金沙江烏東德水電站分層取水進(jìn)水口設(shè)計(jì)

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 樞紐設(shè)計(jì)處，湖北 武漢　430010)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，高壩水庫(kù)建成后勢(shì)必對(duì)原生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響和破壞。美國(guó)沙斯塔、餓馬和格蘭峽水電站于20世紀(jì)90年代先后進(jìn)行分層取水改建，取得成功并運(yùn)行至今[1-2]。自2007年光照水電站[3]首次采用疊梁門(mén)分層取水，國(guó)內(nèi)多座水電站(錦屏一級(jí)[4]、亭子口[5]、溪洛渡[6]、糯扎渡[7]、烏東德等)陸續(xù)采用疊梁門(mén)分層取水來(lái)緩解水庫(kù)對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的影響。本文主要對(duì)烏東德水電站進(jìn)水口分層取水設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1　工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜賓市)4個(gè)水電梯級(jí)—烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩中的最上游梯級(jí)。電站的開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和幫助移民脫貧致富[8]。水庫(kù)正常蓄水位975 m，水庫(kù)總庫(kù)容 74.34 億m3。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程988 m。發(fā)電廠房采用地下式，分設(shè)在左右兩岸山體內(nèi)，各安裝6臺(tái)單機(jī)容量850 MW水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組額定流量為 691.1 m3/s。

根據(jù)《金沙江烏東德水電站水環(huán)境影響評(píng)價(jià)專題》成果，烏東德庫(kù)區(qū)水溫呈季節(jié)性分層狀態(tài)，單層取水時(shí)平水年在2～6月、9～10月，枯水年在2～10月，豐水年在2～6月、8月存在表層溫躍層，分層現(xiàn)象較明顯。升溫期烏東德建壩后的下泄水溫升溫過(guò)程較現(xiàn)狀延遲約2～3旬。烏東德壩下(白鶴灘庫(kù)區(qū))會(huì)東縣新田、野牛坪、巧家縣蒙姑河口、金沙江巧家渡口等處存在產(chǎn)粘沉性卵魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)，魚(yú)類集中在3～6月產(chǎn)卵。低溫水下泄對(duì)魚(yú)類繁殖不利。因此，在3～6月需采用分層取水，盡可能取到上層溫水，以提高下泄水溫，盡量減少低溫水對(duì)魚(yú)類生長(zhǎng)發(fā)育的不利影響。

分層取水進(jìn)水口型式主要包括多層式、疊梁門(mén)式、翻板門(mén)式、套筒式、斜臥式等。對(duì)大中型水電工程而言，分層取水進(jìn)水口宜采用多層式或疊梁門(mén)式。鑒于多層式進(jìn)水口取水靈活性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加以參考國(guó)內(nèi)同類同等規(guī)模工程經(jīng)驗(yàn)，烏東德水電站進(jìn)水口應(yīng)采用疊梁門(mén)式。

疊梁門(mén)式分層取水進(jìn)水口水力條件復(fù)雜，疊梁門(mén)放置高度直接影響進(jìn)水口流態(tài)、水頭損失和3～6月下泄水溫的改善效果。為了驗(yàn)證烏東德疊梁門(mén)式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的合理性及其調(diào)度運(yùn)行方案的有效性，開(kāi)展了水力學(xué)物理模型試驗(yàn)研究及疊梁門(mén)采用前后下泄水溫對(duì)比數(shù)值分析。

2　疊梁門(mén)式分層取水設(shè)施設(shè)計(jì)

烏東德左右岸地下電站均采用岸塔式進(jìn)水口，與分層取水設(shè)施設(shè)計(jì)類似，以下介紹右岸地下電站疊梁門(mén)式分層取水設(shè)施設(shè)計(jì)方案。

2.1　進(jìn)水口結(jié)構(gòu)布置

進(jìn)水塔前緣寬度為204 m，均分6個(gè)寬度為34 m的單塔“一字型”并列布置，塔間設(shè)結(jié)構(gòu)縫。進(jìn)水塔順流向長(zhǎng)度為33 m，建基面高程為908 m，塔頂高程為988 m，流道底坎高程為913 m。

