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空化柳江红花水电站位于广西壮族自治区柳江县境内，是广西柳江干流综合规划开发九个梯级的最下游一个电站，是以发电、航运为主，兼顾灌溉、旅游、养殖的综合利用工程。正常蓄水位77.5m，相应库容为5.7亿m，坝址以上控制流域面积46770km2，电站总装机容量为228MW，工程等别为等，主要建筑物为2级，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇，泄水建筑物消能防冲按50年一遇洪水设计，洪峰流量为29700 m/s。工程概算总投资16.7亿元,总工期3年3个月,发电工期2年8个月。红花水电站是一座典型的低水头河床式电站，低水头河床式电站的经济效益与枢纽布置、建筑物选型、优化等密切相关，而这些因素又影响到施工导流布置和施工期通航，红花水电站设计过程中结合施工导流的布置，对枢纽布置和建筑物优化选型进行了研究，取得一定的工程效果。一、枢纽布置的优化红花水电站坝址位于侵蚀溶蚀低山丘陵区，柳江在坝址处形成凹向左岸的微弯性河道。坝轴线处河面宽490m，河床高程57m62m。河床左侧在覆盖层1020m以下有一岩石滩地，长约200m250m，宽约100m140m，滩面高程60m63m。河床右侧有一砂洲(莫窑洲)，洲长大于400m，宽约200m，高程为60m62m。坝址左岸为岩石风化山包，山顶高程103.6m。右岸分布一、二、三级阶地，高程分别为70m80m、85m95m、100m120m。坝址河床覆盖层较薄，为含泥砂卵砾石层，下伏基岩为炭质灰岩夹硅质岩、灰岩及薄层炭质页岩。两岸覆盖层较厚，为碎石粘土、壤土组成的残坡积层及泥岩、粉砂岩夹硅质岩全风化层。枢纽布置要考虑的因素很多：地形地质条件、水流条件、交通条件、施工导流和施工通航、施工工期、运行条件、工程量和投资等。通常情况下，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，不应布置在泄水闸与电站厂房之间。红花水电站枢纽布置时考虑以下原则：1) 坝址洪水峰高量大，为保证建筑物安全和对上游淹没的控制，泄水闸布置应尽量维持原河道的河势，保证行洪安全顺畅。2)柳江是柳州市重要交通水道，枢纽布置应考虑船闸的运行特点，要求上下游引航道与原有天然枯水航道相衔接。3)施工导流设计必须同时满足泄洪和临时通航所要求的流量、水位及流速等条件。4)坝址两岸有来宾柳州桂林的220kV过河高压线跨河通过，枢纽布置时建筑物开挖应尽量避免对跨河高压线塔基础带来影响。5)在满足运行及建筑物安全的条件下枢纽投资尽量节省。根据上述原则，枢纽布置比较了左船闸右厂房方案、右船闸左厂房方案和船闸、厂房集中布置在左侧的三个方案。左船闸右厂房方案（方案一），船闸布置在左岸凹岸边，上下游与航道深弘线衔接，利于通航；厂房布置于右岸基岩风化深槽上，石方开挖量较小；对外交通公路在右岸，利于厂房发电设备的进场安装及施工区布置；电站进水渠须避开220kV跨河高压线塔基础；右岸基岩风化深槽土方开挖量大，回填量也较大。主体工程静态总投资9.36亿元，总工期3年9个月，其中发电工期3年2个月。左船闸左厂房方案（方案二），坝址处水面宽约490m(65m高程)，枢纽混凝土前缘长度约660m，该方案右岸泄水闸布置需深入右岸阶地100多米，工程量大；同时泄水闸将偏离原河床中弘线，河势改变较大，造成泄水闸下游岸坡的冲刷及行洪不畅，增加溢流前缘长度及护岸工程。主体工程静态总投资9.76亿元，总工期比方案一多5个月，发电工期比方案一多6个月。右船闸左厂房方案（方案三），避开右岸基岩风化深槽，回填方量较少；左岸厂房正向进水，进水流态较好，但石方开挖量大；船闸位于右侧凸岸，不利于与上下游航道深弘线衔接。主体工程静态总投资9.37亿元，总工期比方案一多2个月，发电工期比方案一多3个月。