底格欄柵取水技術(shù)在巖樟溪水電站引水改造工程中的應(yīng)用

王樹乾

(浙江省水利水電投資集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012)

1 問題的提出

引水系統(tǒng)進(jìn)水口防淤是保證山區(qū)徑流式水電站或跨流域引水工程正常運(yùn)行的首要條件，不少已建成的山區(qū)小型水電站或跨流域引水工程其進(jìn)水口都不同程度地存在淤堵現(xiàn)象，影響了電站效益的正常發(fā)揮。底格欄柵取水技術(shù)是在壅水壩內(nèi)設(shè)置輸水廊道，并利用其頂部欄柵篩析作用攔沙引水的一種取水方式，它適用于河床較窄、水深較淺、河底縱坡較大、大顆粒推移質(zhì)及漂浮物較多、取水量比例較大的山區(qū)性河流。根據(jù)底格欄柵取水技術(shù)在巖樟溪水電站跨流域引水改造工程中的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步驗(yàn)證底格欄柵取水技術(shù)在山區(qū)徑流式水電站進(jìn)水口或跨流域引水工程的適用性。

2 巖樟溪水電站引水工程概況

巖樟溪水電站位于浙江龍泉巖樟溪上游，由兩級(jí)電站組成。一級(jí)電站集雨面積由主流域集雨面積53.61km2和三片跨流域引水集水面積49.31km2組成。其中錦溪流域引水面積25.70km2，引用流量為10.280m3/s;肖莊溪引水面積12.42km2，引用流量為4.968m3/s;大貴溪引水面積11.19km2，引用流量為4.480m3/s。電站跨流域引水面積占總集雨面積的47.9%，其引水量直接影響到電站的發(fā)電效益。

跨流域引水工程由攔河重力堰壩、進(jìn)水口閘門及攔污柵、隧洞組成 (見圖1)。由于引水堰壩上游是山區(qū)性河流，洪水歷時(shí)短、流速大，洪水期間水流中帶有大量的卵石、礫石、粗沙，以及樹枝、竹梢等漂浮物，沖至引水堰壩和進(jìn)水口，經(jīng)常造成攔污柵堵塞和堰前、隧洞淤積，且洪水期間清理困難。工程投產(chǎn)后每年需投入大量資金，在枯水期對(duì)堰壩、攔污柵及隧洞進(jìn)行清淤，但效果并不理想。投產(chǎn)5a來的運(yùn)行實(shí)踐表明，當(dāng)一次降雨過程超過30mm降雨量，就會(huì)造成攔污柵堵塞和堰前、隧洞淤積，導(dǎo)致發(fā)電引水流量大大減小，跨流域引水一直達(dá)不到設(shè)計(jì)的引用流量，電站亦長期達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期的發(fā)電量，曝露了山區(qū)性河流重力堰壩式引水模式存在的缺陷。

圖1 清淤后的原堰壩及引水口布置圖

3 攔河重力堰壩取水改造方案

針對(duì)上述引水系統(tǒng)淤積和洪水期清淤難的問題，對(duì)錦溪跨流域多次調(diào)研，經(jīng)引水改造方案比選，最終采用底格欄柵壩的工作原理對(duì)引水堰壩進(jìn)行工程改造。

3.1 改造工程總體布置

首先，在重力堰壩上游側(cè)平行于堰壩砌筑1道設(shè)排水孔的漿砌石擋墻 (堰前擋墻)，擋墻略高于重力堰壩頂，在墻頂與重力堰壩頂之間設(shè)置金屬格欄柵，格欄柵下部形成引水廊道，引水廊道與堰壩沖沙閘、引水隧洞進(jìn)水口相連;其次，沿河流向在引水隧洞進(jìn)水口、沖沙閘之間外側(cè)砌筑漿砌石擋墻與堰前擋墻相連，防止洪水期間河流泥沙淤積進(jìn)水口，擋墻頂應(yīng)高于堰頂，墻頂可設(shè)簡易鋼筋網(wǎng)阻攔漂浮物，擋墻中下部可設(shè)多排反濾排水孔引水，擋墻內(nèi)側(cè)(山坡側(cè))形成引水渠連接堰前引水廊道與引水隧洞進(jìn)水口;最后，根據(jù)引水流量，確定引水廊道寬度為180cm，深度為176～198cm，格欄柵的邊框采用型鋼制作并錨固在堰前擋墻和重力堰壩頂上，柵條采用10mm×80mm的鋼板制作，分片焊接在邊框上 (見圖2)。格柵間距在通過計(jì)算確定的基礎(chǔ)上，可根據(jù)河流泥沙、漂浮物以及排沙清淤等特性適當(dāng)加大，既能減少小顆粒砂石堵塞格柵又能在汛期盡可能多的引水發(fā)電。本工程格柵間距采用5cm。改造后工程總體平面布置示意見圖3。

圖2 改造后的堰壩及底格欄柵圖

圖3 改造后工程總體平面布置示意圖

3.2 底格欄柵設(shè)計(jì)

3.2.1 格柵引水段寬度計(jì)算

計(jì)算采用水利設(shè)計(jì)手冊計(jì)算公式:

式中:Q為引用設(shè)計(jì)流量，m3/s，取10.28m3/s;b為格柵沿壩軸線寬度，m;μ2為全引時(shí)的柵孔系數(shù)，μ2=0.94μ，μ為柵孔流速系數(shù)，取0.433(為其他類似工程水工模型試驗(yàn)值);P為開通度，本工程采用柵條形狀為扁鋼，寬1.4cm，格柵間隙為5cm，每隔1m設(shè)有0.2m寬聯(lián)系梁1根，經(jīng)過計(jì)算P取0.625;L為格柵柵縫長度，本工程為1.6m。

經(jīng)過計(jì)算，b=14.8m，考慮柵孔可能存在堵塞而造成流量減少，柵孔面積增加25%，確定格柵沿壩軸線向?qū)挾?8.5m，結(jié)合現(xiàn)場河道寬度，最終取22m。

3.2.2 洪水時(shí)格柵引水段引用流量計(jì)算

計(jì)算采用水利設(shè)計(jì)手冊計(jì)算公式:

式中:Q為柵孔引用流量，m3/s;Q1為堰頂流量，m3/s;Q2為多余下泄流量，m3/s;b為格柵沿壩軸線寬度，m，取22m;μ為柵孔流速系數(shù)，取0.433(為其他類似工程水工模型試驗(yàn)值);P為開通度，本工程采用柵條形狀為扁鋼，寬1.4cm，格柵間隙為5cm，每隔1m設(shè)有0.2m寬聯(lián)系梁1根，經(jīng)過計(jì)算P取0.625;h1k、h1k分別為柵隙始終端的臨界水深，m。

計(jì)算結(jié)果見表1:

表1 柵孔引流能力計(jì)算成果表 m3/s

經(jīng)過計(jì)算校核洪水位時(shí)格柵引水流量為17.14m3/s，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，格柵引水流量為12.05m3/s。

3.2.3 引水廊道過流能力計(jì)算

計(jì)算采用水利設(shè)計(jì)手冊計(jì)算公式:

式中:Q為過流流量，m3/s;A為過水面積，m2;C為謝才系數(shù)，C=R1/6/n;R為水力半徑，m;n為糙率，取0.014;i為底坡，%。

經(jīng)計(jì)算在廊道斷面為1.80m×1.75m(寬×高)，底坡為1%，水深1.40m時(shí)，過流量為11.48m3/s大于設(shè)計(jì)引用流量10.28m3/s。因此所選用的廊道斷面及底坡滿足設(shè)計(jì)要求。改造后底格柵剖面示意見圖4。

圖4 改造后底格柵剖面示意圖

4 改造后取水防淤效果

2012 年底錦溪流域引水堰按上述方案進(jìn)行改造，僅用48d即完成了改造工程，總投資僅為20余萬元。2013年改造完成以來，經(jīng)過了6次24h降雨量30.0mm以上的大到暴雨過程，最大1次24h降雨量為82.5mm。洪水期間，樹枝等漂浮物在縱向擋墻的作用下，大部經(jīng)攔柵頂及堰頂被沖向下游，進(jìn)水口未受絲毫堵塞;少量枝條卡在格柵，但對(duì)引水流量影響不大，洪水過后僅用少量人工很容易地完成了清除;到2014年汛前，沉沙池尚無淤積。

經(jīng)1a的運(yùn)行觀察，枯水期水流透過漿砌石擋墻的排水孔和壩頂柵孔跌落于引水廊道，能有效引至引水洞;洪水期洪水過壩時(shí)大部水流通過底格欄柵進(jìn)入引水廊道，而大顆粒砂石被擋在擋墻外，漂浮物被泄向下游河道，確保了引水隧洞進(jìn)水口在洪水期間不被淤積、堵塞，有效地達(dá)到引水和防淤積的目的。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，引水工程改造前，由于進(jìn)水口淤積、堵塞，24h降雨量達(dá)到30.0mm及以上時(shí)，堰壩壩頂就產(chǎn)生溢流，導(dǎo)致大量棄水;而改造后，在24h 60.0mm以下的降雨量，都能保證90%的水量引入進(jìn)水口。2013年05月08—10日流域降雨量79mm，與改造前一次類似的降雨過程相比，引入水庫的水量增加了60.88萬m3，發(fā)電量增加約30萬kW·h，增加的發(fā)電收入近15萬元。改造后1a增加引水量的發(fā)電收入就已收回了工程改造所需的全部投資，并且大大節(jié)省了清淤費(fèi)用，同時(shí)還消除了清淤作業(yè)過程的安全風(fēng)險(xiǎn)，工程效益顯著。

5 結(jié)語

通過底格欄柵取水技術(shù)在巖樟溪水電站跨流域引水改造工程中的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步驗(yàn)證了底格欄柵取水形式既能有效取水又能大大提高防淤、防堵塞能力的特點(diǎn)。同時(shí)，它具有造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)簡單、工期短、施工方便、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于河床較窄、水深較淺、河底縱坡較大、大顆粒推移質(zhì)及漂浮物較多、取水量比例較大的山區(qū)性河流取水工程。