老撾南俄4水電站生態(tài)放流裝置設計

胡小光，陳子華

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

為確保下游生態(tài)用水不斷流，通過水電站下泄一定流量保證下游生態(tài)流量需求的過程稱為生態(tài)放流。生態(tài)放流是維持下游河流生態(tài)功能的基本途徑，是河流生態(tài)系統(tǒng)的一項重要指標。為維持下游水生態(tài)系統(tǒng)的平衡和持續(xù)發(fā)展，在水電站建設時考慮設置相應的生態(tài)放流系統(tǒng)已成為國家環(huán)保部門的硬性要求。

水電站傳統(tǒng)的生態(tài)放流裝置設計是在相應水位區(qū)間專門增設生態(tài)放流孔和閘門，通過閘門長期局部開啟或全部開啟進行泄流。王友春[1]提出了利用閘門局部限位開啟，通過閘底泄流保證下泄生態(tài)流量的方法。劉元海等[2]介紹了通過控制沖沙閘開啟度，使其在2～4 cm之間變化，實現下放基流的方法。這種方法簡單直觀，但閘門運行頻繁。閘門開啟時出水斷面流速大，流態(tài)紊亂，閘門振動大，水流長期沖刷堰頂和側墻，對建筑物的結構設計和閘門啟閉機配置均有較高要求，且很難精準控制下泄流量。

為解決上述問題，本文提出在底孔工作閘門結構上設置生態(tài)放流裝置的方案[3]，即在閘門門葉上安裝電動閥門，利用閥門的自動調節(jié)流量功能，通過長期局部開啟閥門控制水流達到下放生態(tài)流量的目的。

1 項目概況

南俄4水電站位于老撾境內湄公河左岸的一級支流南俄河，該電站采用混合式開發(fā)方式，裝機容量240 MW，主要建筑物由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐3個部分組成。其中，底孔泄洪建筑物位于溢流表孔右岸，由1孔2.0 m×2.2 m底孔弧形工作閘構成，閘門設計水頭為40 m，支鉸為圓柱鉸，支臂為直支臂，門葉結構為雙主橫梁。閘門操作條件為動水啟閉，全開全關，原主要功能為水庫放空和進水口檢修維護。

2 裝置設計及實施

2.1 方案比選

根據南俄4水電站建筑物結構布置，工程設計初步考慮的生態(tài)放流措施可包括以下3種方式：① 在相應水位區(qū)間專門增設生態(tài)放流孔和閘門，閘門開啟度控制在2～4 cm，通過閘門長期局部開啟泄流；② 在壩身預埋鋼管作為生態(tài)流量管泄流；③ 利用已有底孔工作閘門，在閘門結構上設置生態(tài)放流裝置。3種生態(tài)放流措施方案比較見表1。

由表1可知：① 方案1涉及大面積土建開挖和施工，且需新增大型金屬結構設備，經濟性最低，施工難度最大，預估運行效果不佳；② 方案2雖施工容易，經濟性最高，但作為生態(tài)放流裝置，無法對管內流量自動調節(jié)，且有堵塞風險[4]；③ 方案3在技術上可行，充分利用了現成的建筑設備，科學合理性和自動化程度最高，實施難度和工程造價明顯遠小于方案1，但具體評價需根據閥門型式和尺寸最終確定。為確定最終方案，需先針對方案3設計具體方案。

表1 生態(tài)放流措施方案比較

2.2 方案設計

方案3在閘門門葉上安裝電動閥門，利用閥門自動調節(jié)流量的功能，通過長期局部開啟閥門控制水流達到下放生態(tài)流量的目的。經計算，原閘門門前所受水壓力為2 177.74 kN，面板設計厚度為16 mm，材料為Q235B，計算梁格區(qū)間為482 mm×584 mm。因閘門需承受較大水壓力，鋼面板設計較厚實，閘門結構梁板格板空間緊湊，故閘門上可安裝設備的外形尺寸有限，且安裝的設備在工作時不應對閘門結構產生破壞性振動[1]。對樣本數據的分析比較可知：相較于一般的閥門，電動錐形閥具有流量調節(jié)范圍大、出口壓力較低、出口流速較低等優(yōu)點，結構設計能滿足線性調流和消能的功能，運行時穩(wěn)定可靠。而且，電動錐形閥外形為細長結構，安裝在閘門上時閘門開孔較小，對閘門整體結構及原本功能基本無破壞。因此安裝在閘門上的閥采用電動錐形閥較合適。

如圖1所示，生態(tài)放流裝置由無縫鋼管、電動錐形閥、閥門基礎托架、整流罩和電氣設備組成，通過供水閥的局部開啟可自動調流以保證生態(tài)流量下放。具體實施方法為：根據水庫水位情況確定供水閥中心線位置，根據水流流速和生態(tài)放流所需流量，計算所需過流面積，確定進水孔尺寸，選擇相應尺寸的錐形閥。

底孔弧形工作閘門門前最低水位為1 025 m，閘門底板高程為1 000 m，門后流速：

(1)

式中：u為流量系數；g=9.8 m/s2；h為門前最低水頭，m。

過流面積：

s1=f/v

(2)

式中：f為所需最低流量，m3/s。南俄4水電站下游河道生態(tài)流量需大于0.5 m3/s。

圖1 閘門結構上設置閥門裝置三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the valve on the existing gate structure

