吉利水電站生態(tài)流量方案研究與設(shè)計(jì)

沈圣云，馮 銳

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

吉利水電站位于康樂縣蓮麓鄉(xiāng)與渭源縣峽城鄉(xiāng)交界洮河上，于2012年并網(wǎng)發(fā)電；電站主要包括引水系統(tǒng)、泄洪系統(tǒng)、廠房等部分。樞紐泄洪建筑物自左岸向右岸依次設(shè)34.7m的泄沖閘、72m溢流壩和約20m擋水重力壩；樞紐泄沖閘中孔口尺寸最小的工作閘門寬度為5m。

2 生態(tài)流量確定

北方河流滿足生態(tài)用水要求的最小流量為多年平均流量的10%，枯水期生態(tài)用水不應(yīng)低于該時(shí)段流量均值的20%的要求；根據(jù)吉利水電站水文資料的分析成果，吉利水電站的多年平均徑流為122m3/s，按10%計(jì)算生態(tài)用水量為12.2m3/s；枯水時(shí)段流量均值為46.6m3/s，按20%計(jì)算生態(tài)用水量為9.32m3/s；上述兩個(gè)流量均滿足了規(guī)范最小生態(tài)用水量的要求。

2018年12月25日，甘肅省水利廳下發(fā)《甘肅省水利廳關(guān)于嚴(yán)格落實(shí)水電站最小下泄流量的通知》；根據(jù)文件要求，最終確定了吉利水電站枯水期為11月～次年3月，相應(yīng)的最小生態(tài)用水量為10.87m3/s，豐水期為4月～10月，相應(yīng)的最小生態(tài)用水量為17.01m3/s。

3 生態(tài)流量下泄方案研究

3.1 技術(shù)條件分析

洮河吉利水電站樞紐泄水建筑物由泄沖閘和溢流壩組成，樞紐正常運(yùn)行蓄水位2020.50m，溢流堰頂高程2020.60m。泄沖閘設(shè)3扇工作閘門和1道檢修門槽，閘門設(shè)計(jì)水頭較低，理論上具備小開度開啟下泄生態(tài)流量的條件，也可通過閘門改造實(shí)現(xiàn)泄放生態(tài)流量。溢流壩段順?biāo)鞣较蚍謩e為鋪蓋、堰體、消力池、海漫。溢流堰采用WES曲線堰，堰寬72m，堰高7.1m，可在堰體開槽泄放生態(tài)基流，也可在溢流堰頂增設(shè)虹吸鋼管作為下泄生態(tài)流量的通道。

3.2 方案研究

(1)方案一：工作閘門墊塊+拉桿方案

在泄沖閘小孔工作弧形閘門底檻上焊接鋼墊塊，使閘門永久性處于小開度狀態(tài)，以滿足枯水期生態(tài)流量下泄；在閘門頂部設(shè)拉桿和鎖錠，豐水期通過啟閉機(jī)提升閘門后，將閘門頂部拉桿鎖定在閘墩上增加閘門開度，以滿足生態(tài)流量下泄的要求。當(dāng)電站檢修時(shí)，通過液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作系統(tǒng)增大調(diào)整閘門開度，使下泄流量滿足生態(tài)下泄流量要求。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單方便、投資少、工期短，底檻上墊塊使閘門永久性處于小開度狀態(tài)，生態(tài)流量下泄不受人為控制，泄流流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)泄水建筑物影響較小；缺點(diǎn)是泄沖閘工作閘門長(zhǎng)時(shí)間處于小開度，若墊塊高度設(shè)定不合理則會(huì)使閘門產(chǎn)生振動(dòng)，高速水流沖刷對(duì)溢流堰混凝土表面也有一定影響。

(2)方案二：閘門開孔+虹吸管方案

在泄沖閘工作弧形閘門梁格中開孔并設(shè)置引流鋼管下泄生態(tài)流量，以滿足枯水期生態(tài)流量下泄。在溢流堰上設(shè)虹吸管，豐水期通過真空泵引流形成虹吸，以滿足生態(tài)流量下泄要求。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是閘門上開孔設(shè)引流管施工簡(jiǎn)單方便，在溢流堰上敷設(shè)虹吸管，對(duì)已有樞紐建筑物影響小，不會(huì)影響建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和使用功能，生態(tài)基流泄水安全、可靠。該方案的缺點(diǎn)是破壞閘門結(jié)構(gòu)，影響閘門使用壽命；溢流堰上敷設(shè)虹吸管工程投資大、工期長(zhǎng)、施工難度較大，虹吸管道易因水位下降使虹吸水流摻氣產(chǎn)生振動(dòng)，閘門與鋼管分別進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)難度較大。

