科洛河水電站引水系統(tǒng)設計

王洪波

(黑龍江大學建筑工程學院，哈爾濱 150080)

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

1.1.1 流域概況

科洛河發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山，由北向南流經(jīng)黑龍江、內(nèi)蒙古和吉林三省(區(qū))的五個地市，在三岔河匯入松花江[1]，控制流域面積6.64萬km2。全長1370 km，流域面積29.7×104m2。河道平均比降在3‰以上。

1.1.2 水文氣象概況

科洛河流域?qū)俸疁貛Ъ撅L氣候區(qū)，冬季寒冷，并且十分干燥；春季干燥多風，蒸發(fā)量較大；夏季天氣炎熱多雨。流域多年平均降水量400-500mm，壩址附近多年平均降水量474mm，最大降水量767.4mm，最小降水量296.2mm，降水年內(nèi)分布不均勻，主要集中在6-9月，其中7-8月雨量更為集中，冬季降水較少?？坡搴恿饔蚩坡搴诱灸昶骄鶜鉁?.5℃，氣溫年內(nèi)變化大，年內(nèi)最高氣溫一般出現(xiàn)在7月，極端最高氣溫39.5℃，最低氣溫一般出現(xiàn)在1月，極端最低氣溫達-40.4℃。地面風向以NE-NW主為，年平均風速3.30m/s，極端最大風速25m/s，多年平均最大風速17.7m/s，風向NW(吹向主壩)，有效吹程6km。

1.1.3 年徑流及洪水

阿彥淺水文站位于壩址以上32km，集水面積65439km2，占壩址以上集水面積的98.6%，為科洛河工程設計依據(jù)；富拉爾基水文站位于齊齊哈爾市下游30Km，集水面積123911km2，是科洛河流域系列最長的測站，對齊齊哈爾市的防洪設計具有重要意義。因此選取阿彥淺站和富拉爾基站的徑流、洪水系列進行插補延長，使其具有1898年-1998年共101年的徑流系列及、1905年-1998年共94年的洪水系列。

科洛河壩址集水面積僅比阿彥淺大1.4%，并且阿彥淺至壩址區(qū)間無支流匯入，因此，壩址年徑流直接采用阿彥淺站年徑流結(jié)果。壩址處多年平均流量為332m3/s，多年平均徑流量為104.7×108m3，徑流年內(nèi)分配不均勻，年徑流量主要集中在6月-9月，占年徑流量的70%左右?？坡搴恿饔虻膹搅髦饕獊碓从诮邓a給，其年內(nèi)分配與降水的年內(nèi)分配基本一致。其中阿彥淺、富拉爾基水文站的年徑流參數(shù)見表1；阿彥淺站徑流年內(nèi)分配成果見表2。

表1 阿彥淺、富拉爾基站年徑流參數(shù)成果表

表2 阿彥淺站徑流年內(nèi)分配成果表

科洛河水電站工程位于科洛河干流中游，流域洪水主要由暴雨形成，多數(shù)年份洪峰為2-3次，主峰一般在7-8月，一次洪水過程可達30d，主要洪水量集中在15d內(nèi)。工程以1000a一遇設計洪水為標準，上游庫水位218.15m，下泄流量為15000m3/s；校核洪水位為219.90m，相應下泄流量為20300m3/s。其中阿彥淺、富拉爾基站設計洪水參數(shù)見表3。

表3 阿彥淺、富拉爾基站設計洪水參數(shù)及成果表

本次采用1998年實測大暴雨資料，對科洛河可能最大暴雨進行復核，科洛河3天可能最大暴雨為187.3mm，較復核前(180mm)大4%，十五天可能最大暴雨為367.5mm，較復核前(343mm)大7%。依據(jù)阿彥基站1969年、1988年典型洪水過程線，推求出綜合經(jīng)驗單位線，求得科洛河可能最大洪水過程線[2]，其洪峰流量為24900m3/s,較復核前(23600 m3/s,)大5.5%，較萬年一遇洪水大23.3%；可能最大洪水的三十天洪量為258×108m3，較復核前(247×108m3)大4.4%，較萬年一遇洪量大9.8%。

1.2 水庫工程地質(zhì)條件

1.2.1 水庫滲漏

阿彥淺以上為高丘陵區(qū)，兩岸山體寬厚，無單薄或低矮水分嶺，多由微弱透的巖層組成，地下水位高程在220-240m左右，高于水庫正常蓄水位。阿彥淺以下河谷開闊，兩岸山體低矮，右岸為低丘陵區(qū)，左岸為二級侵蝕堆積階地，與嶺谷相距約10-25km,基巖透水性微弱，且在基巖之上都有5-20余米的黏性土覆蓋，其透水性微弱。在壩址左岸的長江屯附近，有一低矮平緩埡口，寬度約1200m，地面最低高度223.1m。表部為黃土狀壤土、黃土狀黏土，厚度達到40m，透水性微弱，基巖為非透水巖石，因此不存在滲漏問題。

1.2.3 庫岸穩(wěn)定

庫岸地形平緩，岸坡多較穩(wěn)定，局部陡壁，塌岸數(shù)量有限。但應充分考慮水庫周邊耕地，長期受庫水沖刷，庫岸不斷再造，對耕地不斷破壞所造成的不利影響。

2 樞紐布置

科洛河壩壩址谷底及兩岸松散沉積層較厚，適宜修建土石壩。谷底強透水的砂卵礫石層、基巖表部的強透水帶和右岸松散沉積層中的中強透水夾層等均需防滲處理。壩址河谷左右側(cè)掩埋基座階地處，松散沉積層較薄，基巖面較高，基巖完整性較差，但巖石堅硬，經(jīng)處理后建造中等高度的混凝土建筑物是可行的。右岸近岸松散覆蓋層相對較薄，基巖弱風化帶上中部完整性較差，但巖石堅硬，經(jīng)防滲處理后，布設溢洪道是適宜的；左岸灌溉輸水管建于全風化基巖上，其承載力和沉陷變形均可滿足要求；右岸灌溉輸水洞洞頂巖體單薄，圍巖穩(wěn)定性較差，需進行永久支護[3]。

