隔水幕墻在水電站低溫水治理中的應(yīng)用

薛聯(lián)芳，孫平玉，馮云海，顏劍波

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙 410014)

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隔水幕墻在水電站低溫水治理中的應(yīng)用

薛聯(lián)芳1，孫平玉2，馮云海2，顏劍波2

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙 410014)

已建調(diào)節(jié)性能好的水庫普遍存在下泄低溫水問題，影響下游生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)治理措施需大幅降低水庫水位或放空水庫以修建分層取水建筑物，影響電站正常發(fā)電。隔水幕墻取水是改善電站下泄低溫水的新措施，不僅適用于已建水庫工程，也適用于擬建水庫工程。通過介紹其工作原理，并對隔水幕墻的工程應(yīng)用效果進(jìn)行數(shù)值分析，證明隔水幕墻取水技術(shù)能夠有效改善下泄水溫，可為我國今后類似水電工程低溫水治理提供借鑒。

隔水幕墻；分層取水；下泄水溫；數(shù)值模擬

調(diào)節(jié)性能好的水庫會形成巨大的停滯水域，改變水體和大氣之間原有的能量交換規(guī)律，導(dǎo)致水庫蓄水后庫區(qū)水溫具有明顯的沿深度變化的特點(diǎn)，表層水溫和底層水溫相差很大[1-2]。常規(guī)電站大多采用傳統(tǒng)底層取水方式，下泄水溫較低，容易對下游河道的生態(tài)環(huán)境、兩岸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生物多樣性造成不利影響。

進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(nèi)高壩大庫不斷增多，水庫下泄水溫低問題得到普遍重視，減緩下泄低溫水的影響成為調(diào)節(jié)性能好的水電工程亟待解決的主要環(huán)保問題。目前，工程上對水電站下泄低溫水的防治主要采取多層取水口取水、浮式管型取水口取水、溢流式(疊梁門)分層取水等措施[3]。這些措施僅局限于在建或未建工程，對已運(yùn)行的水庫，由于需要大幅降低水庫水位或放空水庫而不適用。

針對已運(yùn)行水庫，為實(shí)現(xiàn)既提高下泄水溫又不損失電站發(fā)電量的目標(biāo)，本文在水電站進(jìn)水口分層取水研究的基礎(chǔ)上，借鑒海岸圩田淤泥阻隔及漁網(wǎng)漁具的設(shè)計(jì)原理和方法，提出了一種新穎的改善下泄低溫水的取水技術(shù)，并通過數(shù)值模擬研究驗(yàn)證了其實(shí)施效果。

1 隔水幕墻取水方案

1.1 隔水幕墻原理

調(diào)節(jié)性能好的水庫運(yùn)行后，庫區(qū)水溫形成顯著的穩(wěn)定分層，沿水深方向分為表層、溫躍層和底層。表層水與空氣直接接觸，水溫隨氣溫變化明顯，層內(nèi)水溫互相摻混，初夏季節(jié)水溫相對較高；溫躍層介于表層和底層之間，溫度自上到下呈梯度變化；底層全年基本處于較低溫度。根據(jù)水庫水溫垂向分層分布特點(diǎn)，在壩前某一位置一定深度以下建設(shè)不透水柔性隔水幕墻，有效隔斷部分溫躍層和底層的水體流向進(jìn)水口，將溫躍層和底層低溫水隔擋在隔水幕墻前，表層溫度較高水體則加速流向進(jìn)水口，達(dá)到選擇性分層取水的目的。同時(shí)，在電站進(jìn)水口泄流的帶動(dòng)下，隔水幕墻下游水體在垂向擴(kuò)散，加速熱交換，打破原有水溫垂向分層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)提高下泄水溫的目的。

1.2 隔水幕墻整體結(jié)構(gòu)

隔水幕墻整體結(jié)構(gòu)采用底部錨固、頂部懸浮、兩端固定的結(jié)構(gòu)形式，由固定裝置、浮力系統(tǒng)和墻體結(jié)構(gòu)組成。

(1)固定裝置。隔水幕墻固定裝置包括底部錨固基礎(chǔ)和兩岸控制塔。固定裝置的作用主要是防止水流沖擊時(shí)，隔水幕墻發(fā)生任何整體位移，對隔水幕墻工程的安全至關(guān)重要。底部錨固基礎(chǔ)采用沉箱形式，由鋼筋混凝土澆制而成，錨固于庫底作為支點(diǎn)?？刂扑ㄔO(shè)于兩岸，是隔水幕墻工程主要的受力支柱，承受著整個(gè)幕墻上的總荷載。

