老撾南俄4水電站生態(tài)放流裝置設計

胡小光，陳子華

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

為確保下游生態(tài)用水不斷流，通過水電站下泄一定流量保證下游生態(tài)流量需求的過程稱為生態(tài)放流。生態(tài)放流是維持下游河流生態(tài)功能的基本途徑，是河流生態(tài)系統(tǒng)的一項重要指標。為維持下游水生態(tài)系統(tǒng)的平衡和持續(xù)發(fā)展，在水電站建設時考慮設置相應的生態(tài)放流系統(tǒng)已成為國家環(huán)保部門的硬性要求。

水電站傳統(tǒng)的生態(tài)放流裝置設計是在相應水位區(qū)間專門增設生態(tài)放流孔和閘門，通過閘門長期局部開啟或全部開啟進行泄流。王友春[1]提出了利用閘門局部限位開啟，通過閘底泄流保證下泄生態(tài)流量的方法。劉元海等[2]介紹了通過控制沖沙閘開啟度，使其在2～4 cm之間變化，實現(xiàn)下放基流的方法。這種方法簡單直觀，但閘門運行頻繁。閘門開啟時出水斷面流速大，流態(tài)紊亂，閘門振動大，水流長期沖刷堰頂和側(cè)墻，對建筑物的結(jié)構(gòu)設計和閘門啟閉機配置均有較高要求，且很難精準控制下泄流量。

為解決上述問題，本文提出在底孔工作閘門結(jié)構(gòu)上設置生態(tài)放流裝置的方案[3]，即在閘門門葉上安裝電動閥門，利用閥門的自動調(diào)節(jié)流量功能，通過長期局部開啟閥門控制水流達到下放生態(tài)流量的目的。

1 項目概況

南俄4水電站位于老撾境內(nèi)湄公河左岸的一級支流南俄河，該電站采用混合式開發(fā)方式，裝機容量240 MW，主要建筑物由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐3個部分組成。其中，底孔泄洪建筑物位于溢流表孔右岸，由1孔2.0 m×2.2 m底孔弧形工作閘構(gòu)成，閘門設計水頭為40 m，支鉸為圓柱鉸，支臂為直支臂，門葉結(jié)構(gòu)為雙主橫梁。閘門操作條件為動水啟閉，全開全關，原主要功能為水庫放空和進水口檢修維護。

2 裝置設計及實施

2.1 方案比選

根據(jù)南俄4水電站建筑物結(jié)構(gòu)布置，工程設計初步考慮的生態(tài)放流措施可包括以下3種方式：① 在相應水位區(qū)間專門增設生態(tài)放流孔和閘門，閘門開啟度控制在2～4 cm，通過閘門長期局部開啟泄流；② 在壩身預埋鋼管作為生態(tài)流量管泄流；③ 利用已有底孔工作閘門，在閘門結(jié)構(gòu)上設置生態(tài)放流裝置。3種生態(tài)放流措施方案比較見表1。

由表1可知：① 方案1涉及大面積土建開挖和施工，且需新增大型金屬結(jié)構(gòu)設備，經(jīng)濟性最低，施工難度最大，預估運行效果不佳；② 方案2雖施工容易，經(jīng)濟性最高，但作為生態(tài)放流裝置，無法對管內(nèi)流量自動調(diào)節(jié)，且有堵塞風險[4]；③ 方案3在技術上可行，充分利用了現(xiàn)成的建筑設備，科學合理性和自動化程度最高，實施難度和工程造價明顯遠小于方案1，但具體評價需根據(jù)閥門型式和尺寸最終確定。為確定最終方案，需先針對方案3設計具體方案。

表1 生態(tài)放流措施方案比較

2.2 方案設計

方案3在閘門門葉上安裝電動閥門，利用閥門自動調(diào)節(jié)流量的功能，通過長期局部開啟閥門控制水流達到下放生態(tài)流量的目的。經(jīng)計算，原閘門門前所受水壓力為2 177.74 kN，面板設計厚度為16 mm，材料為Q235B，計算梁格區(qū)間為482 mm×584 mm。因閘門需承受較大水壓力，鋼面板設計較厚實，閘門結(jié)構(gòu)梁板格板空間緊湊，故閘門上可安裝設備的外形尺寸有限，且安裝的設備在工作時不應對閘門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性振動[1]。對樣本數(shù)據(jù)的分析比較可知：相較于一般的閥門，電動錐形閥具有流量調(diào)節(jié)范圍大、出口壓力較低、出口流速較低等優(yōu)點，結(jié)構(gòu)設計能滿足線性調(diào)流和消能的功能，運行時穩(wěn)定可靠。而且，電動錐形閥外形為細長結(jié)構(gòu)，安裝在閘門上時閘門開孔較小，對閘門整體結(jié)構(gòu)及原本功能基本無破壞。因此安裝在閘門上的閥采用電動錐形閥較合適。

如圖1所示，生態(tài)放流裝置由無縫鋼管、電動錐形閥、閥門基礎托架、整流罩和電氣設備組成，通過供水閥的局部開啟可自動調(diào)流以保證生態(tài)流量下放。具體實施方法為：根據(jù)水庫水位情況確定供水閥中心線位置，根據(jù)水流流速和生態(tài)放流所需流量，計算所需過流面積，確定進水孔尺寸，選擇相應尺寸的錐形閥。

底孔弧形工作閘門門前最低水位為1 025 m，閘門底板高程為1 000 m，門后流速：

(1)

式中：u為流量系數(shù)；g=9.8 m/s2；h為門前最低水頭，m。

過流面積：

s1=f/v

(2)

式中：f為所需最低流量，m3/s。南俄4水電站下游河道生態(tài)流量需大于0.5 m3/s。

圖1 閘門結(jié)構(gòu)上設置閥門裝置三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the valve on the existing gate structure

