低水头河床式电站设计回顾

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1、低水头河床式电站设计回忆4月第2期球江观代辽使总第124期低水头河床式电站设计回忆曾新民(中水珠江规划勘测设计有限公司.广东广州510610)摘要:文章简介作者近二十年来对主持参与的十余座低水头河床式电站设计的亲身经历,从正常蓄水位与库区沉没,坝址选择,枢纽布置,建筑物设计优化,施工导流与工期五方面进行回忆总结.对提高下水头河床式电站的设计水平会有所裨益.关健词:河床式;低水头;水电站;设计0前言改革开放以来.国民经济发展迅速,特别是东南部率先开放地区,相继建设了一大批低水头河床式电站.据不完全记录,已建的大,中型低水头河床式电站近百座,装机容量超过1000万kW,重要分布在广东,广西,湖南,

2、湖北,四川,福建.中水珠江设计公司设计的已建和在建的低水头河床式电站十几座.工程特性见表1.此前是政府建设水电站,此后重要是企业建设水电站.近几年中水珠江设计公司为梅雁公司(集团)股份有限公司设计的已建和在建的低水头河床式电站就有6座,装机容量一般34万kW.最大的23万kg.4座已经发电,2座即将发电.公司建设电站追求的重要是经济效益.电站的经济效益靠多发电,早发电以及减少工程造价得以实现.本人主持参与低水头电站的设计自长洲水电枢纽开始.相继有白石窑,丹竹,蓬辣滩水电站等lO余座.历时二十余年.回忆总结低水头电站的设计经验,对提高下水头电站设计水平会有所裨益.下面从正常蓄水位与库区沉没,坝址

3、选择,枢纽布置,建筑物设计优化,施工导流与工期五个方面进行总结.1正常蓄水位与库区沉没低水头电站挡水建筑物的坝顶高程取决于设计洪水位和校核洪水位,而不取决于正8常蓄水位,因此正常蓄水位的提高很少引起闸坝工程量的增长.水头增长,机组直径反而有所减小.因此厂房的工程量也不会增长.然而正常蓄水位的少量提高都会带来发电量的显着增长.由于发电量与水头,流量成正比,并且随着水头的增长.停机的时间也相对减少.诚然正常蓄水位的提高会引起库区沉没的增长,但可以采用措施减少库区沉没.例如洪水时降低水位运用,进行库区防护等.库区防护的经济性重要取决于防护堤基与否存在浅埋强透水层以及防护片排涝站的装机容量.综上所述,

4、设计中一定要非常注重正常蓄水位的选择,研究与否存在提高的也许性.那怕提高几十厘米都好:与否有措施减少库区沉没,认真地进行经济比较.北江白石窑水电站技术经济指标的改善最重要的措施是将白石窑和沙口两级开发合并为白石窑一级开发.同步对库区采用防护:梅江三龙水电站初步设计时,将正常蓄水位由82m提到83m.装机容量由1.8万kg提高到2.4万kW.年发电量由6(300多万kW?h增长到8000多万kW?h,枢纽工程量几乎不变,防护工程量增长不多,电站的技术经济指标大大改善.业主很满意.2坝址选择坝址选择关系到枢纽运营,工程造价和工期.选择一种好的坝址可以带来巨大的经济效益.低水头河床式电站流量大,泄水

5、闸规模大.施工导流和施工通航难度大,在选择坝址=.,卜,c,i0嘉量c,i蚕至罱脚圣妻蔷gggg9截肖.卜口n卜n.0nx0x寸.0一x.寸nx寸.n卜Hn.寻x.xN.寻H0寸.寸xn.0xHnnHn.x卜x譬_0n_【H_【.0n寸xn.口x.00_【0_【nx一x0一.一xx一一卜.一xx0卜xx0卜.x_【x0_【xxx寸_【x0寸一nx口_【x0_【Nx寸_【x0寸_【c.2一一0一一一)(】n卜卜0aN00Nn一000200_【_【)o(一_【00口0n口0.寸0.0.寸0.寸.0n摹()【/(】0sN960N0Nnn0/On0N0n摹0N0口n基0N0N0更00n9600=00口

