蔣小健
(阿勒泰地區(qū)SETH水庫管理處,新疆 阿勒泰 836500)
新疆某水利樞紐工程任務(wù)為供水和防洪,兼顧灌溉和發(fā)電,水庫總庫容2.94億m3,工程主要由碾壓混凝土重力壩(含擋水壩段、表孔和底孔壩段、放水兼發(fā)電引水壩段等)及消能防沖建筑物、壩后式電站廠房和升魚機(jī)等組成。工程為II等工程,規(guī)模為大(2)型。攔河壩(含擋水壩段、表孔和底孔壩段、放水兼發(fā)電引水壩段等)及消能防沖建筑物為2級建筑物,升魚機(jī)和電站廠房為3級建筑物;導(dǎo)流建筑物級別為4級。碾壓混凝土重力壩從左岸至右岸共布置21個壩段。電站廠房采用壩后式電站廠房,廠區(qū)建筑物由主廠房、副廠房、尾水建筑物和管理用房等組成。2臺110 kV主變布置于副廠房上游側(cè)室外。主廠房內(nèi)設(shè)2臺單機(jī)容量12 MW及1臺3.6 MW水輪發(fā)電機(jī)組,設(shè)計引水流量為大機(jī)組2×27.65 m/s、小機(jī)組8.6 m/s。
可研階段推薦方案樞紐裝機(jī)為兩大一小3臺裝機(jī),初設(shè)階段布置方案采用兩種方案進(jìn)行比選:一種方案采用一管一機(jī)方案,一種是一管三機(jī)方案。
采用一管一機(jī)方案,電站運行管理靈活方便,水流條件好,水頭損失??;但取水口寬度大。本工程分層取水通過疊梁門實現(xiàn),進(jìn)口前沿寬,造成疊梁門寬度較大,規(guī)模較大,并且疊梁門需要門庫存放,門庫規(guī)模較大,門庫布置及運行操作均不方便;并且壩內(nèi)埋設(shè)3根鋼管,對壩體快速施工影響較大。
采用一管三機(jī)方案,缺點是電站運行管理不便,需增設(shè)蝶閥,岔管處鋼管應(yīng)力條件較差,水流條件較差,水頭損失大;優(yōu)點是取水口布置緊湊,寬度小,疊梁門庫布置在取水口旁側(cè)壩段,運用方便,壩內(nèi)埋管只有1根,對壩體施工影響小。經(jīng)綜合考慮,采用一管三機(jī)方案。
可研階段審查意見“基本同意放水兼發(fā)電引水進(jìn)水口采用分層取水型式及布置,放水兼發(fā)電引水建筑物采用一管三機(jī)布置型式?!?/p>
可研階段評估意見“引水發(fā)電及過魚建筑物設(shè)計基本合適”。
壩址區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū),水庫蓄水后,水庫水溫呈垂向分層分布,庫表水溫和庫底水溫溫差較大。放水兼發(fā)電取水口底高程為979.0 m,下放的庫水水溫與天然氣溫相差較大,對下游生態(tài)和農(nóng)業(yè)灌溉將產(chǎn)生影響。因為水體置換期較長的庫區(qū)水溫分層,會引起深水層的水質(zhì)惡化;其次,對水生生物產(chǎn)生影響,壩址區(qū)烏倫古河魚類產(chǎn)卵季節(jié)為4~7月,魚類產(chǎn)卵所耐受的最低溫度一般為18 ℃。低溫水的下放,水的溶氧量及水的化學(xué)成分將發(fā)生變化,進(jìn)而影響魚類和餌料生物的衍生,降低魚類的新陳代謝能力;低溫水的下放,還限制下游灌區(qū)地溫的提高,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。為避免低溫水對下游生態(tài)環(huán)境的不利影響,取水口采用分層取水的方式。
壩址區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū),水庫蓄水后,水庫水溫呈垂向分層分布,庫表水和庫底水溫差較大。為避免溫差較大水對下游生態(tài)環(huán)境的不利影響,進(jìn)水口采用分層取水的方式。
分層取水進(jìn)水口方案在疊梁門方案與固定進(jìn)水口方案之間進(jìn)行比較。
