水口壩下水位治理工程建設方案設計研究

扈曉雯，江金章，于 青，芮德繁

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程任務研究的必要性

閩江是福建省發(fā)展內(nèi)河航運的主要河流。水口水電站建成以來，特別是近些年，水口壩址下游水位不斷下降。根據(jù)水口壩下尾水1999～2007年歷年最低水位與相應出庫流量分析，流量小于500 m3/s時，2007年水位比1999年下降近3 m；流量在1 000～22 000 m3/s時，2007年水位比1999年下降近2.5 m，目前仍處于持續(xù)下降中。

水口水電站通航建筑物設計以電站下泄基荷流量308 m3/s時的水位7.64 m為下游最低通航水位（也是發(fā)電最低水位）。以四閘首門檻水深3.0 m為條件，確定四閘首門檻頂高程4.64 m。由于下游河道持續(xù)無序挖沙、河床及上游河沙補給減少，河床不斷下切、水位繼續(xù)下降，現(xiàn)狀四閘首檻上水深僅有1.53 m，如要維持通航，需要原設計通航流量的7倍多；而廠房尾水位比原設計的廠房下游最低尾水位低4.14 m，機組穩(wěn)定運行將受到嚴重威脅。因此，進行抬高下游水位治理工程顯得尤為迫切。

2005年，水口水電站壩下水位治理工程開展前期工作。由福建省水利水電設計研究院承擔勘測設計任務，完成了“關于抬高水口樞紐壩下水位工程措施研究”和《閩江干流下游流域綜合規(guī)劃修編報告》，水口水電站壩下水位治理工程建設方案推薦航電結(jié)合方案，通過了福建省政府有關部門組織的評審。2007年，受水口公司委托，華東勘測設計研究院承擔了該項目的勘測設計工作，于2008年完成了《水口水電站壩下水位治理工程方案研究》報告，推薦水口水電站壩下水位治理工程建設方案綜合治理航運方案，并通過了福建省政府有關部門組織的評審。

本工程的目的是解決通航建筑物門檻水深不足和水輪發(fā)電機組的吸出高度達不到設計要求問題，通過修建下游樞紐使水口水電站壩下水位恢復到原天然狀況，泄放308 m3/s流量時，水位保證在7.64 m左右，水位抬高約5 m。而工程位于閩江下游，多年平均流量達到1 680 m3/s，水口水電站正常運行時，水口壩下樞紐能利用的水頭有限。因此，航電結(jié)合方案利用的水頭很低，發(fā)電經(jīng)濟指標、經(jīng)濟效益等均較差。

究竟采用航電方案還是航運方案，在項目可行性研究階段，進行了技術經(jīng)濟綜合比較，對工程方案做了進一步研究，以明確工程建設任務。

2 工程建設方案擬定

根據(jù)不同的建設任務、所處河段的地形地質(zhì)條件及技術經(jīng)濟比較等因素，初擬格洋新村壩址為航電方案代表性壩址，初擬北溪壩址為航運方案代表性壩址。

2.1 航電方案

航電方案的任務是以航運為主，兼有發(fā)電等綜合利用功能，因此該方案樞紐主要建筑物由泄洪消能建筑物、通航建筑物、發(fā)電廠房及擋水建筑物等組成。為盡量減小對閩江下游河道行洪、水口水電站樞紐下游水位及兩岸公路和鐵路的影響，該方案宜選擇在河道相對較寬闊的部位。根據(jù)地形地質(zhì)條件等，初擬格洋新村壩址為航電方案代表性壩址。

格洋新村壩址位于水口水電站樞紐下游10 km處，其上游100 m右岸為格洋新村。該段閩江由北向南流，河谷開闊，呈“U”字形，河道順直，河床寬度約600 m左右，枯水季左岸河床出露為一大片河漫灘，河漫灘最大寬度約250 m，上下游長度約1.5 km，河漫灘地面高程5～7.5 m。根據(jù)勘探資料分析，偏右河床分布一基巖深槽，寬約80 m（推測），深槽覆蓋層最大厚度約30 m，深槽基巖面最低高程為-30 m。兩岸地形較對稱，左岸為鐵路通過，路基高程約25 m，岸坡坡度15°～40°。右岸為316國道通過，國道高程約為24 m，岸坡坡度10°～40°。

