低水頭大流量水利樞紐特性與設(shè)計(jì)優(yōu)化

曾新民

（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，510610，廣州）

20世紀(jì)八九十年代，廣東省能源匱乏，可開發(fā)的水電多為低水頭中小型水電站，中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司（以下簡(jiǎn)稱珠江設(shè)計(jì)公司）設(shè)計(jì)此類水電站也最多。進(jìn)入21世紀(jì)后，水能資源開發(fā)任務(wù)為航運(yùn)、防洪、發(fā)電、改善城市水景觀等綜合利用。廣東的東江水利樞紐、清遠(yuǎn)水利樞紐，廣西的長(zhǎng)洲、桂平航運(yùn)樞紐，湖南的株洲航電樞紐、長(zhǎng)沙綜合樞紐，江西的石虎塘航電樞紐、峽江水利樞紐，重慶的草街、利澤航電樞紐……截至目前，中水珠江設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)的大中型低水頭大流量水利樞紐有30座。

一、低水頭大流量水利樞紐的特性

大中型低水頭大流量水利樞紐地處南方河流的中下游，均在平原丘陵區(qū)，河谷開闊，比降平緩，土地肥沃，人口密集，交通繁忙。它們具有以下特性：①水頭低，壩高低；②流量大，泄洪規(guī)模大，閘下水深大，導(dǎo)流難度大；③水輪機(jī)直徑大，廠房規(guī)模大；④均有航運(yùn)任務(wù)，需要布設(shè)通航建筑物，施工期不能斷航；⑤庫(kù)區(qū)淹沒、浸沒問題突出。

改革開放初期，低水頭大流量水利樞紐以發(fā)電為主，但需建船閘，航道部門又不出資，工程建設(shè)全部資金都要靠發(fā)電承擔(dān)，因此低水頭大流量水利樞紐經(jīng)濟(jì)效益較差。充分認(rèn)識(shí)、利用其特性優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能降低工程造價(jià)，多發(fā)電，早發(fā)電，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。

二、設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.正常蓄水位與庫(kù)區(qū)防護(hù)

低水頭水利樞紐的特性之一是水頭低、流量大，而電站的發(fā)電量取決于水頭和流量，所以水頭十分珍貴。多數(shù)低水頭電站水頭只有幾米，水頭增加幾十厘米增加的發(fā)電量都很可觀。但是正常蓄水位的提高會(huì)引起庫(kù)區(qū)淹沒的增加，這就要研究減少庫(kù)區(qū)淹沒的措施，如水庫(kù)運(yùn)行方式、庫(kù)區(qū)防護(hù)等。正常蓄水位決定電站的發(fā)電量和庫(kù)區(qū)淹沒賠償，涉及的方面很多，必須綜合比較，選出最優(yōu)的正常蓄水位，改善樞紐的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

采取庫(kù)區(qū)防護(hù)措施，既可保護(hù)珍貴的土地資源，避免人口遷移，還可節(jié)省工程投資。白石窯水電站庫(kù)區(qū)建設(shè)了5個(gè)防護(hù)區(qū)，防護(hù)工程投資遠(yuǎn)少于淹沒賠償費(fèi)。防護(hù)區(qū)的排澇方式有自流排和電排，在有條件的地方應(yīng)盡量采用自流排，可以節(jié)省電費(fèi)、管理費(fèi)，還可防止浸沒。

當(dāng)防護(hù)區(qū)地面高程低于水庫(kù)正常蓄水位且地面不透水層重量小于滲透壓力時(shí)，就要防止浸沒。20世紀(jì)八九十年代多采用排水減壓措施，由于減壓井容易堵塞，運(yùn)行維護(hù)工作量大，90年代后多采用垂直截滲，但工程量大，投資大。近期措施是將耕地填高，使其高出正常水位，但其經(jīng)濟(jì)性要視填土高度和施工條件而定。