从上可见，左船闸右厂房方案投资最省，工期较短，泄洪顺畅，方便施工，利于通航，枢纽布置选定左船闸右厂房方案。左船闸右厂房方案即船闸位于左岸岸边，厂房布置右岸阶地，泄水闸居中布置于河床中部，这种枢纽布置总格局是合理的。但枢纽因受地形、地物影响，电站厂房必须侧向进水，进口流态较差。为改善厂房进口流态，厂房应在条件许可的情况下，尽量向河中左移。考虑提前发电和尽量减少影响通航的要求,水工建筑物布置与施工导流方案相互配合组成优化的组合方案,采用左右岸同时修枯水围堰的方式。在第一枯水期的9月中旬开始修一期右岸外枯水土石围堰,形成一期右岸基坑,施工厂房和右岸8.5孔泄水闸,并在12月前建好第8孔泄水闸和泄水闸下游的中隔墙及上游的混凝土纵向围堰;在第一汛期前修好右侧8孔泄水闸、厂房基础及一期厂房纵横向过水围堰;在第一汛期和第二枯水期时段内,在厂房过水围堰保护下厂房继续施工。要求在第二汛期前厂房完成至82高程以下的混凝土浇筑。第二汛期厂房在自身水下墙及闸门的保护下继续浇筑混凝土及机组安装。在第一枯水期的11月初开始修一期左岸枯水土石围堰,形成一期左岸基坑施工船闸,在第一汛期前完成高程70.5以下船闸的上、下闸首和闸室的右边墙及上、下游导航墙,其后即拆除一期左岸枯水土石围堰。在第一汛期间的非洪水条件下继续70.5以上船闸右闸室墙的浇筑。在第二枯水期内修建船闸上、下游枯水围堰,并利用上、下闸首和闸室的右边墙作为一期船闸纵向围堰,形成第二枯水期左岸基坑,继续完成船闸上下闸首和闸室的左边墙混凝土浇筑。此施工期间第一汛期由束窄后的河床左侧、已建好的5孔泄水闸和厂房过水围堰联合泄流,由河床的左侧通航;第二枯水期由束窄后的河床、已建好的5孔泄水闸过流,河床左侧通航;第二汛期前拆除厂房过水围堰,由束窄后的河床、已建好的8孔泄水闸联合泄流,河床左侧通航。在第三枯水期修河床左侧的泄水闸。利用下游中隔墙,上游纵向混凝土围堰以及船闸上、下闸首和闸室的右边墙作为二期基坑的右侧和左侧纵向围堰,并填筑二期上、下游横向土石围堰,在二期基坑保护下施工河床中间10孔泄水闸,利用在船闸下游设一临时交通桥解决二期基坑的对外交通。第三枯水期由已建好的8孔泄水闸过流,二期围堰临时挡水,船闸临时通航;第三汛期前拆除二期河床围堰,电站已建成,由已建好的18孔泄水闸泄流和船闸通航。因此,泄水闸分两期施工，泄水闸下游的中导墙兼做施工期的纵向围堰，把左岸河床段的门库移至船闸的左侧滩地上，泄水闸和厂房向左移，从而缩窄河床段建筑物前缘宽度，实现水工建筑物与施工导流临时建筑的结合。对于电站发电时上游漂来的污物，参照国内一些工程的实际做法，运行管理时采用环保清理措施，即及时清理，就地掩埋。这样，取消原来的排漂孔坝段，采用18孔泄水闸,堰顶高程60.0m，每孔净宽16m的泄水建筑物布置，根据模型试验验证的结果，其渲泄50年一遇的洪水时，坝前水位壅高值为32cm，回推至上游柳州市郊区鸡喇处的水位壅高不超过20cm，满足泄洪的要求。泄水闸和厂房之间的门库右移至厂房右侧，厂房就可以向河床中间移动44m，大大减少了原厂房上下游进出口的阶地开挖，避免了对右岸跨河高压线塔的影响，同时，也改善了厂房的进出口水流条件。泄水建筑物挡水前缘长度由388m减为366m。船闸顺应原枯水航道布置在河床深弘部位，泄水建筑物也位于原主河床，通航和泄洪都比较顺畅。经上述调整后，枢纽建筑物布置厂房左边墙桩号为0+437.0，泄水闸左边墙桩号为0+803.0，船闸中心线桩号为0+826.0，厂房左移了44m，开挖量减少了20多万m3，也节省了混凝土工程量，为两岸同时施工、泄水闸下游的中导墙兼做施工期纵向围堰创造了条件。二、厂房建筑物布置优化红花水电站厂房为河床式，位于河床右岸，厂房前缘总长152.855m，采用二机一缝的结构型式，根据机组设备布置、过水流道尺寸及结构的要求，从右到左为1、2机组段长36.22m，3、4机组段长35.22m，5、6机组段长39.935m。