甄 燕，李金霖

(1. 西北水電勘察設(shè)計(jì)研究院，西安710065;2. 中鐵十七局二公司，西安710065)

1 小型河床式水電站的特點(diǎn)

1.1 地形選址和樞紐布置

小型河床式水電站所選擇的壩址一般位于河床較寬而且兩岸地勢(shì)較低的位置，同時(shí)河道中下游河道縱坡平緩的河段，避免大量淹沒(méi)，以建低壩或閘。河床式水電站的樞紐建筑物主要有廠房、船閘、泄洪閘以及擋水壩等建筑物。為了便于水電站的管理，水電站廠房和船閘一般不布置在河岸的同一側(cè)，而分置于河道兩側(cè)，泄洪閘設(shè)置在河床的中間部分。

1.2 水電站廠房

無(wú)論是大型還是小型的河床式水電站，它都被作為擋水壩的一個(gè)重要組成部分，廠房本身起擋水作用是河床式水電站的主要特征。同時(shí)，為了適應(yīng)大流量的水流，河床式廠房也成為了低水頭水電站廠房的類型選擇，而且水電站機(jī)組一般采用燈泡式。這種形式可以大大節(jié)省土建的工程量，而且水電站的廠房結(jié)構(gòu)也比其他類型的廠房簡(jiǎn)單，機(jī)組安裝時(shí)間也很短。此外，河床式水電站可以使用很小的機(jī)組和發(fā)電水頭。在河床式水電站中所應(yīng)用的最小水頭一般為8 ～10 m以下。

1.3 需要大量金屬結(jié)構(gòu)制作和安裝工作

河床式水電站修建在江河之上，在夏季需要大流量宣泄，所以，水電站需要安裝大量的排泄閘以防止汛期出現(xiàn)洪水沖毀堤壩的現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)，河床式水電站的金屬結(jié)構(gòu)制作的工作量也很大，主要包括泄洪閘工作門、檢修門及啟閉機(jī)、廠房出入口的工作門、檢修門等6個(gè)主要組成成分，因此，河床式水電站需要有大量的金屬結(jié)構(gòu)制作及安裝工作量。

1.4 對(duì)通航的要求

通航需求對(duì)水電站的建設(shè)工期有著重要影響。通常情況下，水電站的建設(shè)不能阻礙河流的正常通航，所以，在修建河床式水電站時(shí)，如果要建設(shè)水電站的河流有通航要求，為滿足該要求，要盡量縮短水電站建設(shè)的工期，并且修建時(shí)一般選擇通航需求較少的季節(jié)來(lái)進(jìn)行施工。

1.5 廠房建設(shè)是水電站建設(shè)的重要環(huán)節(jié)

在河床式水電站中，廠房是重要組成部分，關(guān)系著整個(gè)水電站的正常運(yùn)行和管理。同樣，在小型河床式水電站建設(shè)項(xiàng)目中，與水電站的其他建設(shè)環(huán)節(jié)相比，廠房是水電站工程建設(shè)的重要內(nèi)容，同時(shí)，河床式水電站建設(shè)的所有環(huán)節(jié)中，廠房工程是重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，其主要原因是: 廠房工程施工需要工序較多，而且工作量較大，施工時(shí)間在整個(gè)工程項(xiàng)目建設(shè)工期占有最大比例，這就決定了廠房工程是整個(gè)河床式水電站工程施工進(jìn)度中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 小型河床式水電站的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 廠房的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

小型河床式水電站的順?biāo)鞣较蛑饕?個(gè)部分組成，即進(jìn)水口段、主廠房段以及尾水段。其中，進(jìn)水口段流向的尺寸主要受到布置進(jìn)水口閘、攔污柵和連接進(jìn)口與蝸殼的上唇曲線段的需求影響，因此，尺寸的確定要以這3 項(xiàng)為基準(zhǔn)。

在河床式水電站中，水庫(kù)不需要太大的容積和深度，但是在污水期，有許多漂流的污物，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水口攔污和清污出現(xiàn)問(wèn)題。例如，我國(guó)黃河上建設(shè)的一些河床式廠房，在洪水期就會(huì)有大量草泥順著水流下漂，會(huì)引起發(fā)電機(jī)組停機(jī)的狀況。所以，不僅要設(shè)置主攔污柵，還要根據(jù)污物的特性來(lái)增加副攔污柵的布置，提高攔污能力。同時(shí)，小型河床式廠房只設(shè)可以在動(dòng)水中下降的事故工作閘門，但是也要采取如下措施對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制:運(yùn)用雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)并設(shè)置事故配壓閥等。基于以上情況，事故工作閥門可使用門機(jī)吊落，可以有效減少?gòu)S房的閘門和啟閉機(jī)的使用數(shù)量。