2.壩址選擇和樞紐布置

（1）壩址選擇

低水頭水利樞紐流量大，泄洪規(guī)模大，施工導(dǎo)流難度大。在選擇壩址時(shí)，河床寬度宜大于泄水閘、廠房、船閘三大建筑物的前緣長(zhǎng)度并留有余地。壩址處有島嶼、沙洲更好，可降低縱向?qū)Я鲊叩氖┕るy度。以長(zhǎng)洲水利樞紐選址為例，長(zhǎng)洲水利樞紐的主要任務(wù)是發(fā)電和航運(yùn)。裝機(jī)容量63萬kW，選用貫流燈泡機(jī)組15臺(tái)，近期興建雙線千噸級(jí)船閘。選擇上、下兩個(gè)具有代表性的壩址進(jìn)行比較。上壩址的地形為兩島三江，即長(zhǎng)洲和四化洲，外江、中江和內(nèi)江；下壩址地形為一島兩江，即長(zhǎng)洲、外江和內(nèi)江。壩址比較是壩址自然條件的比較，長(zhǎng)洲水利樞紐的特點(diǎn)是施工導(dǎo)流流量大，施工通航要求高，壩址最主要的區(qū)別是上壩址穿過兩島三江，而下壩址僅穿過一島兩江，所以上壩址可以利用兩島做施工導(dǎo)流縱向圍堰，而下壩址除利用一個(gè)島做施工導(dǎo)流縱向圍堰外，還要在外江中間做一道縱向圍堰。由此兩個(gè)壩址在施工導(dǎo)流、施工通航的難度、工程量、工期、施工期發(fā)電量等方面有較大差別。比較的結(jié)果上壩址優(yōu)于下壩址，選擇上壩址。

（2）樞紐布置

低水頭水利樞紐主要建筑物有泄水閘、河床式廠房、船閘及連接壩段。通常情況下，由于通航水流條件較難滿足，船閘位置應(yīng)優(yōu)先考慮。船閘宜臨岸布置，不應(yīng)布置在泄水閘和電站之間。以飛來峽水利樞紐為例。

飛來峽樞紐壩址河床寬闊，主流靠左岸，水面寬約700 m，河床沖積層厚8～18 m。右岸高漫灘，寬約1 000 m，長(zhǎng)約2 000 m，沖積層厚25～34 m。樞紐由16孔溢流壩、河床式廠房、船閘和土壩組成，溢流壩、廠房、船閘三大建筑物前緣長(zhǎng)度約500 m。

飛來峽水利樞紐于1984年選定升平壩址，此后6年，樞紐布置一直在灘地布置和河床布置兩大方案間徘徊。灘地布置方案是將混凝土建筑物（溢流壩、廠房、船閘）布置在右岸高漫灘，利用原河床導(dǎo)流和通航。優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)流工程簡(jiǎn)單，施工通航條件好，工程開工即可進(jìn)行主體工程建設(shè)。缺點(diǎn)是泄洪閘只宜采用軟基，受單寬流量限制，孔數(shù)多，工程量大；對(duì)河勢(shì)的改變大，上游夾洲影響進(jìn)水，下游板塘山嘴影響出閘流向，有礙船隊(duì)航行。河床布置方案是將混凝土建筑物布置在原河床，施工第一期在右岸灘地開挖明渠導(dǎo)流和通航。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)河勢(shì)無改變，泄水閘可利用巖基，工程量小。缺點(diǎn)是為了滿足導(dǎo)流和通航，明渠工程量大，土方開挖500多萬m3，襯砌混凝土11萬m3，工期約需增加1.5年。1990年水利部專家組提出左移方案，即將河床方案的混凝土建筑物向左岸平移300 m，船閘和廠房布置在左岸山丘，溢流壩布置在河床左側(cè)。第一期施工為左岸船閘、廠房和溢流壩，由擴(kuò)寬后的右側(cè)河床導(dǎo)流和通航。該方案克服了上述兩方案的缺點(diǎn)，與河床方案比較，節(jié)省投資7 700萬元，工期縮短1.5年。

