張永進(jìn)

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002)

1 問(wèn)題的提出

隨著浙江經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展,水力資源的合理開(kāi)發(fā)利用、內(nèi)河航道的開(kāi)發(fā)、改善城市水環(huán)境等功能要求日趨顯現(xiàn)。近年來(lái),浙江開(kāi)發(fā)建設(shè)的河床式水利樞紐工程較多,如甌江干流上為發(fā)電開(kāi)發(fā)的三溪口河床式水電站工程,為改善青田縣縣城水環(huán)境結(jié)合航運(yùn)發(fā)電的青田水利樞紐工程,錢(qián)塘江中上游衢江航運(yùn)開(kāi)發(fā)的安仁輔、紅船豆、游埠、姚江4座航電樞紐工程。以上工程都具有基本類(lèi)似的特點(diǎn):一是水頭低,其中三溪口河床式水電站發(fā)電水頭最大,為11 m,衢江游埠樞紐設(shè)計(jì)水頭約為4.2 m;二是流量大,以上樞紐都是布置在大江大河上,集水面積在10 000 km2以上;三是樞紐布置建筑物種類(lèi)多,布置有泄洪閘、電站、船閘等建筑物;四是工程建設(shè)要求對(duì)河道行洪影響小,以減少對(duì)上游淹沒(méi)。浙江省內(nèi)主要的低水頭河床式水利樞紐工程主要參數(shù)見(jiàn)表1。針對(duì)河床式水利樞紐的上述特點(diǎn),在樞紐總體布置時(shí)以下幾個(gè)問(wèn)題值得關(guān)注。

表1 浙江省主要低水頭河床式水利樞紐工程參數(shù)表

2 樞紐壩 (閘)址選擇的基本要素

2.1 壩址選擇應(yīng)考慮流域規(guī)劃功能的實(shí)現(xiàn)及對(duì)上下游工程的影響

根據(jù)批準(zhǔn)的規(guī)劃,如《甌江流域綜合規(guī)劃》、《錢(qián)塘江流域綜合規(guī)劃》,各梯級(jí)的水位一般是銜接的,即上一梯級(jí)的電站發(fā)電尾水位受下一級(jí)水庫(kù)的正常蓄水影響,下一級(jí)正常蓄水位確定后,上一級(jí)電站發(fā)電尾水位應(yīng)根據(jù)發(fā)電流量,在下級(jí)水庫(kù)正常蓄水位基礎(chǔ)上向上游推演求得。

浙江省水電開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)化程度較高,同一流域上下游梯級(jí)往往由不同的業(yè)主開(kāi)發(fā),而發(fā)電水頭對(duì)河床式電站的工程效益影響很大。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,梯級(jí)電站的正常蓄水位一般是遵循開(kāi)發(fā)協(xié)議要求的 (開(kāi)發(fā)協(xié)議應(yīng)以流域規(guī)劃為依據(jù)),為了兼顧各梯級(jí)利益,設(shè)計(jì)時(shí)正常蓄水位一般很難調(diào)整。在確定的上下游樞紐正常蓄水位條件下,壩址應(yīng)選擇在下一梯級(jí)正?；厮┒烁浇?這樣既可以方便梯級(jí)間的水位銜接,減少河道疏浚工程量;同時(shí)也可以充分利用地形高程,減少上一梯級(jí)的擋水建筑物高度及工程投資。

2.2 樞紐壩址應(yīng)選擇在河道順直、水流條件簡(jiǎn)單的河段

在樞紐寬度3～5倍范圍內(nèi)的上下游河道流態(tài)會(huì)影響工程的運(yùn)行狀態(tài)。河槽的走勢(shì)、主支流的交匯條件、江心洲分布等對(duì)河道的水流條件有直接的影響。修建攔河閘樞紐后(平底水閘或橡膠壩),河道總體流態(tài)與工程前相比一般不會(huì)產(chǎn)生根本性變化,因此,將壩址選擇在原狀流態(tài)良好的河段是十分必要的。

壩址一般選擇在河道的直線河段,壩軸線上下游河道直線長(zhǎng)度不宜小于5倍水閘進(jìn)口處水面寬度,在不具有較長(zhǎng)直線河段的地形條件,也應(yīng)將壩軸線布置在其中相對(duì)較直河段,且應(yīng)布置在河道的深泓部位,以利行洪[1]。如浙江省永嘉縣楠溪江供水工程攔河閘樞紐壩址位于沙頭鎮(zhèn)上游800m、楠溪江風(fēng)景區(qū)下游約500m的“S”形河道上的中部,泄洪閘布置在河床右岸深槽部位,選擇這個(gè)閘址是多方面情況約束的結(jié)果,上游是國(guó)家級(jí)風(fēng)景區(qū),不允許修建攔河閘;向下游為沙頭鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū),在其下游建閘不符合水源保護(hù)的要求,也會(huì)制約沙頭鎮(zhèn)的建設(shè)和發(fā)展,最終閘址軸線選擇在“S”形河道上的中部相對(duì)比較順直的河段,經(jīng)過(guò)河床水力學(xué)及水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證,攔河過(guò)閘流態(tài)及上、下河道的流態(tài)總體良好[2]。

