某水電站生態(tài)放水孔設(shè)計(jì)

韓鵬輝，張 浩

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

1 工程概況

某水電站位于黃河上游干流上，總庫(kù)容16.22 億m3，電站裝機(jī)容量為2200 MW，屬一等大（1）型工程。樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪洞及地下廠房組成。

2 問(wèn)題由來(lái)

根據(jù)工程運(yùn)行及生態(tài)環(huán)境需要電站運(yùn)行期間必須給下游下泄一定的生態(tài)流量，以滿(mǎn)足河道生態(tài)要求和電站下游村鎮(zhèn)的生產(chǎn)、生活用水需求。本工程生態(tài)放水最初設(shè)計(jì)方案為通過(guò)電站小機(jī)組運(yùn)行或者泄洪放空洞局開(kāi)下泄生態(tài)流量。雖然這兩個(gè)方案均利用了其它永久建筑物，節(jié)省了工程投資，但機(jī)組和泄洪洞檢修期間，河道存在短期斷流的風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)保部門(mén)要求：為了確保下泄生態(tài)流量的可靠性，生態(tài)放水孔必須單獨(dú)設(shè)置，不得利用其它永久建筑物。因此，為了響應(yīng)環(huán)保部門(mén)的要求，必須單獨(dú)設(shè)置1條生態(tài)放水孔，與其他的永久建筑物相互獨(dú)立，互不干擾。

3 生態(tài)放水孔布置方案比選

樞紐區(qū)左、右岸出露硬巖均為二長(zhǎng)巖和變質(zhì)砂巖，展布范圍略有不同，地質(zhì)條件基本相同。

3.1 布置運(yùn)行原則

3.1.1 運(yùn)行特點(diǎn)

庫(kù)水位正常運(yùn)行范圍為死水位3240 m至正常蓄水位3275 m高程。庫(kù)水位為3275.0 m～3240.0 m，當(dāng)遭遇電站大、小機(jī)組運(yùn)行受阻，泄洪放空洞運(yùn)行受阻，溢洪道不宜小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，生態(tài)放水孔局開(kāi)運(yùn)行；庫(kù)水位≤3240.0 m 時(shí)、工作弧門(mén)全開(kāi)運(yùn)行。

3.1.2 布置原則

（1）樞紐布置格局、特征水位不變的前提下，合理布置生態(tài)放水孔。

（2）在滿(mǎn)足生態(tài)放水孔功能性要求，安全運(yùn)行的前提下，盡可能利用永久或臨時(shí)建筑物，以方便施工，減少工程投資。

（3）左岸布置可利用已建導(dǎo)流洞永久封堵段以下洞段及出口明渠段，采用洞內(nèi)消能；右岸布置可利用壩頂高程以下面板堆石壩右岸邊坡與溢洪道左側(cè)開(kāi)挖邊坡之間巖體，采用挑流消能；

（4）生態(tài)放水孔應(yīng)單獨(dú)布置和運(yùn)行，只用于本工程建成之后生態(tài)放水，不參與工程的泄洪、放空。

（5）消能區(qū)左右岸邊坡、右岸泄水建筑物出口鼻坎段邊坡防護(hù)工程范圍及措施原則上不變。

3.2 孔口尺寸擬定

擬定生態(tài)放水孔孔口尺寸2.4 m×3.0 m，最低運(yùn)行水位為3240 m，進(jìn)水口高程為3230 m，最低運(yùn)行水頭10 m，此時(shí)全開(kāi)滿(mǎn)足環(huán)保部門(mén)要求的生態(tài)流量65 m3/s。

3.3 方案比選

3.3.1 方案1：左岸布置（與導(dǎo)流洞結(jié)合）

左岸布置，可充分利用已建導(dǎo)流洞，其退水洞段、出口鼻坎及消能區(qū)無(wú)需新建；進(jìn)水口、豎井式閘室、閘后無(wú)壓緩坡洞段及旋流消能豎井段沿洞軸線(xiàn)工程地質(zhì)條件、巖體質(zhì)量較好；進(jìn)水口雖存在高邊坡問(wèn)題，但進(jìn)水口洞軸線(xiàn)、閘室型式調(diào)整裕度較大，不制約進(jìn)水口的合理布置。

生態(tài)放水孔進(jìn)水口布置在導(dǎo)流洞與左岸壩肩之間的自然邊坡，進(jìn)口底板高程3230.0 m；由有壓盲洞段、豎井式閘門(mén)井段、無(wú)壓洞緩坡段、消能豎井段、導(dǎo)流洞改建段及導(dǎo)流洞退水洞段組成。消能方式采用洞內(nèi)豎向旋流消能。