厂房左侧与泄水闸相接，右侧紧邻右岸门库段。主厂房由主机间和安装间组成，副厂房由尾水副厂房和安装间副厂房组成，变电站采用GIS设备，布置在安装间下游。主厂房前缘长111.39m，顺水流向宽86.01 m，顺水流向依次为进口段、座环段、转轮室和尾水管段，尾水管段上部布置尾水副厂房。主厂房右侧为安装间，前缘长41.47m，顺水流向宽63.62 m，顺水流向依次布置安装间副厂房、安装检修场、变电站。这样分区布置既合理又紧凑，充分利用了贯流式灯泡机组流道的结构特点，使主、副厂房与变电站既能相互沟通，又相对独立，运行管理十分方便。厂房进口流道宽12.15m，底高程42.575m。座环段，转轮室段尺寸根据机组运行、安装和检修要求，底高程为42.575m，水轮机井底高程39.80m，建基面高程分别为38.50m和35.80m。流道顶板顶高程为62.50m，流道顶板内布置有电缆廊道和管道廊道。主机间顺水流向长度19.03m，内设两台双梁式起重机。起重机分两层布置，上层轨顶高程79.00m布置起重量为150/50t的起重机，跨度为19m；下层轨顶高程73.00m布置起重量为32/5t的起重机，跨度为18.5m。桥机上游轨道梁支承在上游挡水墙的牛腿上，下游轨道支承在排架柱牛腿上。两台双梁桥式起重机分上下两层布置，大、小起重量的起重机能方便地左右交叉换位,与并排布置相比，既能充分利用了厂房的高度，又减少了安装间和边机组段的前缘长度，减少了厂房工程量和工程投资，而且使用方便。主机间布置时将发电机层、运行层合并为一层即发电运行层，高程为62.50m，布置油压装置和调整器，机组进人孔及供机组安装检修用的发电机井和水轮机井，在主机间流道顶板内设电缆廊道和管道廊道，节省了一层楼板，使布置更加简洁，同时电缆线、油气管道、水管道各入各廊道，使厂房管理显得有序，运行维护也很方便。尾水副厂房位于主机间下游、尾水管顶板上部，顺水流向长15.20m共分为四层。尾水副厂房根据需要，1、2、3机组段和4、5、6机组段分别布置成三层和四层，不同层布置既满足了使用要求，也有利于通风和采光。厂房与外界联系通道有三条：一条为垂直运输井，布置在安装间上游的坝顶平台上，可直接进入62.50m的进厂间；一条为安装间右端墙顶人行通道；一条为主机间左端墙顶人行通道和交通梯，两条通道均可联系坝顶公路、尾水副厂房及尾水交通平台。安装间上游副厂房设有一道楼梯，用以沟通安装间上游副厂房各层。尾水副厂房有一座电梯和两道主楼梯，楼梯可沟通尾水副厂房各层和发电运行层，并可直通至水轮机井底部，通过交通廊道贯通全厂。在3、4机组段设有一道简易楼梯，可沟通运行层和尾水副厂房各层。这样厂内各层均有足够的通道沟通各部位的联系，整个厂房交通十分便利。厂房采光采用自然采光和人工照明相结合，主机间、安装间的采光主要通过屋面采光带采光。下游副厂房主要通过屋面采光带和天井采光，其他部位主要采用人工照明。红花水电站由于汛期尾水位高，下游挡水墙较高，厂房内自然采光通风条件不好，为了尽可能利用有限的自然条件。主副厂房屋面均设有采光罩，同时利用错层和天井增加自然采光和通风面积，充分利用自然通风采光条件，尽可能减少能耗，降低运行成本。三、主要建筑物选型及优化1、泄水闸堰型的优化选择红花水电站坝址处洪水峰高量大，河床宽度有限，泄水闸的布置和设计要充分考虑建筑物安全和满足上游淹没（柳州市防洪堤和大桥）的控制条件。泄水闸堰型选择设计过程中比较了常用的WES型实用堰、宽顶堰、驼峰堰以及新推广的机翼堰。实用堰堰面曲线形状流畅，水流平顺，但施工不便，一般常用于较高的堰体。宽顶堰体型由堰顶直线、下游斜线和反弧段组成；驼峰堰体型由堰顶圆弧、上下游反弧和上下游直线段组成，这两种堰型形状扁平，堰型结构简单，施工方便，整体稳定性好。机翼堰更接近水流流线，与水流的贴合性好，其过流能力大于同等条件下的WES低堰，且运行中堰面较少出现负压，堰面压强分布特性优于WES低堰，另外堰顶部分平缓，便于布置闸门，挡水时堰体自重重心偏于上游，可利用部分水重帮助维持稳定，对闸底应力分布有利。 