(1)疊梁門方案采用有壓壩式進(jìn)水口,進(jìn)口底高程979 m,后接管徑4.5 m壓力鋼管。由進(jìn)口段、攔污柵、分層取水疊梁門、檢修閘門及漸變段組成,均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。攔污柵采用直立式布置,利用壩頂門機(jī)吊裝清污抓斗清污。攔污柵設(shè)1孔,孔口凈寬4.5 m。攔污柵下游2.50 m設(shè)置疊梁門,疊梁門至平板檢修閘門槽孔口距離9.75 m。檢修門后的漸變段長7.5 m,漸變段后接內(nèi)徑4.5 m的壓力鋼管,壓力鋼管出壩體后分為1、2、3號共3個支管,其中3號支管再分為2個支管,分別為生態(tài)基流、魚道、工業(yè)供水以及兼顧機(jī)組發(fā)電供水。
(2)固定進(jìn)水口方案采用有壓壩式進(jìn)水口,進(jìn)水口由開敞式進(jìn)口段、攔污柵、分層取水閘門、檢修門槽及漸變段組成,均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。攔污柵采用直立式布置,利用壩頂門機(jī)吊裝清污抓斗清污。攔污柵設(shè)兩孔,孔口凈寬4.5 m,相應(yīng)的過柵流速為0.868 m/s。攔污柵后設(shè)置4個分層取水閘門,門高7.0 m,進(jìn)口底高層分別為979.0、990.0、1 001.0 m以及1 012.0 m,取水口門頂處設(shè)置4 m高的橫梁。其中,高程1 012.0 m門頂處和橫梁梁頂1 023.0 m高程以上采用開放式,取正常蓄水位的表層水。進(jìn)水口至平板檢修閘門槽孔口最近距離為3.5 m。
進(jìn)水口設(shè)置進(jìn)口檢修閘門,閘門尺寸為4.5 m×5.03 m。攔污柵、分層取水口閘門及檢修閘門均采用壩頂門機(jī)機(jī)控制(見表1)。
表1 不同方案投資比較
兩方案均采用壩頂門機(jī)控制閘門啟閉及攔污柵的起吊與安放,運行管理條件相差不大,都能滿足分層取水的功能要求。方案2取表層水效果不如方案1,且土建投資較大,施工難度高于方案1;并且由兩方案投資比較來看,方案2投資比方案1投資高402萬左右,因此本階段推薦方案1,采用疊梁門分層取水方案。
放水兼發(fā)電取水口布置于13號壩段,采用有壓壩式進(jìn)水口,后接壩內(nèi)壓力鋼管。取水口由開敞式進(jìn)口段、攔污柵、分層取水疊梁門、檢修門槽及漸變段組成,均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。攔污柵采用直立式布置,利用壩頂門機(jī)吊裝清污抓斗清污。攔污柵設(shè)兩孔,孔口凈寬4.5 m,相應(yīng)的過柵流速為0.868 m/s。攔污柵后2.5 m設(shè)置疊梁門,疊梁門至平板檢修閘門槽孔口9.75 m。攔污柵、疊梁門以及檢修閘門均采用壩頂門機(jī)機(jī)控制。
檢修門后的漸變段長7.5 m,由4.5 m×4.5 m的方孔漸變?yōu)閮?nèi)徑4.5 m的圓孔,漸變段后接內(nèi)徑4.5 m的壓力鋼管,壓力管道由壩內(nèi)埋管段(上下2個水平段、上下2個彎段)、4個卜型岔管、5個支管等組成。
上水平段管道中心線高程為981.25 m,長度為9.5 m,經(jīng)上下2個半徑為11.25 m、轉(zhuǎn)角為53°的轉(zhuǎn)彎段,鋼管中心線由981.25 m降為965.20 m,接管徑為4.5 m明鋼管,出壩體后分為1號卜型岔管、2號卜型岔管、3號卜型岔管及4號卜型岔管。明鋼管至1號岔管中心點長7.172 m,鋼管管壁厚度為22 mm,鋼管每隔2 m設(shè)1道高200 mm、厚22 mm的加勁環(huán),其后接2號岔管;2號岔管分別接1、2號支管給2臺大機(jī)組供水,1、2號岔管管壁厚度為30 mm。1號機(jī)組支管(管徑2.6 m)至蝶閥中心線長19.958 m,2號機(jī)組支管(管徑2.6 m)至蝶閥中心線長13.874 m,1號岔管經(jīng)3號支管(管徑2.6 m)接3號岔管;1~3號支管管壁厚度為20 mm,鋼管每隔2 m設(shè)1道高200 mm、厚22 mm的加勁環(huán)。