某水利枢纽工程放水兼发电引水建筑物设计

蒋小健

(阿勒泰地区SETH水库管理处，新疆 阿勒泰 836500)

1 工程概况

新疆某水利枢纽工程任务为供水和防洪，兼顾灌溉和发电，水库总库容2.94亿m3，工程主要由碾压混凝土重力坝(含挡水坝段、表孔和底孔坝段、放水兼发电引水坝段等)及消能防冲建筑物、坝后式电站厂房和升鱼机等组成。工程为II等工程，规模为大(2)型。拦河坝(含挡水坝段、表孔和底孔坝段、放水兼发电引水坝段等)及消能防冲建筑物为2级建筑物，升鱼机和电站厂房为3级建筑物；导流建筑物级别为4级。碾压混凝土重力坝从左岸至右岸共布置21个坝段。电站厂房采用坝后式电站厂房，厂区建筑物由主厂房、副厂房、尾水建筑物和管理用房等组成。2台110 kV主变布置于副厂房上游侧室外。主厂房内设2台单机容量12 MW及1台3.6 MW水轮发电机组，设计引水流量为大机组2×27.65 m/s、小机组8.6 m/s。

2 放水兼发电引水建筑物

可研阶段推荐方案枢纽装机为两大一小3台装机，初设阶段布置方案采用两种方案进行比选：一种方案采用一管一机方案，一种是一管三机方案。

采用一管一机方案，电站运行管理灵活方便，水流条件好，水头损失小；但取水口宽度大。本工程分层取水通过叠梁门实现，进口前沿宽，造成叠梁门宽度较大，规模较大，并且叠梁门需要门库存放，门库规模较大，门库布置及运行操作均不方便；并且坝内埋设3根钢管，对坝体快速施工影响较大。

采用一管三机方案，缺点是电站运行管理不便，需增设蝶阀，岔管处钢管应力条件较差，水流条件较差，水头损失大;优点是取水口布置紧凑，宽度小，叠梁门库布置在取水口旁侧坝段，运用方便，坝内埋管只有1根，对坝体施工影响小。经综合考虑，采用一管三机方案。

可研阶段审查意见“基本同意放水兼发电引水进水口采用分层取水型式及布置，放水兼发电引水建筑物采用一管三机布置型式。”

可研阶段评估意见“引水发电及过鱼建筑物设计基本合适”。

3 取水口设计

3.1 取水口取水方式比选

坝址区为严寒地区，水库蓄水后，水库水温呈垂向分层分布，库表水温和库底水温温差较大。放水兼发电取水口底高程为979.0 m，下放的库水水温与天然气温相差较大，对下游生态和农业灌溉将产生影响。因为水体置换期较长的库区水温分层，会引起深水层的水质恶化；其次，对水生生物产生影响，坝址区乌伦古河鱼类产卵季节为4～7月，鱼类产卵所耐受的最低温度一般为18 ℃。低温水的下放，水的溶氧量及水的化学成分将发生变化，进而影响鱼类和饵料生物的衍生，降低鱼类的新陈代谢能力；低温水的下放，还限制下游灌区地温的提高，导致农业减产。为避免低温水对下游生态环境的不利影响，取水口采用分层取水的方式。

3.2 分层取水进水口方案选择

坝址区为严寒地区，水库蓄水后，水库水温呈垂向分层分布，库表水和库底水温差较大。为避免温差较大水对下游生态环境的不利影响，进水口采用分层取水的方式。

分层取水进水口方案在叠梁门方案与固定进水口方案之间进行比较。

(1)叠梁门方案采用有压坝式进水口，进口底高程979 m，后接管径4.5 m压力钢管。由进口段、拦污栅、分层取水叠梁门、检修闸门及渐变段组成，均为钢筋混凝土结构。拦污栅采用直立式布置，利用坝顶门机吊装清污抓斗清污。拦污栅设1孔，孔口净宽4.5 m。拦污栅下游2.50 m设置叠梁门，叠梁门至平板检修闸门槽孔口距离9.75 m。检修门后的渐变段长7.5 m，渐变段后接内径4.5 m的压力钢管，压力钢管出坝体后分为1、2、3号共3个支管，其中3号支管再分为2个支管，分别为生态基流、鱼道、工业供水以及兼顾机组发电供水。

(2)固定进水口方案采用有压坝式进水口，进水口由开敞式进口段、拦污栅、分层取水闸门、检修门槽及渐变段组成，均为钢筋混凝土结构。拦污栅采用直立式布置，利用坝顶门机吊装清污抓斗清污。拦污栅设两孔，孔口净宽4.5 m，相应的过栅流速为0.868 m/s。拦污栅后设置4个分层取水闸门，门高7.0 m，进口底高层分别为979.0、990.0、1 001.0 m以及1 012.0 m，取水口门顶处设置4 m高的横梁。其中，高程1 012.0 m门顶处和横梁梁顶1 023.0 m高程以上采用开放式，取正常蓄水位的表层水。进水口至平板检修闸门槽孔口最近距离为3.5 m。

进水口设置进口检修闸门，闸门尺寸为4.5 m×5.03 m。拦污栅、分层取水口闸门及检修闸门均采用坝顶门机机控制(见表1)。

表1 不同方案投资比较

两方案均采用坝顶门机控制闸门启闭及拦污栅的起吊与安放，运行管理条件相差不大，都能满足分层取水的功能要求。方案2取表层水效果不如方案1，且土建投资较大，施工难度高于方案1；并且由两方案投资比较来看，方案2投资比方案1投资高402万左右，因此本阶段推荐方案1，采用叠梁门分层取水方案。

