溪洛渡水电站进水口分层取水措施设计

姜跃良，何 涛，田 华

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

水电站进水口分层取水结构在水电开发程度很高的美国很受青睐，已成为水电生态友好实践的重要组成部分[1]。近年来在我国的光照、锦屏一级、溪洛渡、双江口等一些大型水电工程陆续开展了分层取水措施的相关研究和设计，对减缓深水型水库下泄低温水对下游水生生境造成的不利影响具有极其重要的意义。本文就溪洛渡水电站进水口分层取水措施设计成果进行介绍。

2 工程概况

溪洛渡水电站是一座以发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游江段航运条件等综合利用效益的特大型水电工程。电站总装机容量为12 600MW(18×700MW)。单层进水口方案的电站进水口底板高程为518m。水库正常蓄水位600m，死水位540m，正常蓄水位相应库容115.7亿m3，死库容51.1亿m3，为不完全年调节水库。电站可行性研究阶段的水温预测结果表明，水库水温结构属稳定分层型，电站运行时下泄的低温水会改变下游河道天然水温的分布，将对下游鱼类繁殖产生一定的不利影响。

原国家环境保护总局在《关于金沙江溪洛渡水电站环境影响报告书审查意见的复函》中明确要求，“应在设计阶段进一步优化枢纽建筑物设计和电站初期蓄水与运行方案，尽可能降低4～5月份水库运行水位、抬高进水口底板高程，以提高下泄水温，减轻对坝下水生生态的影响”。受建设单位中国长江三峡工程开发总公司委托，我院于2008年3月承担溪洛渡水电站进水口分层取水布置专题设计工作，专题成果于2008年11月通过审查。目前分层取水措施正处在施工阶段。

3 分层取水工程布置方案比选

在招标阶段审定的单层进水口布置方案的基础上，通过调整取水建筑物设计形式，研究比选了高低进水口、双层取水口及叠梁门多层取水共3种分层取水工程布置方案。

比较结果表明，从工程布置上，采用叠梁门工程方案实现分层取水相对可行(见表1)。图1为右岸11号叠梁门多层取水进水口纵剖面示意图。

4 叠梁门分层取水水温预测及效果分析

对比了叠梁门单层门叶高度分别采用12m、8m、6m的3种方案，数值模拟结果表明，不同门叶高度方案对月均水温影响不大。考虑到施工、运输、运行等技术经济指标，叠梁门单层门叶高度推荐采用12m。基于3～6月为鱼类主要产卵期，叠梁门运行时段为3～6月。结合历年水文资料和最小淹没水深要求(25m)，最多采用4层叠梁门取水，最大挡水高度为48m。下文针对溪洛渡水库单独运行和联合运行两种工况的水温分布特点分别进行分析。其中，单独运行工况指基于二滩水库已运行，溪洛渡水电站单独运行的工况；联合运行工况是基于二滩已建，考虑金沙江干流下游乌东德、白鹤滩联合运行的工况。两种工况均以平水年进行典型预测。

图1 溪洛渡水电站进水口纵剖面示意

序号分层取水工程布置方案简要说明特 点综合比选结论1高低进水口方案将左岸1～4号(右岸15～18号)进水口底板高程设为542.00m。左岸塔基高程539.00m(右岸537.00m),左岸塔高71m(右岸73m),左右岸前部引渠底高程540.00 m;左岸5～9号(右岸10～14号)进水口底高程仍保持单层取水时的底板高程518.00m,左岸塔基高程515.00m(右岸513.00m),左岸塔高95m(右岸97m),左右岸前部引渠底高程516.00m涉及进水口建基面的调整。在不同的库水位下,进水口需采用不同的开启运行方式,系统调度运行的灵活性较差,且会带来发电量及销售收入的损失,对溪洛渡电站经济效益的影响巨大2双层取水口方案进水口布置格局与原单层进水口大体一致,增加一道闸门,进水塔顺水流方向尺寸将增加约20.00m涉及进水口建基面的调整,受左右两岸厂房进水口的地形条件限制,不具备实施双层取水口方案的条件3叠梁门方案左岸在拦污栅栅墩处增加一道叠梁门门槽,右岸利用备用拦污栅槽作为叠梁门槽。叠梁门挡水闸门底高程为518.00m,最大挡水高程为566.00m高程,门叶尺寸3.8m×48m(宽 高),门叶分4节,每节高度12m。每台机组进口前缘由栅墩分成5个过水栅孔,九台机组共设45个过水栅孔,挡水闸门数量亦为45扇,门叶共180节不涉及进水口建基面的调整,工程量较小从水工布置上比较,叠梁门方案基本可行

