.1×69.5×47.182.4×68.3×45.9841.25×77.95×41.334.2×72.53×39.3573.84×34.5×30.3106.4×85.08×57.95最大坝高m45.830.152.3243340.129.534.332.767.65建设情况正在建设已竣工已竣工已竣工已竣工已竣工已竣工已发电正在建设正在建设备注和广西电力院合作可研、初设到2.4万KW，年发电量由6000多万度增加到8000多万度，枢纽工程量几乎不变，防护工程量增加不很多，电站的技术经济指标大大改善，业主很满意。2坝址选择坝址选择关系到枢纽运行、工程造价和工期，选择一个好的坝址可以带来巨大的经济效益。7 低水头河床式电站流量大，泄水闸规模大，施工导流和施工通航难度大，在选择坝址时，首先要估算泄水闸、厂房、船闸三大建筑物的前缘长度，坝址处河床宽度宜大于三大建筑物的前缘长度，有岛屿、沙洲更好；坝址工程地质条件和水文地质条件要好。具体来说，河床覆盖层要浅，以便泄水闸采用岩基；尽量避开岩溶地段，不能避开时应选择岩溶不发育的地段；尽可能使城镇位于坝址的下游或水库末端；有利船闸布置；此外还要考虑水能指标、施工条件、水流条件等。下面以长洲水电枢纽为例（见图1）。图1长洲水电枢纽平面布置图长洲水电枢纽位于西江干流的浔江河段，下距梧州10多公里，主要任务是开发水电和发展航运。长洲水电枢纽通航要求高，坝址集雨面积大，洪峰流量大，库区又处于河谷平原，淹没耕地多，设计水位受到严格限制，施工导流十分困难。坝址又紧靠苍梧县城和梧州机场，因此坝址选择涉及的因素很多，难度很大。长洲水电枢纽正常蓄水位枯水期为20.6m，汛期为18.6m，设计水头9.5m，装机容量62.13万KW，多年平均发电量28.01亿KW•h。采用贯流灯泡机组19台，近期兴建双线千吨级船闸并为远景发展予留一条船闸位置；泄水闸41孔。上、下坝址相距1.5km，上坝址处为两岛三江，即长洲、泗化洲和外江、中江、内江，内江一般不通航，中江和外江通航；下坝址处为一岛两江，即长洲和外江、内江，内江一般不通航，外江通航。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响7个方面进行。概括起来，上、下坝址均具有建坝条件，都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差别，完建后的装机容量、年发电量以及枢纽总投资都很接近。但上坝址比下坝址多一个岛和一条江，施工导流和施工通航条件较好，可以采用全年挡水围堰全年连续施工，工期较短，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）淹没小，占用土地少。而下坝址比上坝址少一个岛、一条江，需要在外江深水河床修建纵向围堰，工程量大、难度大，而且只宜做过水围堰，对施工通航不利。加之下坝址紧靠苍梧县城、离梧州机场近，对苍梧县城建设和梧州机场干扰大。综合比较选定上坝址。长洲水电枢纽坝址选择从89年到93年，历时5年，论争相当激烈。作者认为，坝址选择真正起作用的是坝址本身的自然条件，设计者的责任是充分认识、利用坝址的自然条件，将其展现出来。作者有幸参加了长洲水电枢纽坝址选择并代表珠委设计院向选坝会议汇报上坝址方案。3枢纽布置低水头河床式电站主要建筑物有泄水闸、河床式厂房、船闸及连接坝段。枢纽布置要考虑的因素很多：地形地质条件、运行条件、水流条件、交通条件、工程量和投资、施工导流和施工通航、施工工期等。通常情况下，由于通航水流条件较难满足，船闸位置应优先考虑。船闸宜临岸布置，不应布置在泄水闸、电站厂房与过水建筑物之间。