低水头河床式水利枢纽总体布置中值得关注的问题

张永进

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 问题的提出

随着浙江经济社会的持续发展,水力资源的合理开发利用、内河航道的开发、改善城市水环境等功能要求日趋显现。近年来,浙江开发建设的河床式水利枢纽工程较多,如瓯江干流上为发电开发的三溪口河床式水电站工程,为改善青田县县城水环境结合航运发电的青田水利枢纽工程,钱塘江中上游衢江航运开发的安仁辅、红船豆、游埠、姚江4座航电枢纽工程。以上工程都具有基本类似的特点:一是水头低,其中三溪口河床式水电站发电水头最大,为11 m,衢江游埠枢纽设计水头约为4.2 m;二是流量大,以上枢纽都是布置在大江大河上,集水面积在10 000 km2以上;三是枢纽布置建筑物种类多,布置有泄洪闸、电站、船闸等建筑物;四是工程建设要求对河道行洪影响小,以减少对上游淹没。浙江省内主要的低水头河床式水利枢纽工程主要参数见表1。针对河床式水利枢纽的上述特点,在枢纽总体布置时以下几个问题值得关注。

表1 浙江省主要低水头河床式水利枢纽工程参数表

2 枢纽坝 (闸)址选择的基本要素

2.1 坝址选择应考虑流域规划功能的实现及对上下游工程的影响

根据批准的规划,如《瓯江流域综合规划》、《钱塘江流域综合规划》,各梯级的水位一般是衔接的,即上一梯级的电站发电尾水位受下一级水库的正常蓄水影响,下一级正常蓄水位确定后,上一级电站发电尾水位应根据发电流量,在下级水库正常蓄水位基础上向上游推演求得。

浙江省水电开发的市场化程度较高,同一流域上下游梯级往往由不同的业主开发,而发电水头对河床式电站的工程效益影响很大。在设计过程中,梯级电站的正常蓄水位一般是遵循开发协议要求的 (开发协议应以流域规划为依据),为了兼顾各梯级利益,设计时正常蓄水位一般很难调整。在确定的上下游枢纽正常蓄水位条件下,坝址应选择在下一梯级正常回水末端附近,这样既可以方便梯级间的水位衔接,减少河道疏浚工程量;同时也可以充分利用地形高程,减少上一梯级的挡水建筑物高度及工程投资。

2.2 枢纽坝址应选择在河道顺直、水流条件简单的河段

在枢纽宽度3～5倍范围内的上下游河道流态会影响工程的运行状态。河槽的走势、主支流的交汇条件、江心洲分布等对河道的水流条件有直接的影响。修建拦河闸枢纽后(平底水闸或橡胶坝),河道总体流态与工程前相比一般不会产生根本性变化,因此,将坝址选择在原状流态良好的河段是十分必要的。

坝址一般选择在河道的直线河段,坝轴线上下游河道直线长度不宜小于5倍水闸进口处水面宽度,在不具有较长直线河段的地形条件,也应将坝轴线布置在其中相对较直河段,且应布置在河道的深泓部位,以利行洪[1]。如浙江省永嘉县楠溪江供水工程拦河闸枢纽坝址位于沙头镇上游800m、楠溪江风景区下游约500m的“S”形河道上的中部,泄洪闸布置在河床右岸深槽部位,选择这个闸址是多方面情况约束的结果,上游是国家级风景区,不允许修建拦河闸;向下游为沙头镇镇区,在其下游建闸不符合水源保护的要求,也会制约沙头镇的建设和发展,最终闸址轴线选择在“S”形河道上的中部相对比较顺直的河段,经过河床水力学及水工模型试验验证,拦河过闸流态及上、下河道的流态总体良好[2]。

河道内江心洲或主支流交汇对河道流态影响较大,闸坝轴线应布置在交汇口下游约2～3倍河宽以下。已建成运行的小溪滩水利枢纽坝址位于衢江龙游河段,坝址上游为白堤圩江心洲,坝址下游为唐家江心洲,两江心洲之间河道长度约1.0 km。根据梯级水位衔接的要求,小溪滩坝址选择在上下游江心洲之间的河段内,坝址河段流态比较复杂,尤其是上游江心洲距离坝轴线较近,约为800 m,江心洲两汊支流来水在坝前极易形成漩涡水流。经过近3 a洪水期的运行,反应出坝上水流较为复杂,枢纽的4孔×12 m泄洪闸及8跨橡胶坝不同开启组合对河道流态影响较大,操作不当容易产生坝上漩涡冲刷及淤积。而目前正在前期设计的衢江红船豆、游埠、姚家枢纽坝址所处河段均比较顺直,附近无较大支流汇入,水流条件比较理想。

