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某水利樞紐工程放水兼發(fā)電引水建筑物設(shè)計

文檔作者：蔣小健文檔來源：阿勒泰地區(qū)SETH 水庫管理處		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年03月05日
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收稿日期：2018 - 04 - 03
作者簡介：蔣小?。?971- ），男，高級工程師，主要從事水利
工程建設(shè)與管理工作。E-mail：448422595＠qq.com
某水利樞紐工程放水兼發(fā)電引水建筑物設(shè)計
蔣小健
（阿勒泰地區(qū)SETH 水庫管理處，新疆阿勒泰836500）
摘要：通過對新疆某水利樞紐工程發(fā)電引水建筑物的比選，最終選定一管三機、分層取水的設(shè)計方案，并詳細介紹
了整個設(shè)計計算過程。表2 個。
關(guān)鍵詞：水利工程；引水建筑物；設(shè)計方案；比選
1 工程概況
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 臺單機容量
12 MW及1 臺3.6 MW水輪發(fā)電機組，設(shè)計引水流
量為大機組2 × 27.65 m／ s、小機組8.6 m／ s。
2 放水兼發(fā)電引水建筑物
可研階段推薦方案樞紐裝機為兩大一小3 臺裝
機，初設(shè)階段布置方案采用兩種方案進行比選：一
種方案采用一管一機方案，一種是一管三機方案。
采用一管一機方案，電站運行管理靈活方便，
水流條件好，水頭損失?。坏∷趯挾却?。本工
程分層取水通過疊梁門實現(xiàn)，進口前沿寬，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，采用一管三機方案。
可研階段審查意見“基本同意放水兼發(fā)電引水
進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布置型式?！?
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”。
3 取水口設(shè)計
3.1 取水口取水方式比選
壩址區(qū)為嚴寒地區(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
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
· 26 ·
規(guī)劃設(shè)計SMALL HYDRO POWER 2018No.3，Total No.201
萬方數(shù)據(jù)
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。
3.2 分層取水進水口方案選擇
壩址區(qū)為嚴寒地區(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，進水口采
用分層取水的方式。
分層取水進水口方案在疊梁門方案與固定進水
口方案之間進行比較。
（1）疊梁門方案采用有壓壩式進水口，進口底
高程979 m，后接管徑4.5 m壓力鋼管。由進口段、
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)供水以及兼顧機組發(fā)電供水。
（2）固定進水口方案采用有壓壩式進水口，進
水口由開敞式進口段、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。進水口至平板檢修閘門槽孔口最近距離為3.5 m。
進水口設(shè)置進口檢修閘門，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
采用壩頂門機機控制（見表1）。
表1 不同方案投資比較
項目
數(shù)量
方案1：分層取水疊梁門方案方案2：分層取水固定取水門方案
混凝土
／ m3
鋼筋
／ t
取水口設(shè)備
安裝工程
檢修門設(shè)備
及安裝工程
混凝土
／ m3
鋼筋
／ t
取水口設(shè)備
安裝工程
檢修門設(shè)備
及安裝工程
工程量27 516 396 — — 47 291 711 — —
投資／ 萬元1 156 218 1 980 304 1 987 392 1 377 304
合計／ 萬元3 658 4 060
兩方案均采用壩頂門機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。
4 放水兼發(fā)電取水口布置
放水兼發(fā)電取水口布置于13 號壩段，采用有
壓壩式進水口，后接壩內(nèi)壓力鋼管。取水口由開敞
式進口段、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機控制。
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 臺大機組供水，1、2 號岔管管壁厚度為
30 mm。1 號機組支管（管徑2.6 m）至蝶閥中心線長
19.958 m，2 號機組支管（管徑2.6 m）至蝶閥中心
· 27 ·
小水電2018 年第3 期（總第201 期） 規(guī)劃設(shè)計
萬方數(shù)據(jù)
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 號支管給小機組供水，4 號（即小機組）
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 水力學(xué)計算
5.1 引用流量及水頭損失
5.1.1 流速
發(fā)電引水鋼管直徑4.5 m：采用一管三機，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。
5.2 進口底板高程確定
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）從保證進水口內(nèi)為壓力流，最小淹沒深度
S 按下式計算：
S ＝ K［△h1 十△h2 十△h3 十△h4 十△h5 十V25
2g
］
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 進水口淹沒深度計算成果
部位
計算
方法
最小淹
沒深度
／ m
計算最小
淹沒高程
／ m
實際淹
沒高程
／ m
放水兼發(fā)
電取水口
（1） 0.88 984.68
（2） 0.68 984.40
986.0
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。
5.3 通氣孔面積
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。
6 結(jié)語
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及分
層取水的設(shè)計方案；并詳細論述了建筑物設(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。
■
責(zé)任編輯吳昊
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