進(jìn)水塔順?biāo)飨蚍譃閿r污柵段、進(jìn)水倉(cāng)段、喇叭口段和閘室段，依次布置攔污柵槽、疊梁門(mén)槽(兼作備用攔污柵槽)、檢修閘門(mén)槽、事故閘門(mén)槽，疊梁門(mén)式進(jìn)水口典型剖面見(jiàn)圖1。每個(gè)單塔均布置6孔攔污柵，攔污柵單孔寬度為4 m；攔污柵墩中墩厚度為1.5 m，邊墩厚度為1.25 m，墩長(zhǎng)6 m；柵墩通過(guò)聯(lián)系梁相互連接；柵墩尾距擋水胸墻 5.9 m，柵墩與胸墻通過(guò)支撐梁連接。攔污柵頂高程同正常蓄水位為975 m，柵頂至塔頂布置攔污墻。進(jìn)水塔頂部上游側(cè)疊梁門(mén)槽與擋水胸墻間布置疊梁門(mén)門(mén)庫(kù)，門(mén)庫(kù)底高程為 977.5 m，單塔均布置6孔，每孔設(shè)6個(gè)存放門(mén)位，以滿足疊梁門(mén)和備用攔污柵的放置要求。事故閘門(mén)后設(shè)置2個(gè)直徑1.8 m的通氣孔。單塔左右兩側(cè)上下游設(shè)翼墻，上游側(cè)翼墻厚3 m，下游側(cè)翼墻厚6.3 m，中部為空腔，上游翼墻下部設(shè)連通孔，使空腔內(nèi)外平壓。

圖1　疊梁門(mén)式進(jìn)水口典型剖面

2.2　疊梁門(mén)及其啟閉設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告技術(shù)評(píng)審意見(jiàn)，進(jìn)水口疊梁門(mén)高度為40 m。當(dāng)水庫(kù)水位下降時(shí)，需隨水庫(kù)水位降低及時(shí)減少疊梁的節(jié)數(shù)，以調(diào)節(jié)疊梁門(mén)門(mén)頂高程；反之，當(dāng)水庫(kù)水位上升時(shí)，需及時(shí)增加疊梁門(mén)節(jié)數(shù)。采用疊梁門(mén)分層取水方案后，按6臺(tái)機(jī)同時(shí)發(fā)電考慮，需設(shè)疊梁門(mén)36套。根據(jù)環(huán)保對(duì)不同月份的取水要求，結(jié)合調(diào)整的靈活性，從疊梁門(mén)運(yùn)行角度和效果出發(fā)，每套疊梁門(mén)由2節(jié)8 m和6節(jié)4 m高的疊梁組成。運(yùn)行時(shí)8 m高疊梁置于底部，然后在其上放4 m高疊梁。疊梁門(mén)通過(guò)塔頂2×2000/1100/1100 kN(雙向)門(mén)式啟閉機(jī)的回轉(zhuǎn)吊啟閉，回轉(zhuǎn)吊通過(guò)自動(dòng)掛鉤梁操作疊梁門(mén)。

2.3　調(diào)度運(yùn)行方案

為減小水庫(kù)低溫水下泄對(duì)下游魚(yú)類繁殖的不利影響，每年3～6月，進(jìn)水口啟用疊梁門(mén)分層取水，其他月份不啟用。在引用水庫(kù)表層水時(shí)，為使進(jìn)水口水流平順，不出現(xiàn)有害漩渦，滿足流量要求，并保證電站安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)不同庫(kù)水位放置不同節(jié)數(shù)的疊梁。疊梁門(mén)分層取水系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行方案見(jiàn)表1。

表1　進(jìn)水口疊梁門(mén)調(diào)度運(yùn)行方案

3　疊梁門(mén)式進(jìn)水口水力物理模型試驗(yàn)

放置疊梁門(mén)分層取水時(shí)，進(jìn)水口水力特性較未使用疊梁門(mén)時(shí)有很大差別。疊梁門(mén)門(mén)頂過(guò)流類似于堰流，水流在進(jìn)水倉(cāng)內(nèi)經(jīng)過(guò)兩次90°轉(zhuǎn)彎后匯入喇叭口。為系統(tǒng)研究進(jìn)水口水力特性及其基本規(guī)律以及驗(yàn)證進(jìn)水口結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)為電站分層取水運(yùn)行操作提供指導(dǎo)，開(kāi)展了進(jìn)水口分層取水物理模型試驗(yàn)。

3.1　設(shè)　計(jì)