經(jīng)計算，可得到門上錐形閥應達到的過流面積，反向推出所需錐形閥的孔口大小，最終確定安裝1個DN200的錐形閥即可滿足要求。

由上述分析可知，將所選錐形閥安裝在閘門面板結(jié)構(gòu)上時，安裝空間足夠，且面板上開孔面積小(略大于Φ200)，與閘門結(jié)構(gòu)結(jié)合為整體后，不會對閘門結(jié)構(gòu)造成破壞。

經(jīng)綜合比較分析，方案3在閘門結(jié)構(gòu)上設置生態(tài)放流裝置實施難度小、工程造價低，科學合理性最高，故確定此方案為最終設計方案。

2.3 方案實施

如圖2和圖3所示，根據(jù)確定的閥門尺寸，在門葉面板孔口中心適當位置上開孔，將無縫鋼管進口端焊接在閘門門葉結(jié)構(gòu)面板上的孔中，無縫鋼管主體部分焊接在門葉縱向隔板和門葉縱向隔板翼緣板上，電動錐形閥經(jīng)法蘭連接無縫鋼管和出口整流罩，并通過增設在閘門相應位置的閥門基礎托架支撐閥門，以此將閥門固定在鋼結(jié)構(gòu)閘門上。

弧形工作閘門由1臺啟門容量為320 kN/160 kN(啟門力/閉門力)、工作行程為3.5 m的搖擺式液壓啟閉機操作，電動錐形閥通過電纜線與液壓啟閉機室內(nèi)控制柜連接，在液壓泵房內(nèi)即可實現(xiàn)操作，閘門和閥的操作相互獨立。

圖2 閘門迎水面結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of upstream gate

圖3 供水閥裝置與閘門裝配結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Instillation of water supply valve and gate

3 效果分析

放流裝置和閘門的運行和操作相互獨立，且放流裝置的設置未改變閘門的本身功能作用和現(xiàn)有溢流壩堰面曲線，對泄洪水流流態(tài)無影響。因此，將放流裝置安裝在閘門上，不僅能實現(xiàn)閘門原有的功能，又能通過閥門的自動調(diào)節(jié)功能不間斷下放生態(tài)流量，滿足功能定位要求。

如圖4所示，當閘門全關處于擋水狀態(tài)時，供水閥常開過流保證生態(tài)流量下放。如圖5所示，當閘門開啟泄洪前，先關閉供水閥再打開閘門過流，此時可利用地面有利條件對錐形閥進行維護和檢修。如圖6所示，通過配備計算機監(jiān)控系統(tǒng)和計量設備，在控制室內(nèi)可實時監(jiān)測生態(tài)放流的狀態(tài)。通過以上流程的操作，可保障下游的生態(tài)放流不間斷。

圖4 閘門關閉閥門放流狀態(tài)示意Fig.4 Valve discharge condition after gate closing

圖5 閘門開啟閥門非放流狀態(tài)示意Fig.5 Non-discharge valve condition after gate opening

圖6 錐形閥信號控制示意Fig.6 Cone valve signal control

本生態(tài)放流裝置形式獨特，主要有以下特點。

(1) 因所選錐形閥的閥體具備線性調(diào)流和消能功能，且閥進水孔對稱開設在閘門面板孔口中心適當位置，有效避免了水壓力的不對稱作用對供水閥產(chǎn)生的振動和破壞，可削減生態(tài)過流時產(chǎn)生的能量和負壓振動。

(2) 錐形閥支承在閥門基礎托架上，由基礎托架傳遞并釋放作用在閥上的力。閥門基礎托架由常規(guī)型鋼組構(gòu)而成，組合裝配方式簡單靈活，且材料質(zhì)輕易加工，斷面抗彎剪能力強，支承閥門時穩(wěn)固可靠。

(3) 為保證供水閥和閘門連接的剛度和強度，連接閥門的無縫鋼管和閘門面板、門葉縱向隔板、門葉縱向隔板翼緣板焊接成一體，基礎托架和閘門兩側(cè)支臂腹板內(nèi)側(cè)翼緣板焊接成一體，閥門和基礎托架采用高強度不銹鋼螺栓連接。以上焊接連接均可在工廠內(nèi)完成，且能達到高質(zhì)量的焊接效果?？稍诠S內(nèi)預拼裝，有效減少現(xiàn)場工作量，實現(xiàn)現(xiàn)場快速安裝。

(4) 閥門出口處設錐形弧面的整流罩，可約束閥門出口水流的流態(tài)，減小介質(zhì)的動能，使調(diào)流閥出口因汽蝕而產(chǎn)生的氣泡被限制在流體中央，防止氣泡在調(diào)流閥及管道管壁處破裂而造成調(diào)流閥或管道的破壞。

目前，南俄4水電站上底孔工作弧形閘門和生態(tài)放流裝置已經(jīng)安裝到位，運行安全穩(wěn)定。水流出底孔閥后，水流束集中且位于泄槽中間部位，對閘門河道均無沖刷。

經(jīng)流量計實測，當庫水位達到最高水位1 043.9 m 時，通過閥的生態(tài)流量為1.7 m3/s；庫水位下降至最低水位1 025 m時，生態(tài)流量為1.2 m3/s，均大于所需生態(tài)流量，故該生態(tài)放流裝置的泄流能力滿足要求。

4 結(jié) 語

針對南俄4水電站的生態(tài)放流要求，在綜合分析了常規(guī)生態(tài)放流設施利弊之后，在底孔工作弧形閘門上安裝電動錐形閥以解決下游生態(tài)水泄放問題，通過供水閥的局部開啟自動調(diào)流實現(xiàn)生態(tài)流量泄放。此設計可為其他類似工程提供參考。