枢纽布置要考虑的因素固然很多，但每个工程都有它最突出的问题，一定要在突出的问题上作文章。常规的枢纽布置好做，但非常规的布置要做好并不容易。既要有全面的专业知识，又要有丰富的工程经验。下面以飞来峡水利枢纽为例（见图2）。飞来峡水利枢纽坝址河床宽阔，主流靠左岸，水面宽约700m，河床冲积层厚8m~18m，下伏基岩为花岗岩，弱风化岩体顶板从左岸向河床倾斜，高程10m~-15m。右岸高漫滩地面高程18m，宽约1000m，长约2000m，冲积层厚25m~34m，弱风化岩面高程一般为-17m。枢纽由16孔溢流坝、河床式厂房（安装四台机组）、船闸和土坝组成，三大砼建筑物前缘长度约500m。7 飞来峡水利枢纽于1984年选定升平坝址，在此后的6年里，枢纽布置一直局限于滩地布置和河床布置两大方案。滩地布置方案：将三大砼建筑物布置在右岸高漫滩，利用原河床导流和通航。优点是导流工程简单，施工通航条件好，工程开工即可进行主体工程开挖。缺点是泄洪闸只宜采用软基，工程量大；对河势的改变大，上游夹洲可能影响进水，下游板塘山咀影响出闸流向，有碍船队航行。河床布置方案：将三大砼建筑物布置在原河床，施工第一期利用右岸滩地开挖明渠导流和通航。优点是对河势无改变，泄水闸可采用岩基，工程量比滩地方案少。缺点是明渠工程量大（明渠长3400m，底宽200m，土方开挖500多万m3，衬砌砼11万m3），工期约需一年半。1990年提出左移方案，即将河床方案的三大砼建筑物向左岸平移300m，船闸和厂房布置在左岸山丘，溢流坝布置在河床左侧。第一期施工围左岸船闸、厂房和溢流坝，由扩宽后的右侧河床导流和通航。该方案克服了上述两方案的缺点，与河床方案比较，节省投资7700万元，工期缩短一年半。左移方案，现在看简单，实际上并不简单，否则研究了六年就没有人提出过。这是因为飞来峡坝址河床宽达2000m，而三大砼建筑物前缘宽度只需500m，加之左岸河边是两座山，高出河床30m~40m，所以一般人不会去想也不敢想，放着2000m宽的河床不用，却要挖两座山，又要多做300m长的土坝。没有丰富的工程经验不可能提出左移方案。图2飞来峡水利枢纽平面布置图4建筑物设计优化4.1工程等级工程等级关系到工程和下游人民生命财产的安全、工程造价和工期。按照现行规范《防洪标准》GB50201—94和《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000的分等指标，低水头电站的工程等级实际上由水库总库容（水库最高水位以下的静库容）确定。低水头电站（防洪水库除外）在洪水时均开启闸门敞泄，闸前水位雍高很小，洪水位以下的水库容积为河槽容积，失事不会对下游造成灾害。但在枯水期（库水位为正常蓄水位），水头较大，一旦失事将对下游造成灾害。目前我们运用SL252—2000规范中“失事后造成损失不大的水利水电工程的1~4级主要永久性水工建筑物，经过论证并报主管部门批准，可降低一级”，将低水头河床式电站水工建筑物的级别降低一级。建议在规范修订时，低水头电站（防洪水库除外）的工程等别改由正常蓄水位以下库容确定。4.2泄水闸规模的确定低水头电站回水线的特点：在一定的蓄水位条件下，小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，泄水闸规模按宣泄10年一遇洪水时坝前水位雍高小于30cm确定。后来白石窑、飞来峡、丹竹、蓬辣滩水电站设计时都照此办理，似乎坝前水位雍高小于30cm成了一种规定。其实不然，泄水闸规模主要影响库区淹没，应该通过经济比较确定。在设计梅江丙村、三龙电站时，对泄水闸的规模作了经济比较，采用了较小的泄水闸规模，坝前水位雍高达到50cm。