红花水电站泄水闸为开敞式，洪峰流量大，要求较大的孔口尺寸，而河床覆盖层较薄，泄水闸基础开挖不深，因此，主要考虑宽顶堰和曲线型低堰。根据模型试验验证，曲线堰的泄流能力大于宽顶堰，而曲线型低堰的泄流能力差别不大（见表1），驼峰堰虽然上游堰面水流流态较好，但下游堰面因坡度较陡，过闸水流有时脱离堰面；而机翼堰下游堰面水流流态较好，但上游面进口陡坎处底部水流不能沿河底平顺过闸，水流在陡坎前形成小的立轴旋流，增加了局部的能量损失，对过流能力产生不利影响，因此对上游堰面进行局部修改，利用反弧段连接消除陡坎，使水流平顺过闸，改善了上游堰面水流流态，综合比较后选择机翼堰为泄水闸堰型。 2、泄水闸下游消能工的合理分区 泄水闸消能防冲方式选择必须考虑设计水头、流量、下游河床地质条件、泄水建筑物布置及运行调度方式等因素，常用的消能方式有挑流、面流、戽流、底流和其它辅助消能工。红花水电站最大水头17.7m，泄流时不能形成挑流；不同运用工况泄流量有差别，下游水位存在较大变幅，也不具备形成面流和戽流的水位条件，因此，挑流、面流、戽流的消能方式不适合本工程，只能考虑底流消能。泄水闸基础为弱风化灰岩、炭质灰岩夹硅质岩、薄层灰页岩存在软化泥化夹层，难以满足泄流抗冲要求，需要修建消力池。在可行性研究阶段下游消力池分三区布置，将泄水闸从右至左分为右区(3孔)、中区(5孔)、左区(10孔)，按不同的运行工况进行调度。当泄流量小于1000m3/s时，由右区3孔均匀开启控泄；泄流量在10005000m3/s时，由右区3孔和中区5孔同时控泄；泄流量小于5000m3/s时，左、中、右3区18孔全部均匀开启控泄至敞泄。 在施工图阶段，由于枢纽布置的优化调整，结合施工导流和围堰的布置，将消力池原三区改为两区布置，在9#闸墩尾部设一中隔墙，将泄水闸从右至左分为区（8孔）、区（10孔）按不同的运行工况进行调度。当泄流量小于4800m3/s时，由区（8孔）均匀开启控泄；泄流量在48009000m3/s时，由区（8孔）和区（10孔）分别以不同的开度均匀开启进行控泄；泄流量大于9000m3/s时，两区18孔控泄至水位72.5m，洪水再大，18孔可全部均匀开启至敞泄，其水力特性见表2。两个分区方案，消力池长度和池深差不多，但两区方案少了一道导墙，工期和投资相应减少。两方案消力坎后最大流速小于河床基岩的抗冲流速v=6m/s，消能措施均满足要求。在同一下泄量和单区运用情况下，由于单宽流量的增加，消力池长度要相应增加，当下泄量达到一定数量时，开启区可减少区的消力池长度。水工断面模型试验和整体模型试验结果表明：18孔泄水闸孔全部局部开启，由于水头低、佛氏数低、淹没度高的特点，消能效率低，因此实际运行时，采用分区开启方式，可通过调整下泄流量增加消能效果。闸下水流基本为淹没水跃，试验中没出现远驱式水跃。单宽流量较大时，易产生远驱式水跃，可通过减小单宽流量避免此流态的发生，适时启用区泄水可实现。在右岸区运行时，当左岸船闸下游口门区出现回流流态不能满足航运要求时，开启区部分边闸孔可消除口门区的回流。调整消力池尾坎高度和位置，可确保各种泄流工况下，泄水闸各区下游产生的水跃均发生在消力池内，消力池设置尾坎，可将水流挑离河床，避免下游河床被冲刷。 3、泄水闸工作闸门的选型及优化红花水电站泄水闸采用开敞式改进机翼堰堰型，正常蓄水位为77.5m，孔口净宽16m，闸门设计水头乘孔口尺寸达5068m3，属于超大型闸门，根据水库运行调度的需要，泄水闸工作闸门局部开启控泄频繁，方案比较时曾考虑采用弧门方案，以改善工作闸门的水流流态，避开闸门的水激震动。根据设计规范规定：弧门支铰宜布置在过流时支铰不受水流及漂浮物冲击的高程上。本工程上游校核洪水位（P=0.1%）为91.52m，大大高出正常蓄水位，若要满足规范推荐方式布置，必须增大弧门面板曲率半径，支臂长度将会大大增加，由此引起泄水闸墩长度大大增加，因此，弧门方案不管是金属结构还是土建工程量都将大幅度增加，工程投资随之增加，因此，泄水闸工作闸门选用平板门。 