針對(duì)流道系統(tǒng)較短、水力條件相對(duì)較差的7號(hào)機(jī)組段，開(kāi)展了1∶30水工模型試驗(yàn)研究。水工模型試驗(yàn)?zāi)M了機(jī)組流道和進(jìn)水口前緣，主要包括部分水庫(kù)、引水渠、攔污柵結(jié)構(gòu)體、疊梁門(mén)、進(jìn)水倉(cāng)段、喇叭口段、檢修門(mén)門(mén)井、事故門(mén)門(mén)井、通氣孔、引水洞上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段及控制電站機(jī)組流量的閥門(mén)段。

3.2　條　件

水力學(xué)物理模型試驗(yàn)選取3種特征水位：死水位945 m、汛限水位952 m和正常蓄水位975 m。模型試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

表2　水力模型試驗(yàn)工況

注：水力學(xué)模型試驗(yàn)中單節(jié)疊梁高度均為4 m。

3.3　研究?jī)?nèi)容

水力學(xué)物理模型試驗(yàn)主要研究在不同特征水位下，不同疊梁門(mén)放置高度(包括不放置疊梁門(mén))對(duì)以下幾個(gè)方面的影響：①對(duì)進(jìn)水口流態(tài)的影響，重點(diǎn)關(guān)注吸氣漩渦、疊梁門(mén)門(mén)頂自由堰流等不利流態(tài)，同時(shí)確定疊梁門(mén)最大放置高度；②對(duì)疊梁門(mén)和進(jìn)水口有壓管段的時(shí)均壓力特性的影響；③對(duì)檢修門(mén)門(mén)井和快速門(mén)門(mén)井水面波動(dòng)情況的影響；④對(duì)進(jìn)口段(攔污柵墩前至隧洞進(jìn)口漸變段末端)水頭損失的影響；⑤對(duì)引水渠、疊梁門(mén)頂流速分布特性的影響，同時(shí)量測(cè)機(jī)組導(dǎo)葉突然關(guān)閉對(duì)疊粱門(mén)產(chǎn)生的附加水擊壓力。

3.4　研究成果

水力學(xué)物理模型試驗(yàn)成果表明疊梁門(mén)式分層取水進(jìn)水口體型設(shè)計(jì)合理，水流平順，滿足電站運(yùn)行要求。主要成果如下:

(1)無(wú)疊梁門(mén)時(shí)，死水位945 m運(yùn)行條件下，進(jìn)口偶見(jiàn)表面漩渦，渦心未下陷；汛限水位952 m和正常蓄水位975 m條件下，進(jìn)口水流平順。

(2)有疊粱門(mén)時(shí)，隨著疊粱節(jié)數(shù)增加，進(jìn)水倉(cāng)水面紊動(dòng)加劇，檢修門(mén)門(mén)井和事故門(mén)門(mén)井水面波動(dòng)增大，進(jìn)入流道氣泡逐漸增多。綜合考慮電站進(jìn)水口表面流態(tài)、流道氣泡、門(mén)井水位波動(dòng)以及進(jìn)口段水頭損失后得出：庫(kù)水位945 m放置1～4節(jié)疊粱時(shí)(門(mén)頂水深≥16 m)、庫(kù)水位952 m放置1～5節(jié)疊粱時(shí)(門(mén)頂水深≥19 m)、庫(kù)水位975 m放置1～10節(jié)疊粱時(shí)(門(mén)頂水深≥22 m)均不會(huì)產(chǎn)生有害漩渦流態(tài)，可滿足電站安全運(yùn)行要求。

(3)無(wú)疊梁門(mén)和有疊梁門(mén)時(shí)，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)流道段沿程時(shí)均壓力均為較大正壓，沿程時(shí)均壓力變化平緩，壓力梯度較小。隨著疊粱節(jié)數(shù)增加，進(jìn)口流道沿程壓力逐漸變小。

(4)無(wú)疊粱門(mén)時(shí)，各級(jí)特征水位下機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)檢修門(mén)門(mén)井和事故門(mén)門(mén)井水面波動(dòng)幅值均較小，約 0.09 m。隨著疊粱節(jié)數(shù)增加，門(mén)井水面波動(dòng)幅值逐漸增大，事故門(mén)門(mén)井和檢修門(mén)門(mén)井水面最大波動(dòng)幅值分別為 0.27 m和 0.33 m。

(5)無(wú)疊粱門(mén)時(shí)，庫(kù)水位在945，952m和975 m時(shí)，進(jìn)口段水頭損失相應(yīng)為 0.31 ，0.32 m和 0.34 m。有疊梁門(mén)且?guī)焖幌嗤瑫r(shí)，進(jìn)水口段總水頭損失與疊粱節(jié)數(shù)呈正比。庫(kù)水位在945 ，952m和975m時(shí)，進(jìn)口段最大水頭損失分別為1.82 ，1.51 m和1.41 m。

