石頭河壩后電站生態(tài)泄流系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

屈萬(wàn)林

(陜西省石頭河水庫(kù)灌溉中心，陜西?咸陽(yáng)?712000)

1 概 述

石頭河壩后電站為壩后引水式電站，位于石頭河大壩右壩腳，是石頭河水庫(kù)樞紐的重要組成部分，總裝機(jī)容量18 500 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量5 600萬(wàn)kW·h。作為綜合利用型水庫(kù)樞紐電站，多年來(lái)，石頭河水庫(kù)利用電站基荷機(jī)組有效保障大壩下游生態(tài)需水要求，生態(tài)下泄量由實(shí)測(cè)資料發(fā)電量換算獲得，庫(kù)區(qū)及石頭河下游河道水質(zhì)、水生及陸生生態(tài)良好，2017年獲安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化二級(jí)認(rèn)證，2019年通過(guò)水利部綠色小水電站示范站驗(yàn)收。為了落實(shí)秦嶺區(qū)域小水電整治措施，滿足生態(tài)泄流新的要求，2021年7月份，結(jié)合實(shí)際科學(xué)選點(diǎn)，設(shè)計(jì)建設(shè)生態(tài)泄流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 總體要求

按照《小水電站生態(tài)流量監(jiān)管軟件技術(shù)指導(dǎo)意見(jiàn)》技術(shù)規(guī)范要求，采取工程措施，使用可精確測(cè)量的超聲波流量計(jì)，完成壩后生態(tài)流量下泄數(shù)據(jù)測(cè)量、采集和監(jiān)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)壩后電站生態(tài)泄流監(jiān)測(cè)軟件，集成流量采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行后臺(tái)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端上級(jí)監(jiān)管軟件的傳輸對(duì)接。

3 現(xiàn)場(chǎng)條件

石頭河壩后電站發(fā)電消能后尾水直接進(jìn)入總干渠，通過(guò)總干渠首調(diào)配灌溉和城市供水，可通過(guò)將軍溝、眉惠渠首、常家莊3處退水閘將水退入石頭河，進(jìn)行生態(tài)流量泄放；3處退水閘室具備控制條件，退水均進(jìn)入石頭河河道。

4 泄流方案及計(jì)算

(1)本次生態(tài)泄流泄水口的選定遵循保證足量生態(tài)流量下泄，盡量靠近石頭河大壩，入河段流態(tài)好，現(xiàn)有工程設(shè)施滿足使用，盡量減少投資，易于電站監(jiān)測(cè)管理的原則。在總干渠第一個(gè)退水口將軍溝與石頭河交匯處水流相對(duì)比較平緩，具備測(cè)流條件處；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)原有退水閘進(jìn)行改造，使退水閘兼做生態(tài)放水口。

(2)退水閘閘門凈尺寸2.5 m×6.75 m(寬×高)，配備閘門啟閉機(jī)，閘室供電正常，設(shè)施工作正常。閘門底板高程706.87 m，取水口底板高程707.352 m，閘頂高程713.62 m，正常水位712.737 m，所需生態(tài)流量為1.0 m3/s。退水閘改造方案為：在退水閘螺桿底部安裝限位裝置，使閘門預(yù)留一定的開(kāi)度，從而保證生態(tài)流量下泄。

(3)泄流量計(jì)算。單孔閘門流量的計(jì)算公式為(見(jiàn)圖1)：

μ=0.615-0.20e/H

式中，Qi為第i孔閘門的泄流量(m3/s)；μ為流量系數(shù);b為閘門寬度(m)；e為閘門開(kāi)度(m)；g為重力加速度(常數(shù)：9.8 m/s2)；h為閘前水深(閘前水面到閘門底坎的水深，m)；H為上游海拔水位—閘門底坎海拔高程。

(4)泄流量計(jì)算成果。泄水閘閘門凈尺寸2.5 m×6.75 m(寬×高)，正常水深5.5 m(渠道堰頂至閘底高度)，根據(jù)單孔閘門流量計(jì)算公式計(jì)算得閘門開(kāi)度～泄流量關(guān)系(見(jiàn)表1)，選用生態(tài)流量放水口尺寸為2.5 m×0.06 m(寬×高)。當(dāng)開(kāi)度大于等于0.06 m時(shí)，下泄生態(tài)基流量能大于1.0 m3/s,擬在閘門螺桿底部安裝限位卡環(huán)， 尺寸為：h×b×d(63 mm×40 mm×4.8 mm)，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表1 閘門開(kāi)度～泄流量關(guān)系