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，結(jié)合閩江下游河段洪水特性，宜將泄洪建筑物布置在主河床；同時為與水口水電站樞紐通航建筑物協(xié)調(diào)一致，將通航建筑物布置在右岸，發(fā)電廠房布置在左岸，兩建筑物與岸邊連接采用擋水建筑物。為利用閩江干流下游河段水能資源，同時考慮與水口水電站樞紐廠房尾水合理銜接利用等因素，初擬航電方案為不設調(diào)節(jié)庫容和設置調(diào)節(jié)庫容兩個方案。

（1）不設調(diào)節(jié)庫容航電方案

水口水電站樞紐下游最低水位為7.64 m，相應的工況為泄放航運基流308 m3/s流量。初擬正常蓄水位為7.64 m，與水口水電站樞紐下游水位正好銜接。該方案裝機容量26 MW，共4臺機組，廠房壩段長約118 m。泄洪建筑物采用無閘門控制的自由溢流壩，堰頂高程初擬7.64 m，溢流壩段長415 m。樞紐建筑物總長699 m。

（2）設置調(diào)節(jié)庫容航電方案

考慮到水口水電站樞紐機組停發(fā)或設置調(diào)節(jié)水庫蓄水期間，均需要不間斷泄放一定的流量，以滿足下游生態(tài)和航運等要求，初擬正常蓄水位為10.5 m，與水口水電站樞紐下游水位部分重疊。該方案裝機容量70 MW，共5臺機組，廠房壩段長約148 m。泄洪建筑物采用有閘門控制的溢流壩，堰頂高程為5.0 m，溢流壩段長402 m。樞紐建筑物總長699 m。

2.2 航運方案

航運方案的工程任務僅具有航運功能，因此該方案樞紐主要建筑物由泄洪消能建筑物、通航建筑物及擋水建筑物等組成。與航電方案相比較，樞紐建筑物布置相對簡單，無需設置發(fā)電廠房?？紤]到盡量減小對閩江下游河道行洪、水口水電站樞紐下游水位及兩岸公路和鐵路的影響，根據(jù)地形地質(zhì)條件及技術經(jīng)濟比較，初擬北溪壩址為航運方案代表性壩址。

北溪壩址位于水口水電站樞紐下游約8.3 km處，其下游1.7 km為格洋新村壩址。該段閩江由北向南流，河谷開闊，呈“U”字形，河道順直，枯水季水面寬約360～380 m，水深1.5～7 m，河水面高程約為4.5 m，水流平緩。河床中部分布一基巖深槽，寬約80 m，深槽覆蓋層底部高程為-37.1 m。兩岸地形較對稱，左岸為來福鐵路通過，距離岸邊約70 m，鐵路高程為27.5～29 m，岸坡坡度15°～40°，大片基巖裸露。右岸為316國道通過，距離岸邊約40～50 m，國道內(nèi)外側(cè)為北溪村居民房屋，國道高程約為30 m，岸坡坡度10°～40°，基巖露頭較少。

根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，同時為與水口水電站樞紐通航建筑物協(xié)調(diào)一致，將通航建筑物布置在右岸，通航建筑物以左均布置泄洪消能建筑物，左岸岸邊布設護坡建筑物，通航建筑物與右岸岸邊采用擋水建筑物。泄洪建筑物擬采用無閘門控制自由溢流壩，堰頂高程為6.91 m，最大堰高14.91 m，溢流壩總寬335 m；經(jīng)溢流壩下泄的水流大部分處于淹沒出流的狀態(tài)，因此消能防沖建筑物采用壩下設置護坦＋海漫消能。護坦頂高程為-2.0 m，混凝土護坦長50 m，厚2.0 m，在其下設0.5 m厚砂卵石墊層和土工布反濾一道，護坦末端設置混凝土防淘墻以防回流淘刷。護坦下游設40 m長干砌石海漫，干砌石厚0.60 m，在其下設0.2 m厚砂卵石墊層和土工布反濾一道，海漫末端設干砌石防沖槽。擋水建筑物采用混凝土重力壩，壩頂高程30 m，壩頂寬5.0 m，壩體基本斷面采用三角形，擋水壩段長70.5m。護坡建筑物長48 m，采用混凝土貼坡型式，混凝土厚度0.3 m，其下為0.2 m厚的碎石墊層及土工布。