(3)方案三：溢流堰開槽方案

在溢流堰頂設(shè)兩孔生態(tài)流量下泄通道，尺寸為2.0m×2.0m，其中一孔不設(shè)控制閘門，以滿足枯水期生態(tài)流量下泄要求，另一孔設(shè)1扇閘門，在豐水期時(shí)打開閘門下泄生態(tài)流量。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是在溢流堰頂開槽泄流，利用現(xiàn)有下游消力池消能，不需另行設(shè)置消能設(shè)施，生態(tài)基流泄水安全、可靠。該方案的缺點(diǎn)是溢流堰頂開槽，一定程度破壞和影響原溢流堰壩體抗滑穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)安全，施工時(shí)須降低電站的運(yùn)行水位，施工難度較大、混凝土凝期長(zhǎng)，投資相對(duì)較高；

(4)方案四：生態(tài)流量洞

在大壩上游左岸新設(shè)一條生態(tài)流量隧洞，隧洞斷面尺寸為1.5m×2.0m，在隧洞進(jìn)口設(shè)控制閘室，通過閘門調(diào)節(jié)豐水期與枯水期的流量。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是新建獨(dú)立生態(tài)泄流洞，對(duì)大壩穩(wěn)定、泄洪安全均無(wú)影響，缺點(diǎn)是勘察設(shè)計(jì)工作量大，施工難度較大、混凝土凝期長(zhǎng)，投資相對(duì)較高；生態(tài)流量靠閘門控制，存在人為因素影響流量下泄的情況，在生態(tài)用水量較大的水電站工程中可應(yīng)用。

上述方案經(jīng)施工條件、工期長(zhǎng)短、投資額等多因素比較，方案一施工難度最小、工期最短、投資額最省，閘門振動(dòng)和高速水流對(duì)溢流堰混凝土表面沖刷的影響均在可控范圍之內(nèi)，對(duì)電站原泄水建筑物結(jié)構(gòu)影響最小，優(yōu)先選擇方案一作為吉利水電站生態(tài)流量下泄的方案。

4 方案設(shè)計(jì)

4.1 下泄流量計(jì)算

生態(tài)流量下泄按如下公式計(jì)算：

式中，μ0—閘孔自由出流的流量系數(shù)；e—閘門開啟高度；b—閘孔凈寬；n—閘孔孔數(shù)；H0—包括行近流速水頭的作用水頭；H—閘前水深。

經(jīng)計(jì)算，弧形工作閘門開度為28.5cm時(shí)，可通過閘門的水量為11.01m3/s，滿足枯水期生態(tài)流量要求；弧形閘門開度為45cm時(shí)，可通過閘門的水量為17.22m3/s，滿足豐水期最小的生態(tài)流量要求；流量與閘門開度特征數(shù)據(jù)見表1。

4.2 工程設(shè)計(jì)

本次選取5m寬(小孔)泄沖閘弧形閘門作為生態(tài)流量下泄通道進(jìn)行改造，在底檻上焊接墊塊作為永久措施，在閘門頂部焊接拉桿作為豐水期泄流的措施。

(1)閘門底檻墊塊

為減少墊塊阻水面積，墊塊設(shè)計(jì)為焊接工字鋼斷面，順?biāo)鞣较蛴媒呛缚p焊接于底檻上，安裝時(shí)保證墊塊高度和角度相同，共設(shè)五個(gè)墊塊，安裝后墊塊頂面距底檻表面28.5cm，兩端墊塊中心距離側(cè)墻40cm，墊塊之間中心間距分別為110cm和100cm。

表1 洮河吉利水電站5m泄沖閘不同閘門開度特征數(shù)據(jù)表

(2)門頂拉桿和鎖定

為滿足豐水期下泄流量，閘門開度應(yīng)增加至45cm，枯水期閘門應(yīng)下降至28.5cm，為滿足不同開度的要求，閘門頂部設(shè)置可鎖定的拉桿，拉桿采用鋼板組焊結(jié)構(gòu)。在閘墩檢修平臺(tái)上將拉桿鎖定以保持弧門開度，拉桿與閘門邊梁連接件須采用軸銷式的可拆裝結(jié)構(gòu)，檢修維護(hù)時(shí)將閘門提升至孔口時(shí)拆除拉桿。

5 監(jiān)測(cè)設(shè)施

為確保生態(tài)流量的足量下泄，在閘門后設(shè)置高性能、高可靠度的超聲波閘門流量計(jì)；在消力池出口設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)矩形槽斷面，矩形槽配超聲波流量計(jì)和水位尺，并設(shè)置全景高清攝像頭視頻監(jiān)控設(shè)備；對(duì)生態(tài)流量實(shí)施“全覆蓋、全天候、全方位”實(shí)時(shí)監(jiān)控。

為加強(qiáng)對(duì)生態(tài)基流流量的監(jiān)測(cè)、監(jiān)管，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)實(shí)時(shí)上傳至政府在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，由政府牽頭實(shí)施行政監(jiān)管。

6 結(jié)論

在正常水位運(yùn)行下，枯水期利用墊塊抬高閘門泄水，豐水期通過拉桿鎖定閘門泄水，能夠滿足下游河道的生態(tài)流量需求，理論計(jì)算下泄流量與實(shí)際監(jiān)測(cè)流量基本吻合，該方法投資低、工期短的優(yōu)勢(shì)明顯，可供類似電站增設(shè)生態(tài)流量設(shè)施時(shí)參考。