有壓盲洞段標(biāo)準(zhǔn)斷面直徑4.0 m，豎井式進(jìn)水口（事故門(mén)、弧形工作門(mén)相鄰布置），工作門(mén)孔口尺寸2.4 m×3.0 m。閘后無(wú)壓洞緩坡段底坡i=0.03，城門(mén)型標(biāo)準(zhǔn)斷面2.4 m×4.5 m，豎向旋流洞標(biāo)準(zhǔn)斷面φ3.6 m，退水洞及鼻坎段利用導(dǎo)流洞永久封堵段以后的導(dǎo)流洞段及出口鼻坎段。具體布置見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 生態(tài)放水孔左岸布置方案平面示意圖（3230.0m 方案）

圖2 生態(tài)放水孔左岸布置方案縱剖面示意圖（3230.0m 方案）

圖3 生態(tài)放水孔右岸布置方案平面示意圖（3230.0m）

布置特點(diǎn)如下：

1）閘后無(wú)壓洞緩坡段、渦室豎井段具有檢修條件，導(dǎo)流洞退水洞段檢修時(shí)出口段需臨時(shí)堵?lián)酰粠?kù)水位降至3230.0 m 以下，進(jìn)口有壓盲洞段亦具備檢修條件；

2）閘后無(wú)壓洞緩坡段不同開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，平均流速在12 m/s～20 m/s 之間變化；

3）進(jìn)口段岸坡雖較陡，但開(kāi)挖、支護(hù)工程量較小，進(jìn)水口豎井式結(jié)構(gòu)體型抗震防震問(wèn)題不突出；

4）豎向旋流消能，渦室直徑小，導(dǎo)流洞改建段工程量大；

5）利用左岸3283.0 m 高程帷幕灌漿平洞，設(shè)置渦室頂部水平向通氣洞和豎向通氣孔；

6）去豎井式閘門(mén)工作門(mén)啟閉機(jī)室交通為水平（壩頂交通道路+傍山交通道路）+豎向交通（豎向交通鋼梯）。

3.3.2 方案2：右岸布置（與溢洪道結(jié)合）

右岸布置，均靠河谷岸邊；沿洞軸線(xiàn)工程地質(zhì)條件、巖體質(zhì)量較左岸差。由于樞紐布置的主體在右岸，且3263.0 m 高程以上開(kāi)挖已基本完成，雖然洞線(xiàn)較短、布置較順暢，其進(jìn)、出口段高邊坡問(wèn)題不突出，但均利用樞紐永久建筑物邊坡布置，圍巖厚度小，洞線(xiàn)布置調(diào)整空間小，限制條件相對(duì)較多。

生態(tài)放水孔布置在右岸壩肩與溢洪道左側(cè)巖坎之間；由有壓盲洞段、豎井式閘門(mén)井、無(wú)壓洞段、明渠段、出口鼻坎段組成；采用挑跌流消能。

生態(tài)放水孔洞軸線(xiàn)位于溢洪道軸線(xiàn)左側(cè)（約28 m），洞軸線(xiàn)基本平行溢洪道軸線(xiàn)。進(jìn)水口位于泄洪放空洞引渠進(jìn)口段左側(cè)邊坡，事故門(mén)、工作門(mén)閘室布置在溢洪道堰閘段左邊墩（豎井式布置、事故門(mén)利用溢洪道檢修門(mén)門(mén)機(jī)啟閉），工作門(mén)孔口尺寸2.4 m×3.0 m；出口挑流鼻坎段位于溢洪道左側(cè)鼻坎段平臺(tái)上（底板高程3131.0 m）。具體布置見(jiàn)圖3、圖4。

圖4 生態(tài)放水孔右岸布置方案縱剖面示意圖（3230.0m）

布置特點(diǎn)如下：

1）由于洞軸線(xiàn)靠近岸邊展布，進(jìn)水口、有壓盲洞段、閘室段、無(wú)壓洞段巖體質(zhì)量相對(duì)較差；

2）溢洪道堰閘段左側(cè)3263.0 m 高程以上巖坎難以保留，3263.0 m 高程以下開(kāi)挖線(xiàn)需向左側(cè)平移約8.5 m，同時(shí)左側(cè)縱向排水廊道需向右側(cè)調(diào)整2 m；無(wú)壓洞段頂拱右側(cè)圍巖厚度較小（小于1 倍洞徑），成洞有難度，需強(qiáng)支護(hù)或降低進(jìn)水口底板高程；