(6)無(wú)疊梁門(mén)時(shí)，隨著庫(kù)水位從945 m上升為975 m，各特征斷面流速分布相似，且流速平均值和最大值逐漸變小。有疊粱門(mén)時(shí)，引水渠表面流速略有增大，疊粱門(mén)斷面和進(jìn)水倉(cāng)斷面由于過(guò)流面積減小流速明顯增加。

(7)機(jī)組全部甩負(fù)荷、導(dǎo)葉9 s關(guān)閉條件下，底部疊粱所承受的附加水擊壓力大于其上部疊粱，中間墩槽疊粱門(mén)所承受附加水擊壓力大于邊墩槽疊粱門(mén)，附加水擊壓力和門(mén)井水面升高隨著庫(kù)水位上升而逐漸增加。最大附加水擊壓力為7.8×9.81 kPa，門(mén)井最大水面升高為 5.2 m。

4　疊梁門(mén)分層取水效果分析

基于未采用疊梁門(mén)的水溫預(yù)測(cè)成果，對(duì)3～6月采用疊梁門(mén)取水進(jìn)行了水溫預(yù)測(cè)，用以分析分層取水對(duì)下泄水溫的改善效果。以平水年、多年平均氣象和多年平均入庫(kù)水溫作為計(jì)算條件，采用寬度平均的立面二維水溫?cái)?shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)表1中疊梁門(mén)調(diào)度運(yùn)行方案對(duì)下泄水溫改善效果。烏東德平水年、豐水年、和枯水年疊梁門(mén)取水與單層取水的下泄水溫比較見(jiàn)表3～5。

表3　平水年疊梁門(mén)取水與單層取水的下泄水溫比較　℃

表4　豐水年疊梁門(mén)取水與單層取水的下泄水溫比較　℃

表5　枯水年疊梁門(mén)取水與單層取水的下泄水溫比較　℃

由表3～5可知，在疊梁門(mén)啟用期間，3～5月水電站下泄水溫較單層取水時(shí)提高 0.5～1.1℃，有一定程度的改善效果。6月疊梁門(mén)的運(yùn)行并無(wú)效果，一方面是由于3～5月疊梁門(mén)方案盡量取用表層溫水后，庫(kù)區(qū)水溫較單層取水方案明顯偏低，在6月降水位過(guò)程中疊梁門(mén)逐節(jié)被提起，被疊梁門(mén)阻擋的庫(kù)區(qū)冷水被引用，造成下泄水溫的降低；另一方面疊梁節(jié)數(shù)的減少和汛期流量加大均會(huì)使疊梁門(mén)的改善效果減弱。但若6月不采用疊梁門(mén)，則可能導(dǎo)致庫(kù)區(qū)低溫水的瞬時(shí)大量泄放，低溫水現(xiàn)象將更為顯著。采用疊梁門(mén)分層取水后，3～6月仍存在一定的低溫水現(xiàn)象，下泄水溫較現(xiàn)狀水溫偏低 0.5～1.0℃。從水溫改善效果的角度分析，疊梁門(mén)分層取水方案在一定程度上減輕了低溫水的負(fù)面影響。

5　結(jié)　語(yǔ)

與單層進(jìn)水口相比，疊梁門(mén)式分層取水進(jìn)水口增加了一道疊梁門(mén)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)布置難度增加，水力特性更加復(fù)雜。疊梁門(mén)放置高度直接影響進(jìn)水口流態(tài)，疊梁門(mén)調(diào)度運(yùn)行方案對(duì)下泄水溫改善效果影響較大。針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)展了疊梁門(mén)式進(jìn)水口水力學(xué)物理模型試驗(yàn)和疊梁門(mén)分層取水效果數(shù)值分析。分析研究表明：烏東德水電站疊梁門(mén)分層取水設(shè)施布置簡(jiǎn)單，對(duì)樞紐布置影響??；采用表2疊梁門(mén)調(diào)度運(yùn)行方案時(shí)，進(jìn)水口水流順暢，流態(tài)平穩(wěn)，在3～5月能一定程度地提高下泄水溫，在6月能有效地阻擋低溫水下泄，能一定程度地緩解3～6月低溫水下泄對(duì)下游魚(yú)類產(chǎn)卵的不利影響。

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