3 樞紐布置特點

3.1 航電方案特點

（1）航電方案一：不設置調(diào)節(jié)庫容，航運基流由水口水電站下泄。泄洪建筑物采用無閘門控制的自由溢流壩，溢流壩最低控制水位滿足通航最低水位要求。

（2）航電方案二：設置調(diào)節(jié)庫容，承擔下泄航運基流任務，使得水口水電站在福建電網(wǎng)中發(fā)揮更大的調(diào)峰作用。泄洪建筑采用有閘門控制的溢流壩。

航電方案其樞紐布置有以下特點：

（1）樞紐布置應盡量減小對閩江下游河道行洪、水口水電站樞紐下游水位及兩岸公路和鐵路的影響，應將泄洪建筑物布置在主河道，使洪水在主河床行洪；

（2）樞紐布置應兼顧發(fā)電下泄水流對通航建筑物下游口門區(qū)水流流態(tài)及流速的影響，宜將通航建筑物和發(fā)電廠房分開布置；

（3）樞紐布置應兼顧泄洪消能建筑物與發(fā)電廠房引水道進、出口及廠房安裝高程之間的關系，在盡量減小對閩江下游河道行洪、水口水電站樞紐下游水位及兩岸公路和鐵路的影響的基礎上，將發(fā)電廠房靠近主河床，減少發(fā)電廠房引水道進、出口開挖工程量。

3.2 航運方案特點

航運方案的特點是采用壅水堰壅高上游水位，僅具有船舶過壩功能，樞紐主要建筑物由壅水建筑物、通航建筑物及擋水建筑物等組成。其樞紐的布置特點為：建筑物型式簡單，功能單一，施工工期短、施工期不斷航，不影響電站發(fā)電及原建筑物正常運行的要求。航運樞紐方案建筑物實施難度較小，技術方案成熟可靠，能較徹底解決壩下通航水深不足并恢復水口水電站尾水位問題。

4 發(fā)電效益分析及投資估算

4.1 發(fā)電效益分析

4.1.1 航電方案一

（1）航電方案一的發(fā)電量

不設調(diào)節(jié)庫容航電方案一，初步擬定正常蓄水位為7.64 m，工程樞紐采用自由溢流堰。電站裝機容量26 MW，單機容量6.5 MW，相應多年平均發(fā)電量0.87億kW·h。

（2）減少水口水電站發(fā)電量

水口壩下水位治理工程實施后，由于受水口壩下水位的抬高影響，閩江上游河段的水口水電站的年發(fā)電量有一定程度減少。在方案比較階段，初擬水口壩下水位治理工程不設調(diào)節(jié)庫容航電方案的正常蓄水位為7.64 m，即最低通航水位為7.64 m，以此水位分析壩下水位治理工程實施后對水口水電站年發(fā)電量的影響。

水口水電站徑流調(diào)節(jié)計算采用1950年3月～2005年2月共55年的旬徑流水文系列。由于本工程泄流建筑物為自由溢流堰，其壩上水位受溢流堰泄流能力和水口水電站發(fā)電流量影響，因此，在水口水電站的發(fā)電量計算時考慮了本工程壩上水位變動的影響。

目前，由于下游河床下切，與初步設計階段相比，水口水電站的發(fā)電尾水位有較大下降，而發(fā)電水頭則有所抬高；但由于下游河床下切、發(fā)電尾水降低、淹沒水深不足，水口水電站機組運行存在振動、擺動、氣蝕大幅度增加等對水輪機發(fā)電設備造成損傷等問題，也需要采取相應的工程措施。因此，基于目前水口水電站運行所存在的問題，為了便于分析比較，本階段在分析計算水口壩下工程對水口水電站的發(fā)電量影響時，水口水電站下游水位流量關系曲線采用電站初步設計階段的成果為基礎進行分析。

根據(jù)徑流調(diào)節(jié)計算結(jié)果表明，對于不設調(diào)節(jié)庫容航電方案一，由于水口水電站壩下水位抬高，電站年平均發(fā)電量減少0.06億kW·h，減少0.11%，見表1。

