利用引水建筑物进行蓄水调节

曹建锋

清远市水利水电勘测设计院有限公司

利用引水建筑物进行蓄水调节

曹建锋

清远市水利水电勘测设计院有限公司

传统设计中，高水头、无调节小型水电站的引水建筑物仅起引水作用，不作为蓄水建筑物。如果能利用引水建筑物进行蓄水调节，在投资额增加不多的情况下，电站收益可得到大大提高。该方法对于已建电站改造和新建中低水头、有调节电站设计亦有一定启发。

水电站；引水建筑物；蓄水优化设计

1 利用引水建筑物蓄水调节的可能性

英德市地处粤北山区，水力资源相对比较丰富。据统计，至2015年1月底，英德市全境内已建和在建的水电站共329座，总装机容量达43.5万KW，水电已成为英德市经济发展的支柱产业。在这些电站中，高水头、无调节小型水电站在数量上超过40%。

高水头、无调节小型水电站的普遍特点是河床坡降大，山势险峻，没有修筑高坝大库的理想场址。此类电站一般采用低坝挡水，利用较长的明渠或无压隧洞引水至压力前池，水流通过压力管进入厂房，冲击水轮机而发电。

一方面，高水头、无调节小型水电站的挡水建筑物较低，基本上没有库容；另一方面，这些电站的引水建筑物往往较长，其中储存的水量可达几千方。如果在设计中能作出适当优化，利用引水建筑物蓄水调节，则在投资增加不多的情况下，整个电站的效益可得到大大提高。

2 传统设计

2.1 传统设计方案

一般情况下，高水头、无调节小型水电站的设计构思如下：

(1)采用无压进水口进水，设简易闸门以控制洪水时的入渠水量，洪水由溢流坝顶渲泄。

(2)采用非自动调节渠道引水，渠道断面沿程不变，渠顶及渠底坡降一般为1/500～1/2000，沿途隔一定距离设有侧堰溢流。正常运行时，水面线是一条沿程下降线；停机时，水面线水平，渠道出口段蓄水较满，进口段却很浅甚至无蓄水。

(3)采用无压隧洞引水，隧洞断面一般为圆拱直墙型，其尺寸沿程不变，洞底坡降常取1/500～1/2000，在支洞处设侧堰泄水。隧洞的运行情况与明渠一样，亦无蓄水功能。

(4)采用压力前池调压，其旁设泄水建筑物。压力前池的顶高等于溢流堰顶水位加安全超高，池深按最低负涌波水位时有一定淹没深度确定。一般来说，这样设计的压力前池边墙不高，在4～6m之间。

2.2 传统设计方案的缺点

显然，按以上构思设计的电站，机组将长期处于欠发和停发状态，机组工况差、效率低、损耗大，且无法多发峰电。

3 优化设计

3.1 优化设计方案

为了能使电站发挥更大的效益，我们对高水头、无调节小型水电站的设计作出适当优化。

(1)仍采用无压进水口进水，简易闸门控制入渠水量，洪水由溢流坝顶渲泄。

(2)仍采用非自动调节渠道引水，但作少许改动。渠顶改为水平，渠底坡降不变，渠道断面向下游逐渐加大，沿途侧堰顶高程相等。正常运行时，水面线仍是一条沿程下降线；停机时，水面线水平，但整条渠道从进口段到出口段均可蓄满水，至溢流堰顶方下泄。

(3)改无压隧洞为微压隧洞，隧洞断面和底坡不变，支洞仍设侧堰泄水。高水头电站均位于山区，岩层普遍由石灰岩和砂岩组成，塌方地段较少，所以，洞室承受1～2m水压完全没问题。这样，整条隧洞均可用来蓄水，至满水时方开机发电。

(4)压力前池顶高与明渠水平，泄水建筑物与明渠侧堰高程一致，池深按水位降至明渠或隧洞出口底时有一定淹没深度确定。这样，压力前池边墙高度将增加2～3m。

3.2 优化设计方案的优点

可以看出，经过优化设计后，明渠、隧洞和压力前池的投资均有所增加，但增幅不大。与此同时，由于利用明渠和隧洞的蓄水作为调节库容使用，改无调节为日调节，电站收益有了大大提高。

4 利用引水建筑物蓄水调节实例一

英德市石牯塘镇大龙电站，装机容量2×250KW，设计水头372m。电站集雨面积3.01km2，主要利用东西两条山水汇流而发电。其中，东边水坝址处集雨面积为1.9km2，利用600m长圆拱直墙型隧洞(隧洞断面尺寸为2m×2m，底坡1/1500)引水至压力前池；西边水坝址处集雨面积为1.11km2，利用1300m长矩形明渠(明渠进口断面尺寸为0.8m×0.8m，出口尺寸0.8m×1.7m，底坡1/1500)引水至压力前池。在技施阶段，通过优化设计，明渠可蓄水1092m3，隧洞蓄水2400m3，总蓄水量达3492m3，足够供电站在额定出力时连续工作5.4小时(大龙电站的额定流量为0.18m3/s)。

现把大龙电站优化设计后所增加的投资与收益对比如下：

(1)增加投资。明渠进口高度不变，出口加高0.9m，增加投资3.6万元；隧洞由无压变有压，部分地质不良处需作处理，相应增加投资2.3万元；压力前池顶部加高1.8m，底部加深0.6m，增加投资1.9万元。总投资增加7.8万元。

(2)增加收益。优化后，枯水期基流可以全部利用，基本无弃水，相应年平均电量(保守估计)增加8.4万度。扣除一切费用，枯水期峰电价格按0.5元/度计，则年纯收益增加4.2万元。

(3)回收年限。增加投资的回收年限为两年，其经济指标十分优越。

5 利用引水建筑物蓄水调节实例二

在设计高水头、无调节小型水电站时，除了可以利用新建引水建筑物蓄水，在有条件的情况下，适当利用已建或废弃的明渠和隧洞，亦能收到较好的经济效益。

英德市石牯塘镇宝山电站，装机容量2×320KW，设计水头305m，电站集雨面积3.7km2。宝山电站地处八宝山矿区，山中多废弃矿洞，每条矿洞高程不等，且互为相通。其中，最低为高程430m的一条长隧洞，洞口有大量水流出。经实地查勘，该洞总长约2km，断面尺寸为1.2m×1.6m～2m×2m不等，因弃用时间长，部分洞段有所塌方。技施设计时，考虑到利用430矿洞蓄水，工程布置调整如下：用明渠引水至430隧洞，压力前池设于洞口。实际施工中，经采用人工清渣，拖拉机运渣后，得到800m长隧洞，以之蓄水，可容3200m3，足够供电站在额定出力时连续工作3.1小时(宝山电站的额定流量为0.285m3/s)。

优化后，宝山电站投资增加5.3万元，年纯收益增加3.4万元，同样有很高的回报率。

6 结束语

利用引水建筑物蓄水调节的思路推广，对于已建的高水头、无调节小型水电站，亦可以通过加高引水建筑物顶和降低压力前池底板高程，使之达到日调节。同时，对于中低水头、有调节水电站，此思路亦可供设计时参考。

[1]张昌龄、潘家铮等，水工设计手册(第7卷)，水利电力出版社，1989年。

[2]中华人民共和国水利部，水电站引水渠道及前池设计规范(SL/ T205—97)。