低水头河床式电站设计回顾.doc

低水头河床式电站设计回顾2005年4月第2期球江观代辽使总第124期低水头河床式电站设计回顾曾新民(中水珠江规划勘测设计有限公司.广东广州510610)摘要:文章介绍作者近二十年来对主持参加的十余座低水头河床式电站设计的亲身经历,从正常蓄水位与库区淹没,坝址选择,枢纽布置,建筑物设计优化,施工导流与工期五方面进行回顾总结.对提高低水头河床式电站的设计水平会有所裨益.关健词:河床式;低水头;水电站;设计0前言改革开放以来.国民经济发展迅速,特别是东南部率先开放地区,相继建设了一大批低水头河床式电站.据不完全统计,已建的大,中型低水头河床式电站近百座,装机容量超过1000万kW,主要分布在广东,广西,湖南,湖北,四川,福建.中水珠江设计公司设计的已建和在建的低水头河床式电站十几座.工程特性见表1.以前是政府建设水电站,今后主要是企业建设水电站.近几年中水珠江设计公司为梅雁企业(集团)股份有限公司设计的已建和在建的低水头河床式电站就有6座,装机容量一般34万kW.最大的23万kg.4座已经发电,2座即将发电.企业建设电站追求的主要是经济效益.电站的经济效益靠多发电,早发电以及降低工程造价得以实现.本人主持参加低水头电站的设计自长洲水电枢纽开始.相继有白石窑,丹竹,蓬辣滩水电站等lO余座.历时二十余年.回顾总结低水头电站的设计经验,对提高低水头电站设计水平会有所裨益.下面从正常蓄水位与库区淹没,坝址选择,枢纽布置,建筑物设计优化,施工导流与工期五个方面进行总结.1正常蓄水位与库区淹没低水头电站挡水建筑物的坝顶高程取决于设计洪水位和校核洪水位,而不取决于正8常蓄水位,因此正常蓄水位的提高很少引起闸坝工程量的增加.水头增加,机组直径反而有所减小.所以厂房的工程量也不会增加.然而正常蓄水位的少许提高都会带来发电量的显着增加.因为发电量与水头,流量成正比,而且随着水头的增加.停机的时间也相对减少.诚然正常蓄水位的提高会引起库区淹没的增加,但可以采取措施减少库区淹没.例如洪水时降低水位运用,进行库区防护等.库区防护的经济性主要取决于防护堤基是否存在浅埋强透水层以及防护片排涝站的装机容量.总而言之,设计中一定要非常重视正常蓄水位的选择,研究是否存在提高的可能性.那怕提高几十厘米都好:是否有措施减少库区淹没,认真地进行经济比较.北江白石窑水电站技术经济指标的改善最主要的措施是将白石窑和沙口两级开发合并为白石窑一级开发.同时对库区采取防护:梅江三龙水电站初步设计时,将正常蓄水位由82m提到83m.装机容量由1.8万kg提高到2.4万kW.年发电量由6(300多万kW?h增加到8000多万kW?h,枢纽工程量几乎不变,防护工程量增加不多,电站的技术经济指标大大改善.业主很满意.2坝址选择坝址选择关系到枢纽运行,工程造价和工期.选择一个好的坝址可以带来巨大的经济效益.低水头河床式电站流量大,泄水闸规模大.施工导流和施工通航难度大,在选择坝址=.,卜,c,i0嘉量c,i蚕至罱脚圣妻蔷gggg9截肖.卜口n卜n.0nx0x寸.0一x.寸nx寸.n卜Hn.寻x.xN.寻H0寸.寸xn.0xHnnHn.x卜x譬_0n_【H_【.0n寸xn.口x.00_【0_【nx一x0一.一xx一一卜.一xx0卜xx0卜.x_【x0_【xxx寸_【x0寸一nx口_【x0_【Nx寸_【x0寸_【c.2一一0一一一)(】n卜卜0aN00Nn一000200_【_【)o(一_【00口0n口0.