河道內(nèi)江心洲或主支流交匯對(duì)河道流態(tài)影響較大,閘壩軸線應(yīng)布置在交匯口下游約2～3倍河寬以下。已建成運(yùn)行的小溪灘水利樞紐壩址位于衢江龍游河段,壩址上游為白堤圩江心洲,壩址下游為唐家江心洲,兩江心洲之間河道長(zhǎng)度約1.0 km。根據(jù)梯級(jí)水位銜接的要求,小溪灘壩址選擇在上下游江心洲之間的河段內(nèi),壩址河段流態(tài)比較復(fù)雜,尤其是上游江心洲距離壩軸線較近,約為800 m,江心洲兩汊支流來(lái)水在壩前極易形成漩渦水流。經(jīng)過(guò)近3 a洪水期的運(yùn)行,反應(yīng)出壩上水流較為復(fù)雜,樞紐的4孔×12 m泄洪閘及8跨橡膠壩不同開(kāi)啟組合對(duì)河道流態(tài)影響較大,操作不當(dāng)容易產(chǎn)生壩上漩渦沖刷及淤積。而目前正在前期設(shè)計(jì)的衢江紅船豆、游埠、姚家樞紐壩址所處河段均比較順直,附近無(wú)較大支流匯入,水流條件比較理想。

正在實(shí)施中的甌江下游三溪口河床式水電站位于小溪與小溪匯合口下游約900 m處,壩址河面寬約500 m,在壩軸線上游約500m處左岸有一山嘴凸出,對(duì)河道挑流效果明顯,單從河道地形看,壩址附近流態(tài)比較復(fù)雜,但從該工程建設(shè)政策處理等因素考慮,該壩址為三溪口河床式水電站惟一可推薦的壩址,對(duì)于如此復(fù)雜的河道流態(tài)采用河床水力學(xué)計(jì)算結(jié)合樞紐模型試驗(yàn)是十分必要的,針對(duì)河道水流存在的問(wèn)題設(shè)計(jì)中需采取必要的工程措施。

2.3 壩 (閘)址河道斷面具有合適的寬度

河床式樞紐擋水建筑物多以水閘、橡膠壩或閘壩結(jié)合的型式。從工程建筑物布置、工程建設(shè)對(duì)防洪的影響、施工導(dǎo)流等方面考慮,要求閘址所在的河道斷面應(yīng)具有足夠的寬度。

根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范要求,大型水閘總過(guò)流凈寬要達(dá)到所在河段寬度的85%左右[3](即水閘縮窄比率為0.80左右),對(duì)單孔凈寬12,14 m的水閘,若河道斷面全部布置水閘,水閘縮窄比率在0.80～0.82,基本能滿(mǎn)足過(guò)流斷面要求,而且對(duì)上游防洪影響較小?？紤]樞紐布置河床式電站、船閘的需要,船閘一般占用河道寬25 m左右(通航凈寬12 m),由于引航道的布置線型要求,船閘一般不允許向岸內(nèi)擴(kuò)挖布置;河床式電站在地形條件允許、保證尾水?dāng)U散順暢的條件下,一般可向岸邊擴(kuò)挖布置。因此,在閘壩選址時(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇軸線河道寬度B≥泄洪閘控制寬度Bmin+船閘占用寬度Bc+電站占用河道寬度Bp,其中泄洪閘控制寬度Bmin可取樞紐所在河段上、下游一定范圍內(nèi)對(duì)壩址水位產(chǎn)生明顯影響的最窄河道處寬度。在滿(mǎn)足上述條件下,河床式電站壩址河道寬度也不是越寬越好,否則會(huì)增加主體工程投資。

若樞紐壩址寬度偏小、建筑物布置受到一定限制時(shí),一般可采用較大的水閘單孔凈寬、適當(dāng)降低閘底檻高程、電站向岸邊擴(kuò)挖布置等處理措施。

2.4 閘 (壩)址應(yīng)具有較好的工程實(shí)施條件

工程的實(shí)施條件包括施工期的交通運(yùn)輸條件、施工總體布置條件以及政策處理?xiàng)l件。浙江省內(nèi)大江大河上的河床式樞紐工程的交通條件都比較便利,兩岸大多由公路可到達(dá)壩址。但施工場(chǎng)地布置往往成為施工中的難點(diǎn),兩岸的公路、鐵路、村莊會(huì)成為施工場(chǎng)地布置的障礙。如三溪口河床式水電站工程壩址左右岸受公路、鐵路、村莊的限制,尤其是左岸電站廠房施工場(chǎng)地布置十分困難,成為施工組織設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