正在实施中的瓯江下游三溪口河床式水电站位于小溪与小溪汇合口下游约900 m处,坝址河面宽约500 m,在坝轴线上游约500m处左岸有一山嘴凸出,对河道挑流效果明显,单从河道地形看,坝址附近流态比较复杂,但从该工程建设政策处理等因素考虑,该坝址为三溪口河床式水电站惟一可推荐的坝址,对于如此复杂的河道流态采用河床水力学计算结合枢纽模型试验是十分必要的,针对河道水流存在的问题设计中需采取必要的工程措施。

2.3 坝 (闸)址河道断面具有合适的宽度

河床式枢纽挡水建筑物多以水闸、橡胶坝或闸坝结合的型式。从工程建筑物布置、工程建设对防洪的影响、施工导流等方面考虑,要求闸址所在的河道断面应具有足够的宽度。

根据水闸设计规范要求,大型水闸总过流净宽要达到所在河段宽度的85%左右[3](即水闸缩窄比率为0.80左右),对单孔净宽12,14 m的水闸,若河道断面全部布置水闸,水闸缩窄比率在0.80～0.82,基本能满足过流断面要求,而且对上游防洪影响较小。考虑枢纽布置河床式电站、船闸的需要,船闸一般占用河道宽25 m左右(通航净宽12 m),由于引航道的布置线型要求,船闸一般不允许向岸内扩挖布置;河床式电站在地形条件允许、保证尾水扩散顺畅的条件下,一般可向岸边扩挖布置。因此,在闸坝选址时,应优先选择轴线河道宽度B≥泄洪闸控制宽度Bmin+船闸占用宽度Bc+电站占用河道宽度Bp,其中泄洪闸控制宽度Bmin可取枢纽所在河段上、下游一定范围内对坝址水位产生明显影响的最窄河道处宽度。在满足上述条件下,河床式电站坝址河道宽度也不是越宽越好,否则会增加主体工程投资。

若枢纽坝址宽度偏小、建筑物布置受到一定限制时,一般可采用较大的水闸单孔净宽、适当降低闸底槛高程、电站向岸边扩挖布置等处理措施。

2.4 闸 (坝)址应具有较好的工程实施条件

工程的实施条件包括施工期的交通运输条件、施工总体布置条件以及政策处理条件。浙江省内大江大河上的河床式枢纽工程的交通条件都比较便利,两岸大多由公路可到达坝址。但施工场地布置往往成为施工中的难点,两岸的公路、铁路、村庄会成为施工场地布置的障碍。如三溪口河床式水电站工程坝址左右岸受公路、铁路、村庄的限制,尤其是左岸电站厂房施工场地布置十分困难,成为施工组织设计的重点和难点。

在坝址选择有多方案比较时,选择远离居民点的坝址往往是明智的选择,可减少政策处理难度,减少工程实施期对附近居民的干扰,这些往往成为保证工程能否正常施工的关键。

3 闸孔净宽、闸底槛高程选择

水库的淹没与正常蓄水位以及洪水位有关。对于河床式枢纽水闸工程,闸孔净宽和底槛高程是决定洪水位的关键因素之一。

3.1 淹没处理难度较小工程的闸孔净宽、闸底槛高程选择

选择较小的闸孔规模势必加大泄洪时上下游水头,对提高泄洪闸的单宽流量是比较明显的。若枢纽上游的淹没政策处理数量不大,政策处理相对简单,应将枢纽工程的闸孔规模、库区淹没处理投资一并进行技术经济比较,按照节省投资、方便政策处理的原则综合确定闸孔净宽及底槛高程。

3.2 不允许有较大淹没工程的闸孔净宽、闸底槛高程选择

随着国家对建设用地政策的调整,土地征用、移民搬迁的代价越来越高,水库淹没政策处理投资往往决定了工程建设的可行性。根据目前浙江拟建的河床式水利枢纽工程情况,均要求工程建设前后对上游的行洪影响减少到最小,按照正常蓄水位加一定的安全超高确定上游的淹没影响线。这就要求按照坝址河道断面宽度、建筑物布置情况,按最大允许过流净宽的要求来布置泄洪闸,一般按工程前后闸上水位壅高不大于30 cm作为泄洪闸较优的过流断面,浙江省在21世纪修建的多座河床式水利枢纽工程20 a一遇洪水泄洪壅高水位一般均在30 cm以下。

闸底槛高程则由枢纽所在河段上下游河床的高程确定,一般选择闸底槛高程略高于河槽高程,在过流能力满足的条件下,可适当抬高底槛高程;若过流能力偏小,同时河宽限制扩大水闸净宽,则需适当降低底槛高程。根据文献[4],上游河床面高程与闸底板高差对水闸流量系数影响较大,而下游河床高程影响较小。因此采用降低闸底槛高程加大水闸泄流能力时,闸底槛高程应高于疏浚后的河床高程。根据省内已建工程运行情况分析,由于过闸水流流速加大,在闸室段底板淤积的可能性是很小的。