3.泄洪規(guī)模和施工導(dǎo)流

（1）泄洪規(guī)模選擇

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，低水頭電站回水線有如下特點(diǎn)：在一定的蓄水位條件下，小流量的回水終點(diǎn)離壩遠(yuǎn)，大流量的回水終點(diǎn)離壩近，閘門全開敞泄流時(shí)，回水終點(diǎn)移至壩前。也就是說，庫(kù)尾回水外包線由發(fā)電流量控制，壩前回水外包線由正常蓄水位或洪水位確定。若淹沒處理的設(shè)計(jì)洪水位低于正常蓄水位，壩前淹沒賠償由正常蓄水位確定，泄洪規(guī)模只要滿足淹沒處理的設(shè)計(jì)水位不超過正常蓄水位即可。若淹沒處理的設(shè)計(jì)洪水位高于正常蓄水位，泄洪規(guī)模應(yīng)通過不同的孔數(shù)和不同的淹沒賠償進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。以上是對(duì)清水河流而言，對(duì)多沙河流則要在水庫(kù)沖淤平衡的基礎(chǔ)上推求水庫(kù)回水外包線。

（2）施工導(dǎo)流

電站經(jīng)濟(jì)效益的改善除了減少工程量和投資且要多發(fā)電外，還要爭(zhēng)取早發(fā)電?？s短工期是最大的效益，而工期首先取決于施工導(dǎo)流。

長(zhǎng)洲水利樞紐施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)先后作了四次：初步設(shè)計(jì)、咨詢公司設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)。在施工圖設(shè)計(jì)中，樞紐布置如下：船閘位置不變；外江右側(cè)布置16孔泄水閘，左側(cè)布置9臺(tái)機(jī)組廠房；中江布置15孔泄水閘；內(nèi)江左側(cè)布置6臺(tái)機(jī)組廠房，右側(cè)布置12孔泄水閘。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)：全年不過水圍堰采用10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。過水圍堰，采用11月1日至翌年4月15日5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)流方案：一期圍外江和內(nèi)江左岸廠房及2孔泄水閘，外江采用全年擋水土石圍堰，全年施工；內(nèi)江廠房采用在草土圍堰保護(hù)下修筑碾壓混凝土過水圍堰，半年施工。枯水期由中江和內(nèi)江右側(cè)河道導(dǎo)流，汛期內(nèi)江左側(cè)廠房過水圍堰參加過流，中江通航。二期分別圍中江和內(nèi)江右側(cè)10孔泄水閘，均采用土石過水圍堰，半年施工。枯水期由建好的外江16孔、內(nèi)江2孔泄水閘導(dǎo)流，汛期中江和內(nèi)江過水圍堰參加過流，船閘通航。

珠江設(shè)計(jì)公司提供的施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)，其樞紐布置和導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)與施工圖設(shè)計(jì)相同：第1個(gè)枯水期用低水圍堰圍外江，施工泄水閘和廠房用高水圍堰，由中江和內(nèi)江導(dǎo)流，中江通航。第1個(gè)汛期在高水圍堰保護(hù)下施工外江廠房，由中江、內(nèi)江和外江已建好的泄水閘導(dǎo)流，中江通航。第2個(gè)枯水期用低水圍堰圍內(nèi)江，施工內(nèi)江泄水閘和廠房高水圍堰，由中江和外江泄水閘導(dǎo)流，中江通航，外江廠房繼續(xù)施工。第2個(gè)汛期由中江、外江泄水閘和內(nèi)江泄水閘導(dǎo)流，中江通航。在高水圍堰保護(hù)下施工內(nèi)江廠房。外江廠房進(jìn)行機(jī)組安裝。第3個(gè)枯水期圍中江，采用土石過水圍堰，施工中江15孔泄水閘。由外江、內(nèi)江泄水閘導(dǎo)流，船閘通航。外江繼續(xù)安裝機(jī)組，內(nèi)江廠房繼續(xù)施工。第4年1月底外江廠房?jī)膳_(tái)機(jī)組發(fā)電，發(fā)電工期2年8個(gè)月，總工期4年5個(gè)月。和施工圖設(shè)計(jì)相比，發(fā)電工期和總工期分別提前1年和1年5個(gè)月。