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7、旧醛#霞揖工*t|_【时.一方面要估算泄水闸,厂房,船闸i大建筑物的前缘长度,坝址处河床宽度宜不小于三大建筑物的前缘长度,有岛屿,沙洲更好;坝址工程地质条件和水文地质条件要好.具体来说.河床覆盖层要浅,以便泄水闸采用岩基;尽量避开岩溶地段,不能避开时应选择岩溶不发育的地段;尽量使城乡位于坝址的下游或水库末端;有利船闸布置;此外还要考虑水能指标,施工条件,水流条件等.下面以长洲水电枢纽为例阐明.长洲水电枢纽位于西江干流的浔江河段,下距梧州10km多.重要任务是开发水电和发展航运.长洲水电枢纽通航规定高,坝址集雨面积大.洪峰流量大.库区又处在河谷平原.沉没耕地多.设计水位受到严格限制,施工导流十分

8、困难.坝址又紧靠苍梧县城和梧州机场.因此坝址选择波及的因素诸多.难度很大.长洲水电枢纽正常蓄水位枯水期为20.6m,汛期为18.6m,设计水头9.5m,装机容量62.13万kW,近年平均发电量28.O1亿kW?h.采用灯泡贯流机组19台.近期兴建双线1oo0t级船闸并为远景发展预留一条船闸位置;泄水闸41孔上,下坝址相距1.5km.上坝址处为两岛三江,即长洲,泗化洲和外江,中江,内江.下坝址处为一岛两江,即长洲和外江,内江;内江一般不通航,外江通航.坝址比较工作从工程地质条件,枢纽布置,水能指标,枢纽总投资,施工条件,航运条件,枢纽对苍梧县城和梧州机场的影响7个方面进行.概括起来.上,下坝址均

9、具有建坝条件,都能满足综合运用规定,枢纽建成后的永久航运条件没有本质差别.完建后的装机容量,年发电量以及枢纽总投资都很接近.但上坝址比下坝址多一种岛和一条江.施工导流和施工通航条件较好.可以采用全年挡水围堰全年持续施工,工期较短,建设期发电量多;加之上坝址在长洲上游端.对苍梧县城和梧州机场影响小,对长洲(梧州市的蔬菜,水产基地)沉没小,占用土地少.10而下坝址比上坝址少一种岛及一条江,需要在外江深水河床修建纵向围堰,厂大1此,工程量大,难度大,并且只宜做过水围堰,对施工通航不利.加之下坝址紧靠苍梧县城,离梧州机场近,对苍梧县城建设和梧州机场十扰大.综合比较选定上坝址.长洲水电枢纽坝址选择从19

10、89年到l993年.历时5年,争论相称剧烈.笔者觉得,坝址选择真正起作用的是坝址自身的自然条件,设计者的责任是充足结识,运用坝址的自然条件.将其呈现出来.作者有幸参与了长洲水电枢纽坝址选择并代表中水珠江设计公司向选坝会议报告上坝址方案.3枢纽布置低水头河床式电站重要建筑物有泄水闸,河床式厂房,船闸及连接坝段.枢纽布置要考虑的因素诸多.如地形地质条件,运营条件,水流条件,交通条件,工程量和投资,施工导流和施工通航,施工工期等.一般情况下,由于通航水流条件较难满足,船闸位置应优先考虑.船闸宜临岸布置,不应布置在泄水闸,电站厂房与过水建筑物之间.枢纽布置要考虑的因素固然诸多,但每个工程均有它最突出的

11、问题.一定要在突出的问题上作文章.常规的枢纽布置好做,但非常规的布置要做好并不容易.既要有全面的专业知识,又要有丰富的工程经验.下面以飞来峡水利枢纽为例阐明飞来峡水利枢纽坝址河床宽阔.主流靠左岸,水面宽约700m,河床冲积层厚818m,下伏基岩为花岗岩.弱风化岩体顶板从左岸向河床倾斜,高程1O15m.右岸高漫滩地面高程18m,宽约1000m,长约m,冲积层厚2534m,弱风化岩面高程一般为一17m.枢纽由16孔溢流坝,河床式厂房(安装4台机组),船闸和土坝构成,三大混凝土建筑物前缘长度约500rn.飞来峡水利枢纽于1984年选定升平坝址.在此后的6年里,枢纽布置始终局限于滩地布置和河床布置两大