3.3 水闸底槛高程台阶式布置

若枢纽所在河段比较顺直、两岸堤防经规划整治,其河道滩地、深槽分布一般不明显,如衢江上的游埠枢纽。类似枢纽的泄洪闸可采用相同的闸底槛高程布置,可以简化建筑物的布置形式,对水闸的泄洪运行管理也比较方便。

枢纽所在河段的滩地及深槽若分布明显,且在坝址上下游相当长的范围内河道的滩地与深槽连续分布,说明枢纽河段原河道的水流是比较稳定的偏向一侧的。如瓯江上的五里亭、外雄、三溪口枢纽,泄洪闸的底槛高程宜采用高、低台阶布置,深槽区布置较低闸底槛,浅滩区布置相对较高的泄洪闸,这样的闸底槛布置方式具有充分发挥深槽区水闸泄洪能力大、减少工程前后河道流态变化、节省工程投资的优点。

泄洪闸高、低两侧闸室一般结合混凝土纵向围堰分隔,其两侧高差不宜过大或过小,根据已建的类似项目,一般控制在1.5m左右为宜。水闸下游抛石防冲槽末端往往是水流冲刷比较严重的区域,为保证水闸下游高、低两侧衔接部位防冲安全,应通过闸下游海漫纵坡的调整,使高低两侧抛石防冲槽及下游河床高差尽量减少。

4 枢纽建筑物布置关系

河床式枢纽工程一般由泄洪闸、发电厂房、船闸及两岸接头建筑物组成。

泄洪闸在枢纽中的位置关系到工程的泄洪安全与泄流能力,在枢纽布置中至关重要。为满足工程泄洪安全及较大的泄量,布置泄洪闸的区域应具有较好的流态,若在水闸上游进水区产生漩涡等不良流态,不但对泄流能力产生很大影响,而且由于涡流的作用造成闸前冲刷等严重问题。因此,泄洪闸的迎水前沿必须与河道的来水主流尽量一致,而且泄洪闸轴线应尽量与水流方向垂直,以获得较好的进流条件。

发电厂房、船闸的布置有“一岸布置”、“两岸分侧布置”2种选择。由于船闸的上下游引航道对横向水流、回流的流速限制比较严格,电站与船闸相邻布置很难满足水流要求,而且电站运行与船闸运行的交叉管理也不方便。电站与船闸两岸布置,船闸上下游引航道水流条件比较稳定,运行管理干扰少,是比较成熟可行的建筑物布置方案。如衢江航运开发工程的所有航电枢纽经过水工模型验证后,全部采用电站与船闸分两岸布置的方式。

对于枢纽坝址宽度足够宽,船闸与厂房也可同岸布置,但修建厂房与船闸、泄洪闸与船闸分隔导流建筑物需要占用较大的河面宽度,且工程投资较大。

发电厂房的布置是河床式枢纽的重要比选内容,须从工程投资、水流条件、地质条件、施工条件等方面进行综合比选,一般遵循以下原则:①电站布置在河道深槽一岸,应尽量减少占用河道主河槽行洪断面,利用凹岸布置,减少工程后对河道泄洪流态的变化;②电站侧一般作为一期工程施工,工程量大,周期长,应布置在施工布置、导流比较有利的一侧;③布置电站一侧河床基岩面高程应适宜,减少石方开挖量及混凝土回填方量;④应便于下游尾水渠水位的衔接,避免过大的下游河道疏浚工程量;⑤布置电站一侧应便于工程日常管理设施的布置。

5 结 语

(1)河床式水利枢纽坝址河段的选择、枢纽建筑物整体布置是关系工程成败的关键所在,在设计中应充分考虑规划衔接、河道水流条件、行洪影响、适宜的河面宽度、工程实施条件及工程投资效益等因素。

(2)枢纽闸孔净宽及闸底高程的选择因素有:工程技术经济比较、水库的淹没控制要求、河床原始高程及河势等。在淹没控制严格的工程中,尽量减少对行洪的影响往往成为确定闸孔规模及底槛高程的主导因素。

(3)枢纽中厂房、船闸的布置宜采用 “两岸分侧布置”方式,船闸流态比较容易满足。电站厂房布置应考虑河道行洪、地基条件、施工场地以及尾水衔接等问题。

[1]江苏省水利勘测设计研究院.SL 265—2001水闸设计规范 [S].北京:中国水利水电出版社,2001.

[2]包中进,林伟波,王富强.楠溪江供水工程拦河闸枢纽水力学研究报告 [R].杭州:浙江省水利可口研究院,2007.

[3]华东水利学院.水工设计手册 [M].北京:水利电力出版社,1982

[4]张绪进,樊卫平,张厚强.低闸枢纽泄流能力研究 [J],水利学报,2005(10):1246-1251.