(2)浮力系統(tǒng)。浮力系統(tǒng)由一系列聚苯乙烯、聚亞安酯或其他類型泡沫材料制成的球形或圓柱形結(jié)構(gòu)組成。浮力系統(tǒng)可根據(jù)水位變化自動(dòng)調(diào)整隔水幕墻高程位置，避免了人工升降隔水幕墻的繁雜操作。

(3)墻體結(jié)構(gòu)。隔水幕墻墻體結(jié)構(gòu)主要包括幕布、上綱、下綱、拉索和沉子。幕布采用聚酯、聚丙酯等不透水合成材料制作，作為主要隔水體，承受水壓力荷載。上綱采用迪尼瑪繩，兩端張拉于兩岸控制塔，與幕布頂部固定連接，將作用于幕布上的荷載傳遞至兩岸控制塔。下綱采用鋼纜繩，兩端固定于兩岸控制塔，與幕布底部搭接，沉于水底，起配重鏈作用，防止底部幕布浮起。錨固基礎(chǔ)與浮力系統(tǒng)之間通過拉索張拉，形成隔水幕墻的基本骨架，幕布固定于拉索上，幕墻墻體以拋物面形式懸浮于水中。此外，在上綱懸掛一系列分布均勻、重量合適的沉子，從而防止幕布漂起。

2 隔水幕墻工程應(yīng)用研究

2.1 水庫概況

以國內(nèi)某水庫為例，該水庫最大壩高185.5 m，壩址控制流域面積11 051 km2，年徑流量75.69億m3，水庫正常蓄水位475 m，相應(yīng)庫容37.48億m3，總庫容40.94億m3，死水位425 m，有效庫容26.16億m3，引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口底板高程408 m，具有多年調(diào)節(jié)性能，屬于典型的高壩大庫。經(jīng)過多年現(xiàn)場實(shí)地水溫監(jiān)測，獲得該水庫全年水溫垂向分布，如圖1所示。

圖1 水庫水溫垂向分布Fig.1 The vertical distribution of water temperature in the reservoir

由圖1可知，水庫水溫垂向分布呈現(xiàn)明顯的穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)。表層，水深5 m以上，水溫隨季節(jié)變化明顯，層內(nèi)水溫基本相同；溫躍層，水深5～80 m，自上到下水溫連續(xù)變化；底層，水深80 m以下，水溫全年基本恒定在8～10℃。

2.2 隔水幕墻整體布置

(1)斷面位置選擇。隔水幕墻斷面位置的選擇主要考慮地形地質(zhì)條件、改善水溫效果和工程施工難度等因素：為方便隔水幕墻的安裝，盡量選擇跨度狹小的斷面；避開養(yǎng)殖區(qū)域、碼頭及船只運(yùn)輸密集區(qū)；為更好地發(fā)揮隔水幕墻改善下泄水溫的效果，隔水幕墻與進(jìn)水口的距離盡量近；兩岸地形地質(zhì)條件滿足修建施工進(jìn)場道路、施工平臺和控制塔的要求。

現(xiàn)場查勘后，擬在壩前1.15 km位置建設(shè)隔水幕墻，該斷面地形處于喇叭口位置，跨度最為狹小，距離進(jìn)水口近，水下無漁網(wǎng)等障礙，兩岸地質(zhì)條件較好，是建設(shè)隔水幕墻的最優(yōu)位置。

(2)隔水幕墻高程布置。隔水幕墻高程是決定擋水面積的主要依據(jù)，隔水幕墻擋水面積既要滿足有效提高水溫的要求，還要滿足電站發(fā)電過流的能力。

根據(jù)水庫正常蓄水位和水溫垂向分布規(guī)律，擬定隔水幕墻頂部高程位于水下30 m，攔截部分溫躍層和底層低溫水，即隔水幕墻頂部高程為445 m，跨度308 m；底部沉于庫底，隔水幕墻高度為124 m；隔水幕墻隔水面積2.1萬m2。

(3)隔水幕墻結(jié)構(gòu)形式。隔水幕墻結(jié)構(gòu)如圖2所示，上綱和下綱兩端固定于兩岸控制塔，浮力系統(tǒng)和錨固基礎(chǔ)之間張拉拉索構(gòu)成基本骨架，上綱、下綱以及拉索間縫合幕布形成墻面。

圖2 隔水幕墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structural diagram of water retaining curtain wall

2.3 隔水幕墻效果分析

(1)模型建立。利用Flow-3D軟件建立水庫壩前長1.53 km、寬1.26 km水域三維水流和水溫分層模型。模擬水位采用水庫正常蓄水位475 m，下泄流量按電站發(fā)電滿發(fā)流量870 m3/s控制，隔水幕墻設(shè)置在壩前1.15 km，頂部上綱位于水下30 m，對應(yīng)高程為445 m。溫度場采用電站下游魚類產(chǎn)卵集中的5月份的水溫場。

