低水頭大流量水利樞紐特性分析與設計優化

【摘要】經多年建設運營發現，低水頭大流量水利樞紐工程具有巨大優勢。低水頭大流量水利樞紐在壩體選址、施工導流、蓄水位等方面與其他工程均有差異，好的選址、優化的施工導流能夠為工程帶來極大的效益。合理利用低水頭大流量水利樞紐的相關特征，科學設計、施工建設，能極大促進低水頭大流量水利樞紐工程的發展。

【關鍵詞】低水頭大流量；水利樞紐；設計優化

引言

上世紀后期，由于能源的缺乏，部分地區依照地理環境特征，開發了眾多低水頭水電站。到了新世紀，水利開發多為發電、防洪、航運和水景改觀等方面的利用。低水頭大流量水利樞紐特有的性質優勢，讓我國在低水頭大流量水利樞紐建設運營方面取得了諸多進展。

1、低水頭大流量水利樞紐的特征

我國低水頭大流量水利樞紐大多地處南方河流，多在中下游地區，均是人口稠密、交通密集、地勢平緩的河谷開闊地。這些水利樞紐具有這些特征：第一，水頭較低，壩頭亦偏低；第二，水流量較大，大規模的泄洪能力，水閘下方的水深較大，導流較為困難；第三，水輪機較大，廠房需建立較大規模；第四，通常有航運方面的任務，需布設航道，施工期間也不可斷航；第五，庫區的淹水問題較為突出。

在我國改革開放初期，低水頭大流量水利樞紐的主要功能是發電，但又要兼顧航運功能，因此低水頭大流量水利樞紐運營過程中的經濟效益不高。因此，要優化設計，降低造價，今早、盡可能多的發電，方能提高低水頭大流量水利樞紐工程的效益。

2、優化工程設計

2.1 優化蓄水位和庫區的相應防護

低水頭大流量水利樞紐具有流量大、水頭低的特性，而發電的體量又取決于水頭與水流量，因此對于電站來說，水頭是非常珍貴的。大多數低水頭發電站僅有數米的水頭，增加水頭能提高發電量。然而，提高蓄水位會引發水淹風險，因而需要采取避免淹沒庫區的措施，包括水庫的運行形式和庫區的相關防護。正常的庫區蓄水位決定著發電量和庫區的淹沒賠償問題，涉及面廣，唯有綜合權衡，水庫蓄水位最優化，方能逐步改善低水頭大流量水利樞紐的經濟效益。

2.2 優化選址和工程布局

第一，要優化低水頭大流量水利樞紐的選址。由于低水頭大流量水利樞紐水流量大，泄洪也有很大規模，導致實施導流的難度極大。在選址時，河床的快讀應該大于泄洪閘門、廠房、船閘等三個建筑物前緣長度之和，并留有適當的余地。選擇擁有島嶼或沙洲的河段更好，能降低導流圍堰工程的施工難度。

第二，要優化工程樞紐的布局。低水頭大流量水利樞紐工程建筑物主要有泄洪閘、廠房、航運船閘和鏈接的壩段等。一般情形下，由于航運水流的條件控制難度較大，布局過程中要優先考慮通航船閘的位置。此外，船閘最好是臨岸而建，避免布置在發電站和泄洪閘的中間位置。

2.3 優化泄洪規模以及施工導流工程

首先，要科學規劃泄洪的規模。經科學研究和數據分析發現，低水頭大流量水利樞紐發電站的回水線有以下特征：在同等蓄水位條件下，泄洪流量規模越小，回水的終點就距離壩身越遠，泄洪流量規模越大，回水的終點就距離壩身越近，泄洪閘們全開，回水終點甚至會提到壩前。這就說明，水庫尾端的回水外包線是發電量所控制的，而壩前則是由蓄水位決定，泄洪流量只要能夠滿足淹沒處理的設計水位低于正常的蓄水位即可（如下圖1所示）。一旦淹沒處理的設計水位比正常蓄水位要高，泄洪規模的選擇就要通過相應的淹沒賠償比較來確定。以上分析師基于水質清澈的水庫而言。

其次，要優化施工導流工程。要改善水電站的運營效益，除了減少工程的體量、資金投入之外，還要早發電、多發電。縮短工期是水電工程最實際的效益，而施工導流工程又決定著工期的長短。依據工程實際情況，優化導流過程，確保相關配套工程可以不受導流贏下及時開工建設。優化設計方案，可以縮短工期，減少導流施工的體量，減少投入。

3、優化泄洪閘消能防沖建設，采用無圍堰筑壩

3.1 優化泄洪閘消能防沖建設

低水頭大流量水利樞紐在進行閘門全開的泄洪作業時，庫區上下游間的水位差距不到一米，且下游的水深很大，泄洪閘下方呈波流或面流來銜接下游，并無消能需要。而當水庫的入庫水流量要大于水電站慢發作用時的流量、而又小于停機時的流量的情形下，發電之外的棄水就需要通過泄水閘門的宣泄方能解決消能的問題。

3.2 實行無圍堰筑壩

由于低水頭大流量水利樞紐兩岸與土壩鏈接的高度通常小于40米，倘若采用常規的筑壩方式，圍堰建設的工程量與土壩幾乎持平，一個在水庫枯水期極難達到的攔洪搞成，是費時且費錢的。采用無圍堰筑壩，以截流堤作為下游排水棱體，用砂礫石來拋填水面以下的部位，水面以上采用碾壓的土壩，拋填部分以及壩基覆蓋層均用混凝土防止滲透。

4、結語

低水頭大流量水利樞紐歷經多年的發展，工程設計和樞紐運營方面都取得了豐富的經驗，也取得了很大的進步，低水頭大流量水利樞紐的設計、建設、運營水平都有了顯著提高。低水頭大流量水利樞紐給生態環境帶來的影響較小，屬于國家支持發展的綠色產業，應當獲得更大的支持力度。

參考文獻：

[1]曾新民. 低水頭大流量水利樞紐特性與設計優化[J]. 中國水利，2010，20：75-77.

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