12、方案.滩地布置方案:将三大混凝土建筑物布置在右岸高漫滩.运用原河床导流和通航.长处是导流工程简朴,施工通航条件好,工程动工即可进行主体工程开挖.缺陷是泄洪闸只宜采用软基,工程量大:对河势的变化大,上游夹洲也许影响进水.下游板塘山咀影响出闸流向,有碍船队航行.河床布置方案:将三大混凝土建筑物布置在原河床,施工第一期运用右岸滩地开挖明渠导流和通航.长处是对河势无变化,泄水闸可采用岩基,工程量比滩地方案少.缺陷是明渠工程量大(明渠长3400m,底宽2O0m,土方开挖5oo多万m3,衬砌混凝土ll万ms),工期约需一年半.1990年提出左移方案,即将河床方案的三大混凝土建筑物向左岸平移300m,船闸和

13、厂房布置在左岸山丘,溢流坝布置在河床左侧.第一期施工围左岸船闸,厂房和溢流坝,由扩宽后的右侧河床导流和通航.该方案克服了上述两方案的缺陷,与河床方案比较,节省投资7700万元,工期缩短一年半.左移方案,目前看简朴,事实上并不简朴,否则研究了6年就没有人提出过.这是由于飞来峡坝址河床宽达m,而三大混凝土建筑物前缘宽度只需500m,加之左岸河边是两座山.高出河床3O40m.因此一般人不会去想也不敢想.放着2OO0m宽的河床不用,却要挖两座山,又要多做300m长的土坝.没有丰富的工程经验不也许提出左移方案.4建筑物设计优化4.1泄水闸规模的拟定低水头电站回水线的特点:在一定的蓄水位条件下.小流量的回

14、水终点离坝址远.大流量的回水终点离坝址近,闸门全开敞泄时回水终点移至坝前.在设计长洲水电枢纽时.泄水闸规模按宣泄lO年一遇洪水时坝前水位雍高不不小于30cm拟定.后来自石窑,飞来峡,丹竹,蓬辣滩水电站设计时都照此办理,似乎坝前水位雍高不不小于30cm成了一种规定.其实否则,泄水闸规模重要影响库区沉没,应当通过经济比较拟定.在设计梅江丙村,三龙电站时,对泄水闸的规模作了经济比较.采用了较小的泄水闸规模,坝前水位雍高达tJ50cm.笔者觉得若库区没有大量土地,房屋.合适减小泄水闸规模,加大坝前水位雍高.是经济合理的.4-2消能防冲设计低水头电站在大洪水时全开闸门敞泄,上,下游水位差很小,闸下呈波流

15、或面流与下游衔接,没有消能问题.只有在入库流量不小于电站满发流量,不不小于停机流量时,发电外的多余流量由泄水闸宣泄(弃水工况),才存在消能问题.弃水工况的消能防冲水力设计可先计算,再由水工模型实验验证.一般采用开挖消力塘加大水深选用面流消能,可以节省工程量和投资.对水头较高的电站,可以在闸下设立隔墙.将其提成两区:一区设消力池:另一区即弃水工况开闸泄水或把池底高程减少使其满足面流消能,或设消力池.例如白石窑,飞来峡,丹竹,蓬辣滩水电站等都采用面流消能,不设消力池.但要注意,为了保证泄水闸的安全.泄水闸下游应设混凝土齿墙,底高程应在冲刷线如下.对存在缓倾角软弱夹层的闸基.要核算冲刷坑形成后的抗滑

16、稳定.4.3土坝低水头河床式电站坝址河床宽阔.除布置泄水,通航,发电建筑物外,尚需布置土坝.由于土坝的挡水高度小.为了减少投资,缩短工期,可采用不做围堰,不清基,直接在水中抛填砂砾料筑坝,做混凝土防渗墙防渗.白石窑水电站和飞来峡水利枢纽都采用这种做法.白石窑水电站小江土坝.最大坝高28.5m,上,下游水位差最大l2.2m,安排在第二期施工.不做围堰,不清基,把截流戗堤作为土坝下游排水棱体.水下部分抛填砂砾料,水上部分采用斜心墙碾压土坝,心墙如下设置混凝土防渗墙.自1997年3月l5日下闸蓄水至今,坝坡稳定,坝体无裂缝,无明显不均匀沉降,坝下游没有集中渗漏和管涌.飞来峡水利枢纽右侧河床土坝,最大