優(yōu)化設(shè)計(jì)采用先外江、后內(nèi)江、再中江逐江逐年開工，用低水圍堰修建泄水閘和廠房高水圍堰，廠房在高水圍堰保護(hù)下全年施工。方案的優(yōu)點(diǎn)是工期縮短，導(dǎo)流工程量、投資減少，各期導(dǎo)流都有較大的過水?dāng)嗝妫坏?，施工臨時(shí)淹沒少，發(fā)電工期提前22個(gè)月。

4.泄水閘消能防沖和土壩無圍堰筑壩

（1）泄水閘消能防沖

低水頭水利樞紐 （防洪水庫(kù)除外）全開閘門敞泄洪水時(shí)，上下游水位差不到1 m，而且下游水深大，閘下呈波流和面流與下游銜接，沒有消能問題。當(dāng)入庫(kù)流量大于電站滿發(fā)流量且小于停機(jī)流量時(shí)，發(fā)電外的棄水由泄水閘宣泄才存在消能問題。

白石窯水電站經(jīng)水工模型試驗(yàn)，閘趾處沖深不大，沖刷發(fā)生在閘趾以下50～100m范圍內(nèi)，據(jù)此按面流消能設(shè)計(jì)，閘下設(shè)消力塘，底板不襯砌。為確保泄水閘本身的安全，在泄水閘前趾、后踵設(shè)鋼筋混凝土齒槽。電站自1997年3月15日下閘蓄水運(yùn)行至今，經(jīng)水下檢查，沖刷情況與設(shè)計(jì)相符。此后珠江設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)的低水頭水利樞紐，絕大多數(shù)采用面流消能，至今還沒有一個(gè)工程的消能防沖設(shè)施發(fā)生損壞。

（2）土壩采用無圍堰筑壩

低水頭水利樞紐兩岸連接土壩的高度一般在40 m以下，如果采用常規(guī)筑壩技術(shù)，圍堰的填筑量與土壩的填筑量相差無幾，一個(gè)枯水期難以達(dá)到攔洪高程，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢。在白石窯水電站小江土壩設(shè)計(jì)中采用無圍堰筑壩，即以截流戧堤作土壩下游排水棱體，水面以下用砂礫石拋填，水面以上為碾壓土壩。對(duì)砂礫石拋填部分和壩基覆蓋層采用混凝土防滲墻防滲。小江土壩最大壩高28.5 m，已運(yùn)行10余年，壩坡穩(wěn)定，壩體無裂縫，壩下游未發(fā)現(xiàn)集中滲流和管涌。

三、結(jié) 語

低水頭大流量水利樞紐歷經(jīng)30多年的設(shè)計(jì)、建設(shè)，在正常蓄水位和庫(kù)區(qū)防護(hù)、壩址選擇和樞紐布置、泄洪規(guī)模和施工導(dǎo)流，泄水閘消能防沖和土壩無圍堰筑壩等方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，使低水頭大流量水利樞紐設(shè)計(jì)水平大大提高。

低水頭大流量水利樞紐雖然獲得了較大發(fā)展，但此類樞紐水頭會(huì)越來越低，工程的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)越來越差。低水頭水利樞紐對(duì)環(huán)境影響小，是國(guó)家支持發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，理應(yīng)享受和風(fēng)電一樣的優(yōu)惠政策，建議國(guó)家制訂對(duì)低水頭水利樞紐的優(yōu)惠政策。

[1]曾新民.低水頭水利樞紐設(shè)計(jì)心得[J].人民珠江，2008（6）.