目前国内已建同类工程中已有很多大型泄水闸工作门采用平面定轮钢闸门，关键是设计中采用新技术、新材料，解决平板闸门运行过程中可能出现局部开启时水激震动的弊端，红花水电站泄水闸工作闸门选用平面定轮钢闸门，大大节省了工程量，也缩短了闸门制造和安装的时间，赢得了工期，及时下闸蓄水，满足左岸船闸施工期通航的要求。国内外大量的工程运行经验表明：平面闸门门槽空化空蚀问题十分严重，甚至造成严重事故。选择适当的门槽形式可以改善门槽附近的水力学条件，缓解空化空蚀问题。参考同类已建工程的经验，红花水电站泄水闸工作闸门门槽采用型门槽。型门槽初生空穴数一般为Ki=0.40.6，实际工程中门槽附近的水流空穴数KKi时，门槽一般不至于发生空蚀。从本工程委托南京水利科学研究院做的模型试验结果可以看出：在泄水闸敞泄洪水时门槽水流空穴数高，不会出现空化空蚀问题；当闸门作局部开启运行时，工作门门槽在大部分工况下具有抗空化空蚀能力，但在1.5m以下的小开度闸下自由出流工况下，门槽空化数安全裕度不大。因此，实际运行中，工作闸门应尽量避免在1.5m以下的小开度状态下运行，才能保证门槽的运行安全。考虑到泄水闸工作闸门孔口宽度大，总水压力大，闸门采用多主横梁同层结构布置。闸门主梁布置除底主梁外，上部主梁尽量等荷载布置，采用相同主梁截面，方便制造。底主梁采用双腹板箱型梁。由于闸门底槛下游侧有向下5的偏角，为减少门底底主梁以下悬伸长度以减小底主梁荷载，同时又能满足底主梁到底止水的距离符合底缘布置的要求，下游倾角设计为26.2，底主梁与底槛的夹角则为31.230。为改善水流流态，底主梁后翼缘与底次梁间采用钢板进行密封。纵梁（隔板）与主梁等高设计。同时为减小闸门运行过程中的震动，结构设计时适当提高了闸门的整体刚度。在进行闸门主支承设计时，为方便布置，闸门主轮采用后置式带轮架线接触简支轮，主轮轴套采用自润滑关节轴承，以适应因闸门变形而在梁端形成的偏角，确保滚轮的线接触特性，解决了大跨度、高轮压主支承轮的设置难题。主轮支座处采用偏心轴套，克服了传统偏心轴带来的密封偏心问题。4、船闸输水廊道工作闸门门槽体型优化红花水电站船闸采用闸底长廊道侧孔分散式出水的输水系统。输水廊道工作闸门采用潜孔式平板定轮闸门，孔口尺寸2.63.2米，工作水头17.71米，处于空化的临界状态。若廊道工作闸门门楣体型设计不合适，不但对廊道产生气蚀，对闸门和门槽本身也产生气蚀。一般做法可选择适当的窄门槽方案以消除门槽气蚀，但窄门槽不利于闸门结构的整体布置，而且闸门的支承往往采用钢对钢的滑动支承，摩擦阻力较大，导致启闭机容量增加，同时，窄门槽不容易消除闸门底缘空蚀。为防止门槽及闸门底缘的空蚀破坏，寻找一种合适的门槽形式，金属结构专业和南京水利科学研究院合作进行了廊道工作闸门门楣1：1的切片试验，通过多种水位组合的试验探索，门槽除按型错距门槽设计外，在廊道工作闸门门楣沿门楣宽度方向设置进气管，利用开门瞬间产生的高速水流进行补气，消除空化现象。四、几点认识低水头河床式电站的设计和施工，其经济效益与总工期能否缩短、发电工期能否提前关系密切，而这些都是工程业主在工程建设过程中关注的重点。电站建设的总工期、发电工期与工程的枢纽布置、建筑物的选型、优化等密切相关,这些又是影响施工导流及围堰布置的重要因素，根据选定的枢纽布置、建筑物体型和设计洪水标准、导流时段选择合适的施工导流程序和围堰，围绕提前发电和缩短工期的目标，将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，根据导流和通航的要求，划分泄水闸第一期和第二期施工的孔数，分两期建设。红花水电站第一施工导流期右岸施工厂房和右河床8.5孔泄水闸，左岸施工船闸；第二施工导流期施工剩下的9.5孔泄水闸，继续施工厂房。实践证明，一期的8.5孔泄水闸只要一个