17、高度34.8m,河床冲积层厚14m,以含砾中粗砂为主,安排在第二期施工.结合工程截流,在坝体上,下游各设一道堆石戗堤,两堤之间用河沙填出水面,并对所填河沙进行振冲加密.水面以上按碾压土坝施工,采用混凝土防渗板墙防渗.运营几年来,土坝安然无恙.5施工导流与工期电站的经济效益除了优比没计,减少工程量,投资,多发电外,还要靠早发电.因此缩短工期成为低水头电站的重要课题,而工期一方面取决于施工导流.下面是长洲水电枢纽施工导流的例子.长洲水电枢纽导流设计先后有4大方案:初步设计方案,VPL公司方案,广西电力设计院方案(简称施工图方案),优化方案.限于篇幅,下面仅简介两大方案.1t.)VPL公司方案.初步

18、设计后,广西区政府决定采用中外合资方式进行建设,奥地利VPL公司对上述方案进行了优化.船闸布置在外江右岸台地,19台机组厂房和41孔泄水闸所有布置在外江和内江,中江布置土石坝.施工第一期分别围外江和内江,均采用全年挡水围堰,围堰挡水原则按百年一遇洪水设计,全年施工,由扩大后的中江导流,通航.第一期工程完毕后封堵中江,工程即可蓄水发电,通航.发电工期和总工期均为4年6个月.该方案土,石方量约1000万m,多,投资约2亿多人民币,施工临时沉没也有所增长2月中电投资集团公司在梧州召开施工组织及工程优化设计研讨会,笔者在会上提出了导流优化方案,得到谭靖夷工程院士的赞赏,为业主采纳.b)优化方案.枢纽布

19、置:船闸位置不变:外江右侧布置16孔泄水闸,左侧布置9台机组厂房;中江布置15q:L泄水闸:内江左侧布置6台机组厂房,右侧布置12:fL泄水闸.导流标准:全年但是水土石围堰采用1O年一遇洪水原则,枯水期围堰采用11月1日至翌年4月15日一遇洪水原则.导流方案:第1个枯水期用低水围堰围外江,施工船闸,12孔泄水闸及厂房高水围堰,由中江和内江导流,中12江通航.第1个汛期由中江,内江和外江已建好的lOlL泄水闸(另2孔作为高水同堰基本)导流.中江通航,施工外江厂房.第2个枯水期用低水围堰围内江,施工内江lOlL泄水闸和厂房高水围堰,由中江和外江lOlL泄水闸导流,中江通航.第2个汛期由中江,外江1

20、6孔泄水闸和刚建好的内江8:fL泄水闸(另2孔作为高水围堰基本)导流,中江通航,施工内江厂房.第3个枯水期围中江,采用土石过水围堰,施工中江15孔泄水闸.南外江16孔,内江12孔泄水闸导流,航闸通航.第4年1月底外江厂房2台机组发电.发电工期2年8个月,总工期4年5个月.与VPL公司方案相比,总工期提前1个月,发电工期提前7个月.优化方案采用先外江,后内江,再中江逐江逐年动工,采用低水围堰在枯水期修建泄水闸和厂房高水围堰,厂房在高水围堰保护下全年施工.该方案的长处除工期缩短外,各期导流均有较大的过水断面,导流水位较低,施工临时沉没较少,导流工程量,投资较少.VPL公司方案的长处是导流简朴,风险

21、小.6结语通过低水头河床式电站的设计和建设,特别是通过梅雁集团几种电站的建设.低水头河床式电站的建设工期大大缩短,并且形成了一套程序和经验.其做法是将泄水闸分为两期建设,根据一,二期导流,航运需要划分第一期和第二期的孔数.为了提前发电,厂房放在第一期建设,在航运繁忙的河流,船闸也放在第一期建设.因此第一期围船闸,厂房和一部分泄水闸,第二期围剩余的泄水闸.船闸建设一般需要一年工期,泄水闸一种枯水期即可建成,工期由厂房控制.厂房土建需要1年到1年半.安装1台机组需要半年左右时间.因此发电工期最短的需1年半,如丹竹水电站;长一点的需2年,如蓬辣滩,红花水电站:长洲水电枢纽也只要3年.比起上世纪90年代此前水电站的建设.工期大大缩短