寸0.0.寸0.寸.0n摹()【/(】0sN960N0Nnn0/On0N0n摹0N0口n基0N0N0更00n9600=00口【/(1(】Nnnnn0nn.n0n96N0口摹N0n基N0N基N0000_【摹N.000NN摹_【/00N【I一一口一一0_【0nnN【c一一卜卜口寸卜n卜一口口n_【0n口_【一000_【_【n,脚L.寸.Nxnn.0xnN.x.卜卜_【nx=x0_【nxnx0_【0000口口.0摹0_【00nn96_【00卜寸00_【口00口0nq.)I2J姐刿啦避磐蕃框峨一框憾一L州一憾1辍1一星*裁一聪*LJ憾一删星星器哪脚目廿删暴螓一骚略一冰*脚世*靴粘卿斌*越斌蹄卿斌*菸#哪廿旧鲟媛q斌露脚*餐脚餐脚长餐脚*餐脚餐脚*餐脚舞熏*餐脚*=厂议议宴装恻束酬似皿脚*幕半哥皿掣嚣H橱锄庭冰*警叫一篮隧一旧醛#霞揖工*t|_【时.首先要估算泄水闸,厂房,船闸i大建筑物的前缘长度,坝址处河床宽度宜大于三大建筑物的前缘长度,有岛屿,沙洲更好;坝址工程地质条件和水文地质条件要好.具体来说.河床覆盖层要浅,以便泄水闸采用岩基;尽量避开岩溶地段,不能避开时应选择岩溶不发育的地段;尽可能使城镇位于坝址的下游或水库末端;有利船闸布置;此外还要考虑水能指标,施工条件,水流条件等.下面以长洲水电枢纽为例说明.长洲水电枢纽位于西江干流的浔江河段,下距梧州10km多.主要任务是开发水电和发展航运.长洲水电枢纽通航要求高,坝址集雨面积大.洪峰流量大.库区又处于河谷平原.淹没耕地多.设计水位受到严格限制,施工导流十分困难.坝址又紧靠苍梧县城和梧州机场.因此坝址选择涉及的因素很多.难度很大.长洲水电枢纽正常蓄水位枯水期为20.6m,汛期为18.6m,设计水头9.5m,装机容量62.13万kW,多年平均发电量28.O1亿kW?h.采用灯泡贯流机组19台.近期兴建双线1oo0t级船闸并为远景发展预留一条船闸位置;泄水闸41孔上,下坝址相距1.5km.上坝址处为两岛三江,即长洲,泗化洲和外江,中江,内江.下坝址处为一岛两江,即长洲和外江,内江;内江一般不通航,外江通航.坝址比较工作从工程地质条件,枢纽布置,水能指标,枢纽总投资,施工条件,航运条件,枢纽对苍梧县城和梧州机场的影响7个方面进行.概括起来.上,下坝址均具有建坝条件,都能满足综合利用要求,枢纽建成后的永久航运条件没有本质差别.完建后的装机容量,年发电量以及枢纽总投资都很接近.但上坝址比下坝址多一个岛和一条江.施工导流和施工通航条件较好.可以采用全年挡水围堰全年连续施工,工期较短,建设期发电量多;加之上坝址在长洲上游端.对苍梧县城和梧州机场影响小,对长洲(梧州市的蔬菜,水产基地)淹没小,占用土地少.10而下坝址比上坝址少一个岛及一条江,需要在外江深水河床修建纵向围堰,厂大1此,工程量大,难度大,而且只宜做过水围堰,对施工通航不利.加之下坝址紧靠苍梧县城,离梧州机场近,对苍梧县城建设和梧州机场十扰大.综合比较选定上坝址.长洲水电枢纽坝址选择从1989年到l993年.历时5年,争论相当激烈.笔者认为,坝址选择真正起作用的是坝址本身的自然条件,设计者的责任是充分认识,利用坝址的自然条件.将其展现出来.作者有幸参加了长洲水电枢纽坝址选择并代表中水珠江设计公司向选坝会议汇报上坝址方案.3枢纽布置低水头河床式电站主要建筑物有泄水闸,河床式厂房,船闸及连接坝段.