在壩址選擇有多方案比較時(shí),選擇遠(yuǎn)離居民點(diǎn)的壩址往往是明智的選擇,可減少政策處理難度,減少工程實(shí)施期對(duì)附近居民的干擾,這些往往成為保證工程能否正常施工的關(guān)鍵。

3 閘孔凈寬、閘底檻高程選擇

水庫(kù)的淹沒(méi)與正常蓄水位以及洪水位有關(guān)。對(duì)于河床式樞紐水閘工程,閘孔凈寬和底檻高程是決定洪水位的關(guān)鍵因素之一。

3.1 淹沒(méi)處理難度較小工程的閘孔凈寬、閘底檻高程選擇

選擇較小的閘孔規(guī)模勢(shì)必加大泄洪時(shí)上下游水頭,對(duì)提高泄洪閘的單寬流量是比較明顯的。若樞紐上游的淹沒(méi)政策處理數(shù)量不大,政策處理相對(duì)簡(jiǎn)單,應(yīng)將樞紐工程的閘孔規(guī)模、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)處理投資一并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,按照節(jié)省投資、方便政策處理的原則綜合確定閘孔凈寬及底檻高程。

3.2 不允許有較大淹沒(méi)工程的閘孔凈寬、閘底檻高程選擇

隨著國(guó)家對(duì)建設(shè)用地政策的調(diào)整,土地征用、移民搬遷的代價(jià)越來(lái)越高,水庫(kù)淹沒(méi)政策處理投資往往決定了工程建設(shè)的可行性。根據(jù)目前浙江擬建的河床式水利樞紐工程情況,均要求工程建設(shè)前后對(duì)上游的行洪影響減少到最小,按照正常蓄水位加一定的安全超高確定上游的淹沒(méi)影響線。這就要求按照壩址河道斷面寬度、建筑物布置情況,按最大允許過(guò)流凈寬的要求來(lái)布置泄洪閘,一般按工程前后閘上水位壅高不大于30 cm作為泄洪閘較優(yōu)的過(guò)流斷面,浙江省在21世紀(jì)修建的多座河床式水利樞紐工程20 a一遇洪水泄洪壅高水位一般均在30 cm以下。

閘底檻高程則由樞紐所在河段上下游河床的高程確定,一般選擇閘底檻高程略高于河槽高程,在過(guò)流能力滿(mǎn)足的條件下,可適當(dāng)抬高底檻高程;若過(guò)流能力偏小,同時(shí)河寬限制擴(kuò)大水閘凈寬,則需適當(dāng)降低底檻高程。根據(jù)文獻(xiàn)[4],上游河床面高程與閘底板高差對(duì)水閘流量系數(shù)影響較大,而下游河床高程影響較小。因此采用降低閘底檻高程加大水閘泄流能力時(shí),閘底檻高程應(yīng)高于疏浚后的河床高程。根據(jù)省內(nèi)已建工程運(yùn)行情況分析,由于過(guò)閘水流流速加大,在閘室段底板淤積的可能性是很小的。

3.3 水閘底檻高程臺(tái)階式布置

若樞紐所在河段比較順直、兩岸堤防經(jīng)規(guī)劃整治,其河道灘地、深槽分布一般不明顯,如衢江上的游埠樞紐。類(lèi)似樞紐的泄洪閘可采用相同的閘底檻高程布置,可以簡(jiǎn)化建筑物的布置形式,對(duì)水閘的泄洪運(yùn)行管理也比較方便。

樞紐所在河段的灘地及深槽若分布明顯,且在壩址上下游相當(dāng)長(zhǎng)的范圍內(nèi)河道的灘地與深槽連續(xù)分布,說(shuō)明樞紐河段原河道的水流是比較穩(wěn)定的偏向一側(cè)的。如甌江上的五里亭、外雄、三溪口樞紐,泄洪閘的底檻高程宜采用高、低臺(tái)階布置,深槽區(qū)布置較低閘底檻,淺灘區(qū)布置相對(duì)較高的泄洪閘,這樣的閘底檻布置方式具有充分發(fā)揮深槽區(qū)水閘泄洪能力大、減少工程前后河道流態(tài)變化、節(jié)省工程投資的優(yōu)點(diǎn)。