5 監(jiān)測(cè)方案

5.1 監(jiān)測(cè)思路

石頭河壩后電站將軍溝退水通過(guò)自流的方式流入石頭河，河道不規(guī)則，最寬度達(dá)到9 m左右，且水流湍急，兩邊河道陡峭，采用渠道下泄式方式監(jiān)測(cè)修筑難度大。因此，不利用現(xiàn)有條件加裝傳感器，選定在將軍溝匯入點(diǎn)采用管道式流量計(jì)對(duì)其進(jìn)行流量校核監(jiān)測(cè)，使用攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用遙測(cè)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集集成；同步建設(shè)壩后電站生態(tài)泄流遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)，按規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)水電站下泄流量監(jiān)測(cè)。預(yù)留與政府監(jiān)控平臺(tái)的對(duì)接，確保生態(tài)流數(shù)據(jù)真實(shí)、完整和連續(xù)，為生態(tài)流量泄放調(diào)度管理和主管部門監(jiān)督提供支持。

5.2 斷面要求

在將軍溝與石頭河流交匯處水流相對(duì)比較平緩處，借助將軍石，建設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形攔水?dāng)嗝?，長(zhǎng)度8 m，寬度3.5 m，高度1.6 m；堰體采用“梯形”結(jié)構(gòu),高度1.4 m，長(zhǎng)度3.8 m，上寬3.5 m，底寬6.0 m；整體采用C25混凝土進(jìn)行澆筑，墻體厚度0.4 m，埋深度0.3 m至清理出的山體基巖，保證堰體穩(wěn)定。

5.3 流量監(jiān)測(cè)

下泄流量采用管道式流量計(jì)監(jiān)測(cè)計(jì)量的方式，在滿足流量1～1.5 m3/s的生態(tài)流量情況下，使用20號(hào)碳鋼卷制直徑0.6 m、長(zhǎng)度12.0 m的管道，預(yù)埋于堰下。管道末端焊接彎頭，保證管道總處于滿管狀態(tài)，在離末端2.0 m左右安裝防護(hù)等級(jí)為IP68的雙聲道超聲波流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。在入河河堤正對(duì)堰體處栽塔桿裝設(shè)監(jiān)視攝像頭，進(jìn)行生態(tài)泄流實(shí)像監(jiān)視。在塔桿上掛置遙測(cè)終端機(jī)作為現(xiàn)地管理智能工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)和視頻的采集和集成。在壩后樞紐變電站控制室安裝監(jiān)控電腦，布設(shè)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)端的監(jiān)視和管理；可從遙測(cè)終端機(jī)和監(jiān)控電腦同時(shí)向上級(jí)監(jiān)管部門傳送泄流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和集成的圖像和視頻。

5.4 硬件連接及系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

硬件連接及系統(tǒng)拓?fù)淙缦滤?見(jiàn)圖2、圖3)。

5.5 監(jiān)測(cè)軟件

石頭河壩后電站生態(tài)泄流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用易于業(yè)務(wù)整合的SOA面向服務(wù)的架構(gòu)，使用J2EE技術(shù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)將前臺(tái)展示、中間業(yè)務(wù)層邏輯和后端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相分離的思想，支持軟件的多層框架。監(jiān)測(cè)軟件作為生態(tài)流量監(jiān)測(cè)一個(gè)可視化的工具，可以實(shí)時(shí)查看生態(tài)流量數(shù)據(jù)、視頻圖片數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歷史存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)端上級(jí)監(jiān)管軟件的傳輸對(duì)接，為業(yè)務(wù)管理工作提供及時(shí)準(zhǔn)確的支持和服務(wù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

2021年8月底，石頭河壩后電站生態(tài)泄流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成投用后，運(yùn)行狀態(tài)良好，真實(shí)記錄了電站生態(tài)泄流狀況，為監(jiān)管提供了可看、可查、可調(diào)的影像和數(shù)據(jù)資料，通過(guò)了各級(jí)驗(yàn)收，積累了管理經(jīng)驗(yàn)。