枢纽布置要考虑的因素很多.如地形地质条件,运行条件,水流条件,交通条件,工程量和投资,施工导流和施工通航,施工工期等.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,电站厂房与过水建筑物之间.枢纽布置要考虑的因素固然很多,但每个工程都有它最突出的问题.一定要在突出的问题上作文章.常规的枢纽布置好做,但非常规的布置要做好并不容易.既要有全面的专业知识,又要有丰富的工程经验.下面以飞来峡水利枢纽为例说明飞来峡水利枢纽坝址河床宽阔.主流靠左岸,水面宽约700m,河床冲积层厚818m,下伏基岩为花岗岩.弱风化岩体顶板从左岸向河床倾斜,高程1O15m.右岸高漫滩地面高程18m,宽约1000m,长约2000m,冲积层厚2534m,弱风化岩面高程一般为一17m.枢纽由16孔溢流坝,河床式厂房(安装4台机组),船闸和土坝组成,三大混凝土建筑物前缘长度约500rn.飞来峡水利枢纽于1984年选定升平坝址.在此后的6年里,枢纽布置一直局限于滩地布置和河床布置两大方案.滩地布置方案:将三大混凝土建筑物布置在右岸高漫滩.利用原河床导流和通航.优点是导流工程简单,施工通航条件好,工程开工即可进行主体工程开挖.缺点是泄洪闸只宜采用软基,工程量大:对河势的改变大,上游夹洲可能影响进水.下游板塘山咀影响出闸流向,有碍船队航行.河床布置方案:将三大混凝土建筑物布置在原河床,施工第一期利用右岸滩地开挖明渠导流和通航.优点是对河势无改变,泄水闸可采用岩基,工程量比滩地方案少.缺点是明渠工程量大(明渠长3400m,底宽2O0m,土方开挖5oo多万m3,衬砌混凝土ll万ms),工期约需一年半.1990年提出左移方案,即将河床方案的三大混凝土建筑物向左岸平移300m,船闸和厂房布置在左岸山丘,溢流坝布置在河床左侧.第一期施工围左岸船闸,厂房和溢流坝,由扩宽后的右侧河床导流和通航.该方案克服了上述两方案的缺点,与河床方案比较,节省投资7700万元,工期缩短一年半.左移方案,现在看简单,实际上并不简单,否则研究了6年就没有人提出过.这是因为飞来峡坝址河床宽达2000m,而三大混凝土建筑物前缘宽度只需500m,加之左岸河边是两座山.高出河床3O40m.所以一般人不会去想也不敢想.放着2OO0m宽的河床不用,却要挖两座山,又要多做300m长的土坝.没有丰富的工程经验不可能提出左移方案.4建筑物设计优化4.1泄水闸规模的确定低水头电站回水线的特点:在一定的蓄水位条件下.小流量的回水终点离坝址远.大流量的回水终点离坝址近,闸门全开敞泄时回水终点移至坝前.在设计长洲水电枢纽时.泄水闸规模按宣泄lO年一遇洪水时坝前水位雍高小于30cm确定.后来自石窑,飞来峡,丹竹,蓬辣滩水电站设计时都照此办理,似乎坝前水位雍高小于30cm成了一种规定.其实不然,泄水闸规模主要影响库区淹没,应该通过经济比较确定.在设计梅江丙村,三龙电站时,对泄水闸的规模作了经济比较.采用了较小的泄水闸规模,坝前水位雍高达tJ50cm.笔者认为若库区没有大量土地,房屋.适当减小泄水闸规模,加大坝前水位雍高.是经济合理的.4-2消能防冲设计低水头电站在大洪水时全开闸门敞泄,上,下游水位差很小,闸下呈波流或面流与下游衔接,没有消能问题.只有在入库流量大于电站满发流量,小于停机流量时,发电外的多余流量由泄水闸宣泄(弃水工况),才存在消能问题.