同時(shí)，廠房機(jī)組段的寬度，就是水流進(jìn)水口段的垂直寬度。如果進(jìn)口寬度較大，那么就要設(shè)置幾道中間隔墩，進(jìn)而縮小閘門與廠房結(jié)構(gòu)之間的距離。而且，隔墩在蝸殼前室的長(zhǎng)度對(duì)水輪機(jī)中水流的狀態(tài)具有重要影響，因此，需要對(duì)水力進(jìn)行測(cè)試再確定隔墩深入前室的程度。

小型河床式廠房的水頭比其他類型的廠房低，這使得水輪機(jī)尾水管的長(zhǎng)度就較長(zhǎng)，尾水段的尺寸也較大，所以，主變壓器往往都安裝在尾水平臺(tái)上，并要與尾水管的長(zhǎng)度相適應(yīng)。和進(jìn)水口段相同，尾水段的寬度與機(jī)組段的寬度也是完全一樣的，而且也需要設(shè)置隔墩。但是隔墩的長(zhǎng)度不能深入尾水管段的內(nèi)部，不然會(huì)導(dǎo)致尾水管內(nèi)部的狀態(tài)惡化，進(jìn)而降低水輪機(jī)的工作效率。

對(duì)于水頭較高的小型河床式廠房，進(jìn)水口的平臺(tái)要比發(fā)電機(jī)層的樓板高，機(jī)房在上游部分起到了擋水的作用。對(duì)于無(wú)論是在洪水期還是枯水期水位變動(dòng)較大的河谷來(lái)說(shuō)，在洪水期，下游的水位會(huì)很高，尾水平臺(tái)的高度也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)電機(jī)層的樓板，廠房下游部分也要設(shè)擋水墻，進(jìn)而形成一個(gè)封閉的廠房結(jié)構(gòu)。

此外，小型河床式廠房自身也是一個(gè)起到擋水作用的建筑物，因此，在對(duì)廠房進(jìn)行地下體型設(shè)計(jì)時(shí)要妥善考慮，特別是廠房基礎(chǔ)為軟弱地基或者水的沖擊力較大時(shí)，要盡量減小滲透壓力對(duì)廠房所產(chǎn)生的壓力，保證廠房有一個(gè)穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，降低滲透對(duì)廠房所產(chǎn)生的變形影響，采取措施是提高廠房的地基承載力，緩解廠房由于滲透而造成的不均勻沉降。如果廠房的上下游具有很大差別的沉降，機(jī)組的主軸會(huì)產(chǎn)生一定程度的傾斜。而且，不均勻沉降也會(huì)導(dǎo)致吊車梁接縫出現(xiàn)裂縫錯(cuò)開(kāi)的現(xiàn)象，較大程度的錯(cuò)開(kāi)還會(huì)對(duì)機(jī)組段中的止水造成一定程度的損害。所以，如果小型河床式廠房基礎(chǔ)為軟土地基，要對(duì)其尾水渠進(jìn)行加固處理。

最后，小型河床式廠房的水庫(kù)比其他類型的廠房水庫(kù)小，因而在廠房前容易積聚大量的泥沙。所以，為了減少泥沙的大量堆積而對(duì)水輪機(jī)造成磨損，要在水電站樞紐布置中對(duì)建筑物進(jìn)行合理的安排，使得攜帶大量泥沙的水流也能夠在水電站平穩(wěn)的下泄。對(duì)廠房前的水流也要嚴(yán)加注意，盡最大程度的減少局部淤積而導(dǎo)致的整體堵塞現(xiàn)象;在廠房的上游都要設(shè)置攔沙檻，防止大量的淤泥向下游推移; 同時(shí)設(shè)置排沙孔或者底孔，使得淤泥在沒(méi)有進(jìn)入進(jìn)水口之前就會(huì)被沖到下游地區(qū)。

2.2 小型河床式水電站施工導(dǎo)流的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在進(jìn)行水電站建設(shè)之前，要對(duì)水電站建設(shè)的地形地質(zhì)等做考察，尤其是水電站是否通航的問(wèn)題，對(duì)這個(gè)問(wèn)題一般分為兩種情況來(lái)考慮，即在施工期間允許斷航和不允許斷航。在這兩種情況下，小型河床式水電站的施工導(dǎo)流也具有設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

2.2.1 施工期可以斷航

在這種情況下，在廠房進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一般都是考慮先圍發(fā)電廠房或者周邊的泄洪閘，再利用河床進(jìn)行導(dǎo)流。然后再建設(shè)船閘和其它剩余的泄洪閘，并利用前期所建成的河床進(jìn)行導(dǎo)流。這種方式可以減少許多工程量。

2.2.2 施工期不可以斷航

如果水電站在施工期不可以斷航，在設(shè)計(jì)時(shí)也存在著兩個(gè)方案:

1) 如果水電站的建設(shè)地形允許，那么可以采取兩岸同圍、中間通航的方式，也就是說(shuō)將廠房、船閘和泄洪閘同時(shí)圍住，然后再考慮中間通航問(wèn)題。

2) 先圍廠房及閘孔，然后由剩余的河床進(jìn)行導(dǎo)流，在廠房基本完工后，在圍船閘及其他閘孔，并由前期的閘孔負(fù)責(zé)通航。而且在設(shè)計(jì)時(shí)，這種方式要比其他方式的程序簡(jiǎn)單，而且能夠有效的縮短工期。但是也存在著缺點(diǎn)，就是這種方式對(duì)閘孔類型具有限制，一般只應(yīng)用于平底堰型。

因此，在選擇小型河床式水電站的疏導(dǎo)方案時(shí)，要對(duì)通航進(jìn)行仔細(xì)的研究，將通航和導(dǎo)流作為影響方案選擇的重要因素。

在方案確定以后，就要對(duì)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及導(dǎo)流時(shí)段進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。而這兩項(xiàng)與導(dǎo)流建筑物的建設(shè)成本、施工安全等具有緊密聯(lián)系。導(dǎo)流建筑物的設(shè)計(jì)要根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，而且它由保護(hù)對(duì)象、使用期限等各種因素所確定。在一般情況下，小型河床式水電站在施工導(dǎo)流期的水位要低于河堤，而且，小型水電站工程的圍堰使用期限都很短，對(duì)于低水圍堰的使用年限比高水圍堰更短。所以，小型河床式水電站在設(shè)計(jì)時(shí)，要切實(shí)注意這一點(diǎn)，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)對(duì)水電站的洪水水位標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)而降低導(dǎo)流工程的成本。

對(duì)導(dǎo)流時(shí)段進(jìn)行選擇，也要以小型河床式水電站的設(shè)計(jì)特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。就是要根據(jù)水電站基坑的工程量來(lái)對(duì)導(dǎo)流時(shí)段進(jìn)行選擇。一般來(lái)說(shuō)，廠房工程是水電站的重要建設(shè)環(huán)節(jié)。因?yàn)椋瑹o(wú)論是對(duì)于哪種水電站來(lái)說(shuō)，廠房工程都是建設(shè)基礎(chǔ)深，工程量大，需要有大量工種、技術(shù)和時(shí)間來(lái)支持。只有廠房工程盡快完成，才能夠盡早的收到水電站的效益。所以，要優(yōu)先進(jìn)行廠房的建設(shè)，保證施工的連續(xù)性。與廠房工程相比，船閘或者閘壩的工程量則相對(duì)較少，而且建設(shè)工序也較為簡(jiǎn)單，工期很短，所以，廠房在全年中起到了擋水的作用，而閘壩和船閘則是在枯水期發(fā)揮擋水作用。

此外，在對(duì)小型河床式水電站的施工導(dǎo)流進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮以上兩個(gè)特點(diǎn)以外，對(duì)于圍堰型式的選擇設(shè)計(jì)的特點(diǎn)也要給以考慮。主要分為兩種情況:①是如果河床覆蓋較薄，可以選擇使用漿砌石的圍堰型式，因?yàn)榭v向圍堰的抗沖擊能力較其他型式強(qiáng)，但是所要花費(fèi)的成本卻很高。②如果河床覆蓋較厚，那么就使用土石圍堰型式，這樣可以有效的加強(qiáng)抗沖擊的能力。所以，在對(duì)小型河床式水電站的導(dǎo)流進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要切實(shí)考慮不同圍堰類型所具有的特點(diǎn)，然后在根據(jù)河床式水電站的特點(diǎn)而選擇合適的圍堰類型。

［1］練繼建，王海軍，王日宣. 河床式水電站廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究［J］. 水利水電技術(shù)，2004(08) :37－40.

［2］王平. 提高河床式水電站效益的設(shè)計(jì)要點(diǎn)——以嵊州市新市水電站為例［J］. 浙江水利科技，2009(02) :51－52.

［3］陳婧，姚鋒娟，馬震岳，張運(yùn)良. 河床式水電站主副廠房不同連接形式抗震分析［J］. 水利水電科技進(jìn)展，2010( 01) :48－51，67.

［4］盛芳. 某河床式水電站泄洪閘消能防沖設(shè)計(jì)［J］. 四川水力發(fā)電，2011( S1) :75－77.

［5］姚福海. 河床式水電站導(dǎo)流明渠進(jìn)水口體型設(shè)計(jì)研究［J］. 西北水電，1995(01) :19－22.

［6］張永進(jìn)，戴順光. 河床式水電站中橡膠壩的設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)［J］.小水電，2011(03) :42－46.