經計算，可得到門上錐形閥應達到的過流面積，反向推出所需錐形閥的孔口大小，最終確定安裝1個DN200的錐形閥即可滿足要求。

由上述分析可知，將所選錐形閥安裝在閘門面板結構上時，安裝空間足夠，且面板上開孔面積小(略大于Φ200)，與閘門結構結合為整體后，不會對閘門結構造成破壞。

經綜合比較分析，方案3在閘門結構上設置生態(tài)放流裝置實施難度小、工程造價低，科學合理性最高，故確定此方案為最終設計方案。

2.3 方案實施

如圖2和圖3所示，根據確定的閥門尺寸，在門葉面板孔口中心適當位置上開孔，將無縫鋼管進口端焊接在閘門門葉結構面板上的孔中，無縫鋼管主體部分焊接在門葉縱向隔板和門葉縱向隔板翼緣板上，電動錐形閥經法蘭連接無縫鋼管和出口整流罩，并通過增設在閘門相應位置的閥門基礎托架支撐閥門，以此將閥門固定在鋼結構閘門上。

弧形工作閘門由1臺啟門容量為320 kN/160 kN(啟門力/閉門力)、工作行程為3.5 m的搖擺式液壓啟閉機操作，電動錐形閥通過電纜線與液壓啟閉機室內控制柜連接，在液壓泵房內即可實現操作，閘門和閥的操作相互獨立。

圖2 閘門迎水面結構示意Fig.2 Structure of upstream gate

圖3 供水閥裝置與閘門裝配結構示意Fig.3 Instillation of water supply valve and gate

3 效果分析

放流裝置和閘門的運行和操作相互獨立，且放流裝置的設置未改變閘門的本身功能作用和現有溢流壩堰面曲線，對泄洪水流流態(tài)無影響。因此，將放流裝置安裝在閘門上，不僅能實現閘門原有的功能，又能通過閥門的自動調節(jié)功能不間斷下放生態(tài)流量，滿足功能定位要求。

如圖4所示，當閘門全關處于擋水狀態(tài)時，供水閥常開過流保證生態(tài)流量下放。如圖5所示，當閘門開啟泄洪前，先關閉供水閥再打開閘門過流，此時可利用地面有利條件對錐形閥進行維護和檢修。如圖6所示，通過配備計算機監(jiān)控系統(tǒng)和計量設備，在控制室內可實時監(jiān)測生態(tài)放流的狀態(tài)。通過以上流程的操作，可保障下游的生態(tài)放流不間斷。

圖4 閘門關閉閥門放流狀態(tài)示意Fig.4 Valve discharge condition after gate closing

圖5 閘門開啟閥門非放流狀態(tài)示意Fig.5 Non-discharge valve condition after gate opening

圖6 錐形閥信號控制示意Fig.6 Cone valve signal control

本生態(tài)放流裝置形式獨特，主要有以下特點。

(1) 因所選錐形閥的閥體具備線性調流和消能功能，且閥進水孔對稱開設在閘門面板孔口中心適當位置，有效避免了水壓力的不對稱作用對供水閥產生的振動和破壞，可削減生態(tài)過流時產生的能量和負壓振動。

(2) 錐形閥支承在閥門基礎托架上，由基礎托架傳遞并釋放作用在閥上的力。閥門基礎托架由常規(guī)型鋼組構而成，組合裝配方式簡單靈活，且材料質輕易加工，斷面抗彎剪能力強，支承閥門時穩(wěn)固可靠。

(3) 為保證供水閥和閘門連接的剛度和強度，連接閥門的無縫鋼管和閘門面板、門葉縱向隔板、門葉縱向隔板翼緣板焊接成一體，基礎托架和閘門兩側支臂腹板內側翼緣板焊接成一體，閥門和基礎托架采用高強度不銹鋼螺栓連接。以上焊接連接均可在工廠內完成，且能達到高質量的焊接效果。可在工廠內預拼裝，有效減少現場工作量，實現現場快速安裝。

(4) 閥門出口處設錐形弧面的整流罩，可約束閥門出口水流的流態(tài)，減小介質的動能，使調流閥出口因汽蝕而產生的氣泡被限制在流體中央，防止氣泡在調流閥及管道管壁處破裂而造成調流閥或管道的破壞。

目前，南俄4水電站上底孔工作弧形閘門和生態(tài)放流裝置已經安裝到位，運行安全穩(wěn)定。水流出底孔閥后，水流束集中且位于泄槽中間部位，對閘門河道均無沖刷。

經流量計實測，當庫水位達到最高水位1 043.9 m 時，通過閥的生態(tài)流量為1.7 m3/s；庫水位下降至最低水位1 025 m時，生態(tài)流量為1.2 m3/s，均大于所需生態(tài)流量，故該生態(tài)放流裝置的泄流能力滿足要求。

4 結 語

針對南俄4水電站的生態(tài)放流要求，在綜合分析了常規(guī)生態(tài)放流設施利弊之后，在底孔工作弧形閘門上安裝電動錐形閥以解決下游生態(tài)水泄放問題，通過供水閥的局部開啟自動調流實現生態(tài)流量泄放。此設計可為其他類似工程提供參考。