某水电站生态放水孔设计

韩鹏辉，张 浩

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

1 工程概况

某水电站位于黄河上游干流上，总库容16.22 亿m3，电站装机容量为2200 MW，属一等大（1）型工程。枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道、泄洪洞及地下厂房组成。

2 问题由来

根据工程运行及生态环境需要电站运行期间必须给下游下泄一定的生态流量，以满足河道生态要求和电站下游村镇的生产、生活用水需求。本工程生态放水最初设计方案为通过电站小机组运行或者泄洪放空洞局开下泄生态流量。虽然这两个方案均利用了其它永久建筑物，节省了工程投资，但机组和泄洪洞检修期间，河道存在短期断流的风险。环保部门要求：为了确保下泄生态流量的可靠性，生态放水孔必须单独设置，不得利用其它永久建筑物。因此，为了响应环保部门的要求，必须单独设置1条生态放水孔，与其他的永久建筑物相互独立，互不干扰。

3 生态放水孔布置方案比选

枢纽区左、右岸出露硬岩均为二长岩和变质砂岩，展布范围略有不同，地质条件基本相同。

3.1 布置运行原则

3.1.1 运行特点

库水位正常运行范围为死水位3240 m至正常蓄水位3275 m高程。库水位为3275.0 m～3240.0 m，当遭遇电站大、小机组运行受阻，泄洪放空洞运行受阻，溢洪道不宜小开度运行时，生态放水孔局开运行；库水位≤3240.0 m 时、工作弧门全开运行。

3.1.2 布置原则

（1）枢纽布置格局、特征水位不变的前提下，合理布置生态放水孔。

（2）在满足生态放水孔功能性要求，安全运行的前提下，尽可能利用永久或临时建筑物，以方便施工，减少工程投资。

（3）左岸布置可利用已建导流洞永久封堵段以下洞段及出口明渠段，采用洞内消能；右岸布置可利用坝顶高程以下面板堆石坝右岸边坡与溢洪道左侧开挖边坡之间岩体，采用挑流消能；

（4）生态放水孔应单独布置和运行，只用于本工程建成之后生态放水，不参与工程的泄洪、放空。

（5）消能区左右岸边坡、右岸泄水建筑物出口鼻坎段边坡防护工程范围及措施原则上不变。

3.2 孔口尺寸拟定

拟定生态放水孔孔口尺寸2.4 m×3.0 m，最低运行水位为3240 m，进水口高程为3230 m，最低运行水头10 m，此时全开满足环保部门要求的生态流量65 m3/s。

3.3 方案比选

3.3.1 方案1：左岸布置（与导流洞结合）

左岸布置，可充分利用已建导流洞，其退水洞段、出口鼻坎及消能区无需新建；进水口、竖井式闸室、闸后无压缓坡洞段及旋流消能竖井段沿洞轴线工程地质条件、岩体质量较好；进水口虽存在高边坡问题，但进水口洞轴线、闸室型式调整裕度较大，不制约进水口的合理布置。

生态放水孔进水口布置在导流洞与左岸坝肩之间的自然边坡，进口底板高程3230.0 m；由有压盲洞段、竖井式闸门井段、无压洞缓坡段、消能竖井段、导流洞改建段及导流洞退水洞段组成。消能方式采用洞内竖向旋流消能。

有压盲洞段标准断面直径4.0 m，竖井式进水口（事故门、弧形工作门相邻布置），工作门孔口尺寸2.4 m×3.0 m。闸后无压洞缓坡段底坡i=0.03，城门型标准断面2.4 m×4.5 m，竖向旋流洞标准断面φ3.6 m，退水洞及鼻坎段利用导流洞永久封堵段以后的导流洞段及出口鼻坎段。具体布置见图1、图2。

图1 生态放水孔左岸布置方案平面示意图（3230.0m 方案）

图2 生态放水孔左岸布置方案纵剖面示意图（3230.0m 方案）

图3 生态放水孔右岸布置方案平面示意图（3230.0m）

布置特点如下：

1）闸后无压洞缓坡段、涡室竖井段具有检修条件，导流洞退水洞段检修时出口段需临时堵挡；库水位降至3230.0 m 以下，进口有压盲洞段亦具备检修条件；

2）闸后无压洞缓坡段不同开度运行时，平均流速在12 m/s～20 m/s 之间变化；

3）进口段岸坡虽较陡，但开挖、支护工程量较小，进水口竖井式结构体型抗震防震问题不突出；

4）竖向旋流消能，涡室直径小，导流洞改建段工程量大；

5）利用左岸3283.0 m 高程帷幕灌浆平洞，设置涡室顶部水平向通气洞和竖向通气孔；

6）去竖井式闸门工作门启闭机室交通为水平（坝顶交通道路+傍山交通道路）+竖向交通（竖向交通钢梯）。

3.3.2 方案2：右岸布置（与溢洪道结合）

右岸布置，均靠河谷岸边；沿洞轴线工程地质条件、岩体质量较左岸差。由于枢纽布置的主体在右岸，且3263.0 m 高程以上开挖已基本完成，虽然洞线较短、布置较顺畅，其进、出口段高边坡问题不突出，但均利用枢纽永久建筑物边坡布置，围岩厚度小，洞线布置调整空间小，限制条件相对较多。