根據(jù)工程具體條件，河谷主壩擬定了三種防滲型式，即瀝青混凝土心墻、黏土心墻、瀝青混凝土斜墻；兩岸副壩的防滲型式擬定了黏土心墻和黏土斜墻兩種，主副壩組合了三種方案進行比選。

經(jīng)比較選擇3方案如下：

1)方案1：主壩為瀝青混凝土心墻壩，副壩為黏土心墻壩

2)方案2：主副壩均為黏土心墻壩。

3)方案3：主壩為瀝青混凝土斜墻壩，副壩為黏土斜墻壩。

3種方案均采用右岸岸坡溢洪道，右岸河床式電站廠房和底孔的樞紐布置方案。

經(jīng)過對比選擇方案3。

3 引水系統(tǒng)設計

3.1 進水口設計

3.1.1 進水口型式

按照水流條件，水電站的進水口分為有壓進水口和無壓進水口兩大類。有壓進水口適用于壩式、有壓引水式、混合式水電站；無壓進水口適用于無壓引水式電站。該電站為混合式水電站，進水口為有壓進水口。有壓進水口的特征是：進水口高程設在水庫死水位以下，以引進深層水為主，整個進水口處于有壓狀態(tài)，其后接有有壓隧洞或壓力管道。該電站為混合式水電站，根據(jù)基本資料的地質(zhì)、地形條件選用隧洞式進水口[4]。

3.1.2 有壓進水口底板高程

有壓進水口頂部高程應保證在上游最低運行水位時仍有足夠的淹沒深度，以進水口前不會出現(xiàn)漏斗式吸氣旋渦為原則。避免進水口出現(xiàn)吸氣漏氣和旋渦的臨界淹沒深度為：

(1)

Q=4Qmax

(2)

(3)

(4)

S閘=B×H

(5)

式中：H為閘門孔口凈高，m；v為閘門斷面平均流速，m/s；C淹沒系數(shù)，對稱進水取0.55；S代表閘門頂?shù)陀谧畹退坏呐R界淹沒深度，m；Q為四臺機組所需要的流量，已確定的最大流量Qmax取344.61m3/s；S洞代表有壓引水道過水面積；V洞為有壓隧洞經(jīng)濟流速取135.8m/s；D為經(jīng)濟直徑；S閘為閘門斷面面積；對于閘門斷面一般取矩形斷面，其高度H一般等于或稍大于引水道直徑，故可取H=4.0m，寬度等于或稍小于引水道直徑，可取B=0.9×3.6=3.24m。

整個閘門段的S閘/S洞，即過水斷面面積與后接的引水道面積之比為1.28。

(6)

式中：S為臨界淹沒深度，取C=0.55，有壓隧洞經(jīng)濟流速V洞=135.8m/s，整個閘門段過水斷面取后接的引水道面積的1.2倍，即1.1m3，則閘門斷面平均流速為123.45m/s。

因此，對于進口頂部與底部高程有：

H頂=H死-S

(7)

H底=H頂-H

(8)

式中：H頂為進口頂部高程；H底為進口底部高程；H死為水庫死水位195m。

計算結(jié)果是進口頂部高程為59.2m，進口底部高程為173.66m。

3.1.3 有壓進水口輪廓尺寸

1)進水口的輪廓尺寸主要受攔污柵斷面、閘門斷面和隧洞過水斷面這三個斷面控制。且一般為平底，上收縮曲線一般為1/4橢圓曲線，其方程為：

(9)

式中：取a=4.0，b=2.0，因此進口段上唇收縮橢圓曲線為：

(10)

2)閘門段是進口段和漸變段的連接段，通常設計為橫斷面為矩形的水平段。

3)漸變段是矩形閘門與圓形隧洞的過渡段，采用圓角過渡段，圓角半徑r按直線規(guī)律從0變?yōu)樗矶窗霃絉計算漸變段長度。

(11)

式中：L為漸變段長度；D為經(jīng)濟直徑漸變段的長度一般為隧洞直徑的1.5-2.0倍，側(cè)面收縮角以6°-8°為宜，一般不超過10°，這里取i=7°。計算得到漸變段長度為16.29m。

3.2 引水隧洞線路的布置

引水隧洞選線是隧洞設計的關鍵問題，它直接關系到圍巖的整體穩(wěn)定、工程造價、施工工期和運行的安全。隧洞軸線的布置應綜合考慮以下因素[5]：

1)隧洞軸線線路短、彎道少；

2)盡量避免相鄰建筑物的不利影響；

3)與地址構(gòu)造成較大交角；

4)滿足最小覆蓋厚度要求；

5)水流條件較好，水頭損失??；

6)便于施工支洞的布置；

7)便于調(diào)壓井的布置。

綜合考慮的水文資料與工程地質(zhì)因素以及樞紐布局，引水隧洞布置在右岸壩頭外，進口漸變段長16.29m，圓形隧洞段長233.9m，內(nèi)徑D=3.6m。閘門輸水洞長482.38m，包括閘后漸變段，圓形隧洞段和弧形門前漸變段。

4 結(jié) 論

該設計滿足規(guī)范要求，投資經(jīng)濟合理，社會效益顯著。