（3）發(fā)電效益分析

不設置調(diào)節(jié)庫容方案一裝機容量為26 MW，多年平均發(fā)電量為0.87億kW·h。但采用本方案，水口水電站尾水位抬高后，電站年發(fā)電量減少0.06億kW·h，因此，從水口水電站與下游壩工程兩個梯級之間的綜合效益分析，工程修建后，本方案梯級總電量有所增加，增加的梯級總電量為0.81億kW·h。

表1 水口水電站電量減少影響分析成果表（不設調(diào)節(jié)庫容航電方案）Table 1:Loss of electricity generated by Shuikou hydropower station(navigation and hydropower scheme without regulating storage volume)

4.1.2 航電方案二

（1）航電方案二發(fā)電量

設置調(diào)節(jié)庫容方案二初步擬定正常蓄水位10.5 m，采用閘門控制泄流。初擬電站裝機容量為70 MW，裝機臺數(shù)為5臺，單機容量14 MW，多年平均發(fā)電量為3.16億kW·h。

（2）減少水口水電站年發(fā)電量

由于受水口下游壩反調(diào)節(jié)池的水位抬高影響，水口水電站的年發(fā)電量有一定程度的減少。本階段初擬設置調(diào)節(jié)庫容航電方案二的正常蓄水位為10.5 m，死水位為7.64 m，因此考慮本方案的反調(diào)節(jié)池水位變動范圍，分析水口下游壩反調(diào)節(jié)池水位抬高后對水口水電站的發(fā)電量影響。

與航電方案一相同，水口水電站徑流調(diào)節(jié)計算采用1950年3月～2005年2月共55年的旬徑流水文系列，并考慮本工程壩上水位變動的影響，同時以水口水電站初步設計階段的下游水位流量關系曲線成果為基礎進行分析計算。

根據(jù)徑流調(diào)節(jié)計算結(jié)果表明，對于設置調(diào)節(jié)庫容航電方案二，由于水口水電站壩下水位抬高影響，電站年平均發(fā)電量減少0.33億kW·h，減少0.6%，見表2。

表2 水口水電站電量減少影響分析成果表（設置調(diào)節(jié)庫容航電方案）Table 2:Loss of electricity generated by Shuikou hydropower station(navigation and hydropower scheme with regulating stor-age volume)

（3）發(fā)電效益分析

設置調(diào)節(jié)庫容方案二，裝機容量為70 MW，多年平均發(fā)電量為3.16億kW·h。但采用本方案，當水口水電站尾水位抬高后，電站年發(fā)電量減少0.33億kW·h，因此，從水口水電站與下游壩工程兩個梯級之間的綜合效益分析，工程修建后，本方案梯級總電量有所增加，增加的梯級總電量為2.83億kW·h。

4.2 航電和航運方案工程投資估算

從航電、航運兩大類工程方案投資估算表（表3）中可見，航運方案（北溪）投資最少，航電方案一次之，航電方案二最大。

表3 工程方案投資估算Table 3:Investment estimation of the schemes

4.3 航電方案單位千瓦及單位電能投資

根據(jù)工程方案投資估算，航電方案一，工程總投資為233 057萬元，扣除航運方案（北溪）投資后，發(fā)電工程投資121 715萬元，單位千瓦投資4.681 3萬元，單位電能投資14.043 5元；航電方案二，工程總投資為308 927萬元，扣除航運方案（北溪）投資后，發(fā)電工程投資197 590萬元，單位千瓦投資2.822 7萬元，單位電能投資6.256 2元；航電方案單位千瓦和單位電能投資見表4。

表4 航電方案單位千瓦和單位電能投資表Table 4:Unit electric energy investment of the navigation and hydropower scheme

5 結(jié) 語

（1）經(jīng)對航電及航運兩類方案從工程地形地質(zhì)條件、發(fā)電效益、樞紐布置特點、施工條件、建設征地、環(huán)境保護、水土保持、工程投資、施工期通航條件等進行分析，水口水電站樞紐壩下水位治理工程采用航運方案和航電結(jié)合方案都是可行的。

（2）由于航電結(jié)合方案能利用的發(fā)電水頭很低，發(fā)電工程投資較大，單位千瓦投資和單位電能投資的指標都很差。因此，水口水電站樞紐壩下水位治理工程不考慮布置發(fā)電設施，推薦采用航運方案。