生态放水孔布置在右岸坝肩与溢洪道左侧岩坎之间；由有压盲洞段、竖井式闸门井、无压洞段、明渠段、出口鼻坎段组成；采用挑跌流消能。

生态放水孔洞轴线位于溢洪道轴线左侧（约28 m），洞轴线基本平行溢洪道轴线。进水口位于泄洪放空洞引渠进口段左侧边坡，事故门、工作门闸室布置在溢洪道堰闸段左边墩（竖井式布置、事故门利用溢洪道检修门门机启闭），工作门孔口尺寸2.4 m×3.0 m；出口挑流鼻坎段位于溢洪道左侧鼻坎段平台上（底板高程3131.0 m）。具体布置见图3、图4。

图4 生态放水孔右岸布置方案纵剖面示意图（3230.0m）

布置特点如下：

1）由于洞轴线靠近岸边展布，进水口、有压盲洞段、闸室段、无压洞段岩体质量相对较差；

2）溢洪道堰闸段左侧3263.0 m 高程以上岩坎难以保留，3263.0 m 高程以下开挖线需向左侧平移约8.5 m，同时左侧纵向排水廊道需向右侧调整2 m；无压洞段顶拱右侧围岩厚度较小（小于1 倍洞径），成洞有难度，需强支护或降低进水口底板高程；

3）无压洞段、明渠段具备检修条件，库水位降至3230.0 m以下，有压盲洞段亦具备检修条件；

4）无压洞缓坡段标准断面2.4 m×4.5 m，不同开度运行时，平均流速在12 m/s～20 m/s 之间变化，缓坡段布置在溢洪道左孔左边墙外侧与泄槽左侧开挖边坡之间，桩号溢0+200 m～溢0+282 m 之间边坡需向岸边扩挖4 m（其中溢0+200 m～溢0+235 m 之间按明洞设计）；

5）明渠陡坡段、出口水平段仍为高速水流区域（约30 m/s～40 m/s）；出口鼻坎段布置在溢洪道鼻坎段3131.0 m 平台上，挑流消能；

6）闸室洞段布置与右岸坝肩防渗帷幕布置有干扰，需调整主帷幕轴线；

7）堰闸段、泄槽段3263.0 m 高程以上存在边坡二次开挖问题。

3.4 比选结果

3.4.1 左岸方案

优点：新建洞段洞轴沿线主要为变质砂岩，洞身段围岩地质条件较好；进水口闸门井竖井式布置，结构受力条件好；下泄生态流量，水头变幅适中，安全运行条件好；利用永久封堵段后导流洞段及出口段布置退水洞及出口段，永临建筑物结合较好；施工干扰小；工程直接投资适中。

缺点：运行管理方便程度较布置右岸差；检修条件略差于右岸布置；竖向旋流水力学问题合理解决有一定难度；导流洞结合段需改建，临建工程量较大。

3.4.2 右岸方案

优点： 运行管理方便，检修条件略好于左岸布置；进水口闸门井竖井式布置，结构受力条件好；下泄生态流量，水头变幅适中，安全运行条件好；挑流消能，水力学条件较好；没有临建工程量，工程直接投资适中。

缺点：枢纽布置格局右岸更显紧促；靠近岸坡布置，洞轴沿线主要为二长岩，洞身段围岩厚度偏小，地质条件较差，成洞有一定难度；进水口位于泄洪放空洞引渠左侧开挖边坡，建筑物轴线相邻溢洪道左孔左侧布置，堰闸段、泄槽段存在二次开挖问题，与溢洪道施工干扰大。生态流量增加布置，洞身段围岩厚度偏小问题更加突出，对布置有一定的限制因素。

3.4.3 推荐方案

经过地质条件、施工条件、消能方式、运行管理、检修条件、投资等多方面比较，最终选定方案为左岸方案，即生态放水洞与导流洞结合的型式。本工程目前处于施工阶段，计划2024 年全部机组发电。

4 结论与建议

（1）本工程通过各方综合比选，选定了生态放水孔和导流洞结合的型式，节省了工程投资，加快了施工进度，布局合理，便于日常运行管理。

（2）随着国家对环保工作的要求不断提高，为了保证河道的生态，设置单独的生态放水孔是必要的。在水电工程前期工作中，就应该结合环保要求，结合枢纽总体布局，提前规划生态放水孔的布置。

（3）本工程生态放水孔作为后期增加的建筑物，其布置和结构型式可以为类似工程提供参考。