作者认为若库区没有大量土地、房屋，适当减小泄水闸规模，加大坝前水位雍高，是经济合理的。4.3消能防冲设计7 低水头电站在洪水时全开闸门敞泄，上、下游水位差很小，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，发电外的多余流量由泄水闸宣泄（弃水工况），才存在消能问题。弃水工况的消能防冲水力设计可先计算，再由水工模型试验验证。为了节省工程量，减少投资，开挖消力塘加大水深以满足面流消能要求。对水头较高的电站，可以在闸下设置隔墙，将其分成两区。一区设消力池，另一区即弃水工况开闸泄水的一区，或把池底高程降低使其满足面流消能，或设消力池。例如白石窑、飞来峡、丹竹、蓬辣滩水电站等都采用面流消能，不设消力池。但要注意，为了确保泄水闸的安全，泄水闸下游应设砼齿墙，底高程应在冲刷线以下。对存在缓倾角软弱夹层的闸基，要核算冲刷坑形成后的抗滑稳定。4.4进厂方式低水头河床式电站的进厂方式有两种，一种是垂直进厂，一种是水平进厂。一般业主都愿意水平进厂。很显然，水平进厂对通风、采光、交通有利。但要做挡水墙，需要一定的工程量和投资；此外还要设置厂区抽排水。在我公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，省去了挡水墙和厂区抽排水，业主很满意。4.5土坝低水头河床式电站坝址大多河床宽阔，除布置泄水、通航、发电建筑物外，尚需布置土坝。由于土坝的挡水高度小，为了减少投资、缩短工期，可采用不做围堰、不清基，直接在水中抛填砂砾料筑坝。做砼防渗墙防渗。白石窑水电站和飞来峡水利枢纽就是如此。白石窑水电站小江土坝，最大坝高28.5m，上、下游水位差最大12.2m，安排在第二期施工，不做围堰、不清基，把截流戗堤作为土坝下游排水棱体，水下部分抛填砂砾料，水上部分采用斜心墙碾压土坝，心墙以下设置砼防渗墙。自1997年3月15日下闸蓄水至今，坝坡稳定，坝体无裂缝、无明显不均匀沉降，坝下游没有集中渗漏和管涌。飞来峡水利枢纽右侧河床土坝，最大高度34.8m，河床冲积层厚14m，以含砾中粗砂为主。安排在第二期施工。结合工程截流，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施工，采用砼防渗板墙防渗。运行几年来，土坝安然无恙。施工导流与工期电站的经济效益除了优化设计减少工程量、投资、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要课题，而工期首先取决于施工导流。下面是长洲水电枢纽施工导流的例子。长洲水电枢纽导流设计先后有4大方案：初步设计方案、VPL公司方案，广西电力设计院方案（简称施工图方案）、优化方案。初步设计方案。枢纽布置：外江右岸台池布置双线千吨级船闸、外江河床左侧和内江河床左侧分别布置12台和7台机组厂房，外江河床中部、中江河床和内江河床右侧分别布置16孔、12孔和13孔泄水闸。采用河床分期导流，一期围外江，采用全年挡水围堰，由中江和内江导流，中江道航；二期围中江和内江，均采用过水土石围堰，施工时段为11月1日至翌年4月15日，由外江泄水闸导流，船闸通航。发电工期约4年，总工期9年6个月。7 VPL公司方案。初步设计后，广西区政府决定采用中外合资方式进行建设，奥地利VPL公司对上述方案进行了优化。船闸位置不变，19台机组厂房和41孔泄水闸全部布置在外江和内江，中江布置土石坝。施工第一期分别围外江和内江，均采用全年挡水围堰，围堰挡水标准按百年一遇洪水设计，全年施工，由扩大后的中江导流，通航。第一期工程完成后封堵中江，工程即可蓄水发电、通航。