3號岔管接4號支管給小機(jī)組供水,4號(即小機(jī)組)支管(管徑1.5 m)至蝶閥中心線長16.384 m,4號支管壁厚度為18 mm,鋼管每隔2 m設(shè)1道高100 mm、厚18 mm的加勁環(huán)。3號岔管經(jīng)5號支管(管徑1.8 m)接4號岔管,給過魚建筑物及下游生態(tài)基流供水,5號支管管壁厚度為18 mm,鋼管每隔2 m設(shè)1道高100 mm、厚18 mm的加勁環(huán)。3號、4號岔管管壁厚度為22 mm,鋼材均為Q345R。
5.1.1 流速
發(fā)電引水鋼管直徑4.5 m:采用一管三機(jī),放水及發(fā)電引水鋼管最大引用流量63.9 m3/s;總管段最大流速4.02 m/s,支管段直徑2.6 m,最大流速5.21 m/s。
生態(tài)引水鋼管直徑1.5 m:引用流量為4.83 ~11.49 m3/s(其中,工業(yè)供水約為1.5 m3/s,生態(tài)供水枯水年供3.33 m3/s、豐水年供9.99 m3/s),流速為2.73 ~6.50 m/s。
5.1.2 水頭損失
3臺機(jī)發(fā)電,洞內(nèi)流量63.9 m3/s,管路最大總水頭損失為3.02 m。
水庫最低發(fā)電水位1 005.0 m,初擬放水兼發(fā)電引水鋼管底板高程979.0 m。為使取水口在最低水位時保持有壓流,不致產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦將空氣及污物卷入,需要保持足夠的淹沒水深。根據(jù)規(guī)劃相關(guān)資料,在死水位986 m生態(tài)引水鋼管引水月份為3~6月份,此時段最大引用流量為11.49 m3/s,按此工況計算進(jìn)口淹沒。
(1)從防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦考慮,最小淹沒深度按照“戈登公式”估算:
S=Cvd1/2
式中,S為孔口淹沒深度(m);v為孔口斷面流速(m/s);d為孔口高度(m);C為與進(jìn)口形狀有關(guān)的系數(shù),C=0.55~0.73,此處取C=0.73。
(2)從保證進(jìn)水口內(nèi)為壓力流,最小淹沒深度S按下式計算:
式中,S為最小淹沒深度,應(yīng)不小于1.5,K為安全系數(shù),應(yīng)不小于1.5,計算中取為1.5;△h1為攔污柵水頭損失;△h2為有壓進(jìn)水口喇叭段水頭損失;△h3為閘門槽水頭損失;△h4為壓力管道漸變段水頭損失;△h5為沿程水頭損失。
計算結(jié)果如下所示(見表2)。
表2 進(jìn)水口淹沒深度計算成果
根據(jù)計算結(jié)果,實際淹沒高程均大于計算所需的最小淹沒高程,取水口底板高程滿足要求。
通氣孔在檢修門井后墻內(nèi)布置1個圓孔,直徑1.0 m,面積0.785 m2。
放水及發(fā)電引水鋼管檢修門井后設(shè)置通氣孔,其作用為發(fā)生故障下門時向洞內(nèi)補(bǔ)充空氣;在檢修完成后向引水洞充水時向外排出空氣。根據(jù)水利水電工程《鋼閘門設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,快速閘門通氣孔面積按發(fā)電管道面積的3%~5%選定。本工程按規(guī)范取值。
引水鋼管:通氣孔面積為(3%~5%)×20.25 m2=0.61~1.01 m2。因進(jìn)口采用的是檢修門而非快速門,通氣孔面積可相應(yīng)減小,實際布置的通氣孔面積滿足通氣要求。
通過簡述新疆某水利樞紐工程放水兼發(fā)電引水建筑物方案比選,最終確定了樞紐的一管三機(jī)及分層取水的設(shè)計方案;并詳細(xì)論述了建筑物設(shè)計計算過程,最終確定了樞紐工程放水兼發(fā)電引水建筑物的布置方案。