泄洪閘高、低兩側(cè)閘室一般結(jié)合混凝土縱向圍堰分隔,其兩側(cè)高差不宜過(guò)大或過(guò)小,根據(jù)已建的類(lèi)似項(xiàng)目,一般控制在1.5m左右為宜。水閘下游拋石防沖槽末端往往是水流沖刷比較嚴(yán)重的區(qū)域,為保證水閘下游高、低兩側(cè)銜接部位防沖安全,應(yīng)通過(guò)閘下游海漫縱坡的調(diào)整,使高低兩側(cè)拋石防沖槽及下游河床高差盡量減少。

4 樞紐建筑物布置關(guān)系

河床式樞紐工程一般由泄洪閘、發(fā)電廠房、船閘及兩岸接頭建筑物組成。

泄洪閘在樞紐中的位置關(guān)系到工程的泄洪安全與泄流能力,在樞紐布置中至關(guān)重要。為滿(mǎn)足工程泄洪安全及較大的泄量,布置泄洪閘的區(qū)域應(yīng)具有較好的流態(tài),若在水閘上游進(jìn)水區(qū)產(chǎn)生漩渦等不良流態(tài),不但對(duì)泄流能力產(chǎn)生很大影響,而且由于渦流的作用造成閘前沖刷等嚴(yán)重問(wèn)題。因此,泄洪閘的迎水前沿必須與河道的來(lái)水主流盡量一致,而且泄洪閘軸線應(yīng)盡量與水流方向垂直,以獲得較好的進(jìn)流條件。

發(fā)電廠房、船閘的布置有“一岸布置”、“兩岸分側(cè)布置”2種選擇。由于船閘的上下游引航道對(duì)橫向水流、回流的流速限制比較嚴(yán)格,電站與船閘相鄰布置很難滿(mǎn)足水流要求,而且電站運(yùn)行與船閘運(yùn)行的交叉管理也不方便。電站與船閘兩岸布置,船閘上下游引航道水流條件比較穩(wěn)定,運(yùn)行管理干擾少,是比較成熟可行的建筑物布置方案。如衢江航運(yùn)開(kāi)發(fā)工程的所有航電樞紐經(jīng)過(guò)水工模型驗(yàn)證后,全部采用電站與船閘分兩岸布置的方式。

對(duì)于樞紐壩址寬度足夠?qū)?船閘與廠房也可同岸布置,但修建廠房與船閘、泄洪閘與船閘分隔導(dǎo)流建筑物需要占用較大的河面寬度,且工程投資較大。

發(fā)電廠房的布置是河床式樞紐的重要比選內(nèi)容,須從工程投資、水流條件、地質(zhì)條件、施工條件等方面進(jìn)行綜合比選,一般遵循以下原則:①電站布置在河道深槽一岸,應(yīng)盡量減少占用河道主河槽行洪斷面,利用凹岸布置,減少工程后對(duì)河道泄洪流態(tài)的變化;②電站側(cè)一般作為一期工程施工,工程量大,周期長(zhǎng),應(yīng)布置在施工布置、導(dǎo)流比較有利的一側(cè);③布置電站一側(cè)河床基巖面高程應(yīng)適宜,減少石方開(kāi)挖量及混凝土回填方量;④應(yīng)便于下游尾水渠水位的銜接,避免過(guò)大的下游河道疏浚工程量;⑤布置電站一側(cè)應(yīng)便于工程日常管理設(shè)施的布置。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)河床式水利樞紐壩址河段的選擇、樞紐建筑物整體布置是關(guān)系工程成敗的關(guān)鍵所在,在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮規(guī)劃銜接、河道水流條件、行洪影響、適宜的河面寬度、工程實(shí)施條件及工程投資效益等因素。

(2)樞紐閘孔凈寬及閘底高程的選擇因素有:工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較、水庫(kù)的淹沒(méi)控制要求、河床原始高程及河勢(shì)等。在淹沒(méi)控制嚴(yán)格的工程中,盡量減少對(duì)行洪的影響往往成為確定閘孔規(guī)模及底檻高程的主導(dǎo)因素。

(3)樞紐中廠房、船閘的布置宜采用 “兩岸分側(cè)布置”方式,船閘流態(tài)比較容易滿(mǎn)足。電站廠房布置應(yīng)考慮河道行洪、地基條件、施工場(chǎng)地以及尾水銜接等問(wèn)題。

[1]江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL 265—2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001.

[2]包中進(jìn),林偉波,王富強(qiáng).楠溪江供水工程攔河閘樞紐水力學(xué)研究報(bào)告 [R].杭州:浙江省水利可口研究院,2007.

[3]華東水利學(xué)院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京:水利電力出版社,1982

[4]張緒進(jìn),樊衛(wèi)平,張厚強(qiáng).低閘樞紐泄流能力研究 [J],水利學(xué)報(bào),2005(10):1246-1251.