发电工期和总工期均为4年6个月。该方案土、石方量多约1000万m3，投资多约2亿人民币，施工临时淹没也有所增加。施工图方案。枢纽布置：船闸位置不变；外江右侧布置16孔泄水闸、左侧布置9台机组厂房；中江布置15孔泄水闸；内江左侧布置6台机组厂房、右侧布置12孔泄水闸。导流标准：全年不过水土石围堰采用10年一遇洪水标准，枯水期围堰采用11月1日至翌年4月15日10年一遇洪水标准。导流方案：一期分别围外江和内江左岸厂房及2孔泄水闸，枯水期由中江和内江右侧河道导流，中江通航。外江采用全年挡水土石围堰，全年施工。内江厂房及2孔泄水闸采用在低水围堰保护下修筑碾压砼过水围堰，半年施工。汛期由中江和内江右侧河道及左侧碾压砼过水围堰导流，中江通航。第二期围中江和内江右侧10孔泄水闸，均采用过水围堰，半年施工。枯水期由建好的外江16孔、内江2孔泄水闸导流，船闸通航；汛期由外江16孔、内江2孔泄水闸及中江、内江过水围堰导流，船闸通航。发电工期3年8个月，总工期5年10个月。2004年2月中电投集团公司在梧州召开施工组织及工程优化设计研讨会，作者在会上提出了导流优化方案，得到谭靖夷工程院土的赞赏，为业主采纳。优化方案。枢纽布置和导流标准均与施工图方案相同。导流方案：第1个枯水期用低水围堰围外江，施工船闸、12孔泄水闸及厂房高水围堰，由中江和内江导流，中江通航。第1个汛期继续施工船闸并在高水围堰保护下施工外江厂房，由中江、内江和外江已建好的10孔泄水闸（另2孔作为高水围堰基础）导流，中江通航。第2个枯水期用低水围堰围内江，施工内江10孔泄水闸和厂房高水围堰，由中江和外江10孔泄水闸导流，中江通航。第2个汛期由中江、外江16孔泄水闸和刚建好的内江8孔泄水闸（另2孔作为高水围堰基础）导流，中江通航。在高水围堰保护下施工内江厂房。第3个枯水期围中江，采用土石过水围堰，施工中江15孔泄水闸。由外江16孔、内江12孔泄水闸导流，航闸通航。第4年1月底外江厂房两台机组发电，发电工期2年8个月，总工期4年5个月。和施工图方案相比，发电工期和总工期分别提前1年和1年5个月，和VPL公司方案相比，总工期提前1个月，发电工期提前7个月。优化方案采用先外江、后内江、再中江逐江逐年开工，采用低水围堰在枯水期修建泄水闸和厂房高水围堰，厂房在高水围堰保护下全年施工。该方案的优点除工期缩短外，导流工程量、投资较少；各期导流都有较大的过水断面，导流水位较低，施工临时淹没较少。VPL公司方案的优点是导流简单，风险小。经过二十年低水头河床式电站的设计和建设，特别是经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，并且形成了一套程序和经验。其做法是将泄水闸分为两期建设，根据一、二期导流、航运需要划分第一期和第二期的孔数。为了提前发电，厂房放在第一期建设，在航运繁忙的河流，船闸也放在第一期建设。因此第一期围船闸、厂房和一部分泄水闸，第二期围剩余的泄水闸。船闸建设一般需要一年工期，泄水闸一个枯水期即可建成，工期由厂房控制，厂房土建需要1年到1年半，安装1台机组需要半年左右，所以发电工期最短的1年半，如丹竹水电站，长一点的得两年，如蓬辣滩、红花水电站，即使长洲水电枢纽也只要3年。比起九十年代以前水电站的建设，工期大大缩短。结语：7 从西江到北江，从梅江到柳江。从长洲坝址选择到飞来峡枢纽布置，不管是建筑物设计优化还是施工导流设计优化，我公司的设计水平不断提高，在低水头河床式电站设计领域已处于国内领先水平。长洲水电枢纽施工导流优化设计，与国际公司相比，不仅发电工期进一步缩短，还节省了数亿元投资，设计符合中国国情，具有中国特色。7'