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1、低水头河床式电站设计回顾摘要 本文通过作者近二十年主持参加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 设计 水电站 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，装机容量超过一千万千瓦，主要分布在广东、广西、湖南、湖北、四川、福建。我公司设计的已建和在建的低水头河床式电站十几座，工程特性见下表。 以前是政府建设水电站，今后主要是企业建设水电站
2、。近几年我公司为梅雁企业（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KW。四座已经发电，两座即将发电。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。梅雁公司建设电站，杨钦欢董事长主要抓两件事，一是设计优化，二是提前发电。 作者本人主持参加低水头电站设计自长洲水电枢纽开始，相继有白石窑、丹竹、蓬辣滩水电站等上十座，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。下面从五个方面进行总结：（1）正常蓄水位与库区淹没；（2）坝址选择；（3）枢纽布置；（4）建筑物设计优化；（5）施
3、工导流与工期。 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少，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著增加，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
4、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kW提高 中水珠江规划勘测设计有限公司（原珠委设计院）设计的已建和在建低水头河床式电站工程特性表 项 目 单 位 长洲 水电枢纽 白石窑 水电站 飞来峡 水利枢纽 蒙里 水电站 丹竹 水电站 蓬辣滩 水电站 丙村 水电站 三龙 水电站 龙上 水电站 红花 水电站所在河流 西江 北江 北江 北江 梅江 梅江 梅江 梅江 梅江 柳
5、江坝址以上流域面积 Km2 308600 17740 34097 16750 12636 13886 8621 7326 6967 46770多年平均流量 M3/s 6100 532 1100 509 312 343 210 180 171 1260设计洪水流量/频率 M3/s 48700/1% 11200/1% 22700/0.2% 10000/2% 8250/2% 8730/2% 6580/2% 5430/3.33% 5270/3.33% 32700/1%导流洪水流量/频率 M3/s 38300/10% 7860/10% 15500/5% 7730/10% 5020/20% 5360/20
6、% 3850/20% 3440/20% 3320/20% 22500/10%正常蓄水位 m 20.6 36.5 24.0 45.0 59.0 49.0 66.3 83.0 91.5 77.5总库容 万M3 560000 40600 187000 18100 15000 13200 2950 3050 7042 300000发电水头 (最大/额定) m 15.19/9.5 12.22/7.8 13.83/8.53 8.46/6.2 9.81/6.2 11.58/8.2 6.99/4.9 8.9/7.2 8.49/6.5 17/13.3装机容量/台数 万KW 62.13/19 7.2/4 14/4
7、 5/4 3.4/4 4.4/4 2.0/2 2.4/2 2.2/2 22.8/6多年平均发电量 亿KW?h 28.01 2.8 5.55 1.98 1.36 1.69 0.65 0.81 0.76 8.8船闸闸室尺寸 (长宽门槛水深) m 190233.5 190153.5 140142.5 190163 140142 8882 120152.2 7082 7081.5 7081.5 180183泄水闸(孔数/孔宽) M 41/16 22/10 16/14 15/14 10/14 9/14 8/14 8/14 8/14 17/16主厂房尺寸 (长宽高) M 177.88952.8 283.7
8、70.3352.27 100.868.3248 130.575.555.8 95.775.6639.8 58.169.547.1 82.468.345.98 41.2577.9541.3 34.272.5339.35 73.8434.530.3 106.485.0857.95最大坝高 m 45.8 30.1 52.3 24 33 40.1 29.5 34.3 32.7 67.65建设情况 正在建设 已竣工 已竣工 已竣工 已竣工 已竣工 已竣工 已发电 正在建设 正在建设备注 和广西电力院合作可研、初设到2.4万KW，年发电量由6000多万度增加到8000多万度，枢纽工程量几乎不变，防护工程量
9、增加不很多，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，在选择坝址时，首先要估算泄水闸、厂房、船闸三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（见图1）
10、。 图1 长洲水电枢纽平面布置图 长洲水电枢纽位于西江干流的浔江河段，下距梧州10多公里，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28.01亿KWh。采用贯流灯泡机组19台，近期兴建双线千吨级船闸并为远景发展予留一条船闸位置；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
11、洲和外江、中江、内江，内江一般不通航，中江和外江通航；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
12、，占用土地少。而下坝址比上坝址少一个岛、一条江，需要在外江深水河床修建纵向围堰，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干扰大。综合比较选定上坝址。 长洲水电枢纽坝址选择从89年到93年，历时5年，论争相当激烈。作者认为，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珠委设计院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：地形地质条件、运行条
13、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（见图2）。 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8m18m，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10m-15m。右岸高漫滩地面高程18m，宽约1000
14、m，长约2000m，冲积层厚25m34m，弱风化岩面高程一般为-17m。枢纽由16孔溢流坝、河床式厂房（安装四台机组）、船闸和土坝组成，三大砼建筑物前缘长度约500m。 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：将三大砼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：将三大砼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
15、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200m，土方开挖500多万m3，衬砌砼11万m3），工期约需一年半。1990年提出左移方 案，即将河床方案的三大砼建筑物向左岸平移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，否则研究了六年就没有人提出过。这是因为飞来峡坝址河床宽达2000m，而三大砼建筑物前缘宽度只需500m，加之左岸河边是
16、两座山，高出河床30m40m，所以一般人不会去想也不敢想，放着2000m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。 图2 飞来峡水利枢纽平面布置图 4 建筑物设计优化 4.1工程等级 工程等级关系到工程和下游人民生命财产的安全、工程造价和工期。按照现行规范防洪标准GB50201?94和水利水电工程等级划分及洪水标准SL252?2000的分等指标，低水头电站的工程等级实际上由水库总库容（水库最高水位以下的静库容）确定。低水头电站（防洪水库除外）在洪水时均开启闸门敞泄，闸前水位雍高很小，洪水位以下的水库容积为河槽容积，失事不会对下游造成灾害。但在枯水期（库水位为正常蓄水位），水头较大，一旦失事将