(2)模擬結(jié)果。隔水幕墻實(shí)施前后壩前水域水溫垂向分布如圖3所示。由圖3可知，表層和底層水體溫度變化不大，模型壩前水域垂向水溫分布與實(shí)際情況匹配良好。

圖3 隔水幕墻實(shí)施前后壩前水域水溫垂向分布Fig.3 The vertical distribution of water temperature of the water area in front of the dam before and after the construction of water retaining curtain wall

由于隔水幕墻的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了分層取水，表層高溫水體流向進(jìn)水口。同時(shí)，隔水幕墻實(shí)施后，過流斷面減小，表層水體流速增大，加快了幕墻下游水體的混合擴(kuò)散和熱交換作用。隨著時(shí)間的積累，壩前水溫結(jié)構(gòu)變?yōu)楹袃蓚€(gè)溫躍層的五層穩(wěn)定分布結(jié)構(gòu)。底層365～390 m高程分裂出一個(gè)下溫躍層，實(shí)現(xiàn)了水溫的一次躍遷；395～435 m高程變?yōu)楹銣貙?，水溫較

幕墻實(shí)施前得到一定提高。從圖3中可見，取水口底板高程408 m附近水體溫度顯著提高，隔水幕墻實(shí)施前下泄水溫為15.8℃，實(shí)施后下泄模擬水溫為18.7℃，提高了2.9℃，說明隔水幕墻能夠有效改善水溫分層導(dǎo)致的下泄低溫水情況。

3 工程應(yīng)用前景

水溫是水庫水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，也是生態(tài)環(huán)境的重要影響因素。水電站的建設(shè)在一定程度上改變了天然河流的水溫分布，對水生生態(tài)尤其是魚類產(chǎn)生不利影響。出于環(huán)保要求，有必要采用適當(dāng)措施提高下泄水溫，降低對水生生物的不利影響。

目前，隔水幕墻取水措施在國內(nèi)外尚無工程參考。作為針對常規(guī)設(shè)計(jì)底層取水的已建電站下泄低溫水問題提出的一種全新治理思路，隔水幕墻取水措施能夠有效提高下泄水溫，具有投資少、施工方便和不損失電量的優(yōu)點(diǎn)。若能成功實(shí)施，將打破傳統(tǒng)的低溫水防治思路，促進(jìn)水電開發(fā)與水生生態(tài)環(huán)境保護(hù)的和諧共進(jìn)，有助于水電工程的可持續(xù)健康發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 吳莉莉, 王惠民, 吳時(shí)強(qiáng). 水庫水溫分層及其改善措施[J]. 水電站設(shè)計(jì), 2007, 23(3) : 97- 99.

[2] 吳中如, 吉肇泰. 壩前水庫水溫的變化規(guī)律和預(yù)測研究[J]. 水力發(fā)電, 1984(4): 33- 41.

[3] 薛聯(lián)芳, 顧洪賓, 馮云海. 減緩水電工程水溫影響的調(diào)控措施與建議[J]. 環(huán)境影響評價(jià), 2016, 38(3): 5- 8.

Application of Water Retaining Curtain Wall to Solve the Problem Caused by Released Water Low Temperature for Hydroelectric Stations

XUE Lian-fang1, SUN Ping-yu2, FENG Yun-hai2, YAN Jian-bo2

(1.China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2.Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

The problem caused by the released water low temperature was ubiquitous in large existing reservoirs, and had impact on downstream ecological environment. The traditional control measures were dramatically lowering the water level or emptying the reservoir in order to build water intake structure, but these measures were not conducive for the power plant to generate electricity. This paper put forward a new measure of water retaining curtain wall to solve the problem caused by the released water low temperature for the existing hydroelectric stations. This curtain wall applies not only to the existing reservoirs, but also to the unbuilt reservoirs. By introducing its operational principle and implementing numerical analysis, it demonstrated that the application of water retaining curtain wall can effectively improve the temperature of the released water. It can provide a reference for similar hydropower projects in the future.

water retaining curtain wall; water intake; released water temperature; numerical simulation

2016-02-27

薛聯(lián)芳(1964—)，男，湖南長沙人，教授級高級工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榈蜏厮绊?，E-mail：101512446@qq.com

孫平玉(1987—)，男，安徽滁州人，工程師，碩士，研究方向?yàn)橥聊九c環(huán)境工程，E-mail：291088601@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.06.014

X143；TV697.1

A

2095-6444(2016)06-0053-03