4 放水兼发电取水口布置

放水兼发电取水口布置于13号坝段，采用有压坝式进水口，后接坝内压力钢管。取水口由开敞式进口段、拦污栅、分层取水叠梁门、检修门槽及渐变段组成，均为钢筋混凝土结构。拦污栅采用直立式布置，利用坝顶门机吊装清污抓斗清污。拦污栅设两孔，孔口净宽4.5 m，相应的过栅流速为0.868 m/s。拦污栅后2.5 m设置叠梁门，叠梁门至平板检修闸门槽孔口9.75 m。拦污栅、叠梁门以及检修闸门均采用坝顶门机机控制。

检修门后的渐变段长7.5 m，由4.5 m×4.5 m的方孔渐变为内径4.5 m的圆孔，渐变段后接内径4.5 m的压力钢管，压力管道由坝内埋管段(上下2个水平段、上下2个弯段)、4个卜型岔管、5个支管等组成。

上水平段管道中心线高程为981.25 m，长度为9.5 m，经上下2个半径为11.25 m、转角为53°的转弯段，钢管中心线由981.25 m降为965.20 m，接管径为4.5 m明钢管，出坝体后分为1号卜型岔管、2号卜型岔管、3号卜型岔管及4号卜型岔管。明钢管至1号岔管中心点长7.172 m，钢管管壁厚度为22 mm，钢管每隔2 m设1道高200 mm、厚22 mm的加劲环，其后接2号岔管；2号岔管分别接1、2号支管给2台大机组供水，1、2号岔管管壁厚度为30 mm。1号机组支管(管径2.6 m)至蝶阀中心线长19.958 m，2号机组支管(管径2.6 m)至蝶阀中心线长13.874 m，1号岔管经3号支管(管径2.6 m)接3号岔管；1～3号支管管壁厚度为20 mm，钢管每隔2 m设1道高200 mm、厚22 mm的加劲环。3号岔管接4号支管给小机组供水，4号(即小机组)支管(管径1.5 m)至蝶阀中心线长16.384 m，4号支管壁厚度为18 mm，钢管每隔2 m设1道高100 mm、厚18 mm的加劲环。3号岔管经5号支管(管径1.8 m)接4号岔管，给过鱼建筑物及下游生态基流供水，5号支管管壁厚度为18 mm，钢管每隔2 m设1道高100 mm、厚18 mm的加劲环。3号、4号岔管管壁厚度为22 mm，钢材均为Q345R。

5 水力学计算

5.1 引用流量及水头损失

5.1.1 流速

发电引水钢管直径4.5 m：采用一管三机，放水及发电引水钢管最大引用流量63.9 m3/s；总管段最大流速4.02 m/s，支管段直径2.6 m，最大流速5.21 m/s。

生态引水钢管直径1.5 m：引用流量为4.83 ～11.49 m3/s(其中，工业供水约为1.5 m3/s，生态供水枯水年供3.33 m3/s、丰水年供9.99 m3/s)，流速为2.73 ～6.50 m/s。

5.1.2 水头损失

3台机发电，洞内流量63.9 m3/s，管路最大总水头损失为3.02 m。

5.2 进口底板高程确定

水库最低发电水位1 005.0 m，初拟放水兼发电引水钢管底板高程979.0 m。为使取水口在最低水位时保持有压流，不致产生贯通式漏斗漩涡将空气及污物卷入，需要保持足够的淹没水深。根据规划相关资料，在死水位986 m生态引水钢管引水月份为3～6月份，此时段最大引用流量为11.49 m3/s，按此工况计算进口淹没。

(1)从防止产生贯通式漏斗漩涡考虑，最小淹没深度按照“戈登公式”估算：

S=Cvd1/2

式中，S为孔口淹没深度(m)；v为孔口断面流速(m/s)；d为孔口高度(m)；C为与进口形状有关的系数，C=0.55～0.73，此处取C=0.73。

(2)从保证进水口内为压力流，最小淹没深度S按下式计算：

式中，S为最小淹没深度，应不小于1.5，K为安全系数，应不小于1.5，计算中取为1.5；△h1为拦污栅水头损失；△h2为有压进水口喇叭段水头损失；△h3为闸门槽水头损失；△h4为压力管道渐变段水头损失；△h5为沿程水头损失。

计算结果如下所示(见表2)。

表2 进水口淹没深度计算成果

根据计算结果，实际淹没高程均大于计算所需的最小淹没高程，取水口底板高程满足要求。

5.3 通气孔面积

通气孔在检修门井后墙内布置1个圆孔，直径1.0 m，面积0.785 m2。

放水及发电引水钢管检修门井后设置通气孔，其作用为发生故障下门时向洞内补充空气；在检修完成后向引水洞充水时向外排出空气。根据水利水电工程《钢闸门设计规范》规定，快速闸门通气孔面积按发电管道面积的3%～5%选定。本工程按规范取值。

引水钢管：通气孔面积为(3%～5%)×20.25 m2=0.61～1.01 m2。因进口采用的是检修门而非快速门，通气孔面积可相应减小，实际布置的通气孔面积满足通气要求。

6 结 语

通过简述新疆某水利枢纽工程放水兼发电引水建筑物方案比选，最终确定了枢纽的一管三机及分层取水的设计方案；并详细论述了建筑物设计计算过程，最终确定了枢纽工程放水兼发电引水建筑物的布置方案。