3）無(wú)壓洞段、明渠段具備檢修條件，庫(kù)水位降至3230.0 m以下，有壓盲洞段亦具備檢修條件；

4）無(wú)壓洞緩坡段標(biāo)準(zhǔn)斷面2.4 m×4.5 m，不同開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，平均流速在12 m/s～20 m/s 之間變化，緩坡段布置在溢洪道左孔左邊墻外側(cè)與泄槽左側(cè)開(kāi)挖邊坡之間，樁號(hào)溢0+200 m～溢0+282 m 之間邊坡需向岸邊擴(kuò)挖4 m（其中溢0+200 m～溢0+235 m 之間按明洞設(shè)計(jì)）；

5）明渠陡坡段、出口水平段仍為高速水流區(qū)域（約30 m/s～40 m/s）；出口鼻坎段布置在溢洪道鼻坎段3131.0 m 平臺(tái)上，挑流消能；

6）閘室洞段布置與右岸壩肩防滲帷幕布置有干擾，需調(diào)整主帷幕軸線(xiàn)；

7）堰閘段、泄槽段3263.0 m 高程以上存在邊坡二次開(kāi)挖問(wèn)題。

3.4 比選結(jié)果

3.4.1 左岸方案

優(yōu)點(diǎn)：新建洞段洞軸沿線(xiàn)主要為變質(zhì)砂巖，洞身段圍巖地質(zhì)條件較好；進(jìn)水口閘門(mén)井豎井式布置，結(jié)構(gòu)受力條件好；下泄生態(tài)流量，水頭變幅適中，安全運(yùn)行條件好；利用永久封堵段后導(dǎo)流洞段及出口段布置退水洞及出口段，永臨建筑物結(jié)合較好；施工干擾小；工程直接投資適中。

缺點(diǎn)：運(yùn)行管理方便程度較布置右岸差；檢修條件略差于右岸布置；豎向旋流水力學(xué)問(wèn)題合理解決有一定難度；導(dǎo)流洞結(jié)合段需改建，臨建工程量較大。

3.4.2 右岸方案

優(yōu)點(diǎn)： 運(yùn)行管理方便，檢修條件略好于左岸布置；進(jìn)水口閘門(mén)井豎井式布置，結(jié)構(gòu)受力條件好；下泄生態(tài)流量，水頭變幅適中，安全運(yùn)行條件好；挑流消能，水力學(xué)條件較好；沒(méi)有臨建工程量，工程直接投資適中。

缺點(diǎn)：樞紐布置格局右岸更顯緊促；靠近岸坡布置，洞軸沿線(xiàn)主要為二長(zhǎng)巖，洞身段圍巖厚度偏小，地質(zhì)條件較差，成洞有一定難度；進(jìn)水口位于泄洪放空洞引渠左側(cè)開(kāi)挖邊坡，建筑物軸線(xiàn)相鄰溢洪道左孔左側(cè)布置，堰閘段、泄槽段存在二次開(kāi)挖問(wèn)題，與溢洪道施工干擾大。生態(tài)流量增加布置，洞身段圍巖厚度偏小問(wèn)題更加突出，對(duì)布置有一定的限制因素。

3.4.3 推薦方案

經(jīng)過(guò)地質(zhì)條件、施工條件、消能方式、運(yùn)行管理、檢修條件、投資等多方面比較，最終選定方案為左岸方案，即生態(tài)放水洞與導(dǎo)流洞結(jié)合的型式。本工程目前處于施工階段，計(jì)劃2024 年全部機(jī)組發(fā)電。

4 結(jié)論與建議

（1）本工程通過(guò)各方綜合比選，選定了生態(tài)放水孔和導(dǎo)流洞結(jié)合的型式，節(jié)省了工程投資，加快了施工進(jìn)度，布局合理，便于日常運(yùn)行管理。

（2）隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保工作的要求不斷提高，為了保證河道的生態(tài)，設(shè)置單獨(dú)的生態(tài)放水孔是必要的。在水電工程前期工作中，就應(yīng)該結(jié)合環(huán)保要求，結(jié)合樞紐總體布局，提前規(guī)劃生態(tài)放水孔的布置。

（3）本工程生態(tài)放水孔作為后期增加的建筑物，其布置和結(jié)構(gòu)型式可以為類(lèi)似工程提供參考。