弃水工况的消能防冲水力设计可先计算,再由水工模型试验验证.通常采用开挖消力塘加大水深选用面流消能,可以节省工程量和投资.对水头较高的电站,可以在闸下设置隔墙.将其分成两区:一区设消力池:另一区即弃水工况开闸泄水或把池底高程降低使其满足面流消能,或设消力池.例如白石窑,飞来峡,丹竹,蓬辣滩水电站等都采用面流消能,不设消力池.但要注意,为了确保泄水闸的安全.泄水闸下游应设混凝土齿墙,底高程应在冲刷线以下.对存在缓倾角软弱夹层的闸基.要核算冲刷坑形成后的抗滑稳定.4.3土坝低水头河床式电站坝址河床宽阔.除布置泄水,通航,发电建筑物外,尚需布置土坝.由于土坝的挡水高度小.为了减少投资,缩短工期,可采用不做围堰,不清基,直接在水中抛填砂砾料筑坝,做混凝土防渗墙防渗.白石窑水电站和飞来峡水利枢纽都采用这种做法.白石窑水电站小江土坝.最大坝高28.5m,上,下游水位差最大l2.2m,安排在第二期施工.不做围堰,不清基,把截流戗堤作为土坝下游排水棱体.水下部分抛填砂砾料,水上部分采用斜心墙碾压土坝,心墙以下设置混凝土防渗墙.自1997年3月l5日下闸蓄水至今,坝坡稳定,坝体无裂缝,无明显不均匀沉降,坝下游没有集中渗漏和管涌.飞来峡水利枢纽右侧河床土坝,最大高度34.8m,河床冲积层厚14m,以含砾中粗砂为主,安排在第二期施工.结合工程截流,在坝体上,下游各设一道堆石戗堤,两堤之间用河沙填出水面,并对所填河沙进行振冲加密.水面以上按碾压土坝施工,采用混凝土防渗板墙防渗.运行几年来,土坝安然无恙.5施工导流与工期电站的经济效益除了优比没计,减少工程量,投资,多发电外,还要靠早发电.因此缩短工期成为低水头电站的重要课题,而工期首先取决于施工导流.下面是长洲水电枢纽施工导流的例子.长洲水电枢纽导流设计先后有4大方案:初步设计方案,VPL公司方案,广西电力设计院方案(简称施工图方案),优化方案.限于篇幅,下面仅介绍两大方案.1t.)VPL公司方案.初步设计后,广西区政府决定采用中外合资方式进行建设,奥地利VPL公司对上述方案进行了优化.船闸布置在外江右岸台地,19台机组厂房和41孔泄水闸全部布置在外江和内江,中江布置土石坝.施工第一期分别围外江和内江,均采用全年挡水围堰,围堰挡水标准按百年一遇洪水设计,全年施工,由扩大后的中江导流,通航.第一期工程完成后封堵中江,工程即可蓄水发电,通航.发电工期和总工期均为4年6个月.该方案土,石方量约1000万m,多,投资约2亿多人民币,施工临时淹没也有所增加2004年2月中电投资集团公司在梧州召开施工组织及工程优化设计研讨会,笔者在会上提出了导流优化方案,得到谭靖夷工程院士的赞赏,为业主采纳.b)优化方案.枢纽布置:船闸位置不变:外江右侧布置16孔泄水闸,左侧布置9台机组厂房;中江布置15q:L泄水闸:内江左侧布置6台机组厂房,右侧布置12:fL泄水闸.导流标准:全年不过水土石围堰采用1O年一遇洪水标准,枯水期围堰采用11月1日至翌年4月15日10年一遇洪水标准.导流方案:第1个枯水期用低水围堰围外江,施工船闸,12孔泄水闸及厂房高水围堰,由中江和内江导流,中12江通航.第1个汛期由中江,内江和外江已建好的lOlL泄水闸(另2孔作为高水同堰基础)导流.中江通航,施工外江厂房.第2个枯水期用低水围堰围内江,施工内江lOlL泄水闸和厂房高水围堰,由中江和外江lOlL泄水闸导流,中江通