遇丰水年水库高水位运行时，最多可能启用4层门叶挡水，最大挡水高度为48m，分层取水升温效果将较平水年更明显。

4.1 单独运行工况

4.1.1 叠梁门逐旬启用情况

3～6月启用叠梁门分层取水。以平水年(1982.06—1983.05)进行分析，水位在567m以上运行时，两层门叶挡水，挡水闸门顶高程为542m；水库水位在555m与567m之间时，吊起第一节叠梁门，用第二节门叶挡水，此时挡水闸门顶高程为530m；水库水位降至555m以下时，继续吊起第二节叠梁门，无闸门挡水，取水方式与单层取水相同，取水口底高程518m。

4.1.2 预测结果及分析

图2反映了该分层取水方案的水库坝前水温年内分布特征。表2反映了下泄水温、坝前表层水温、库底水温、坝址处天然水温及气温年内过程，并比较了该叠梁门取水方案逐月下泄水温与单层取水口方案及天然状况的差异。

相对单取水口方案而言，叠梁门取水方案使3～6月鱼类主要产卵期平均水温升高了0.3℃，其中，3月份升高了0.7℃，4月份升高了0.8℃，在一定程度上减轻了低温水的负面影响。

图2 逐月坝前水温分布(单独运行 平水年)

月份月均下泄水温坝址天然水温月均下泄水温与天然水温差值月均下泄水温与单层取水口水温差值表层水温库底水温库区平均气温1月14.312.81.5-0.315.914.110.22月13.313.8-0.5-0.314.913.312.23月14.716.2-1.50.715.513.217.04月17.419.2-1.80.818.213.221.45月19.521.4-1.9-0.220.713.224.36月21.522.2-0.7023.313.225.47月21.922.5-0.60.423.313.227.48月22.322.9-0.6-0.128.813.226.99月20.921.1-0.2-0.425.113.223.310月19.819.60.2-0.123.213.219.511月18.216.61.6-0.220.413.215.412月16.313.82.5-0.118.413.411.5年平均18.318.5-0.2020.613.319.5

4.2 联合运行工况

4.2.1 叠梁门逐旬启用情况

3～6月启用叠梁门分层取水。以平水年(1960.06—1961.05)进行分析，水位在579m以上运行时，三层门叶挡水，挡水闸门顶高程为554m；水库水位在567m与579m之间时，吊起第一节叠梁门，由其它门叶挡水，此时挡水闸门顶高程为542m；水库水位在555m与567m之间时，吊起第二节叠梁门，由最下层节门叶挡水，此时挡水闸门顶高程为530m；水库水位降至555m以下时，继续吊起最下层叠梁门，无闸门挡水，取水方式与单层取水相同，取水口底高程518m。

4.2.2 预测结果及分析

图3反映了该方案的溪洛渡水库坝前水温年内分布特征。表3反映了下泄水温、坝前表层水温、库底水温、坝址处天然水温及气温年内过程，并比较了该叠梁门取水方案与单层取水口方案及天然状况的差异。

表3 联合运行时平水年月均下泄水温、坝前水温分布、坝址天然水温及气温 ℃

图3 逐月坝前水温分布(联合运行 平水年)

相对单取水口方案而言，叠梁门取水方案使3～6月鱼类主要产卵期平均水温升高了0.3℃，其中，3、4月份均升高了0.6℃，在一定程度上减轻了低温水的负面影响。

5 分层取水工程布置研究

5.1 发电引水进水口建筑物的设计标准

电站进水口建筑物的设计标准如下：永久性主要建筑物按1级建筑物设计；非壅水建筑物洪水设计标准按500年一遇洪水设计、1000年一遇洪水校核，其校核洪水位(千年一遇)为600.70m；设计地震烈度为Ⅷ度，地震水平加速度为0.21g。

5.2 发电引水进水口的水力设计

经计算，过栅流速为1.14m/s，过水道水流竖向流速为3.8m/s，进水口段水头损失约0.95m。

5.3 进水口结构布置

鉴于左岸竖井式进水口开挖已经完成，故仅对进水口拦污栅段进行调整。为保证能够分层取水，在栅墩上增加一道叠梁门槽。考虑到设置倾斜的叠梁门槽启闭困难，特将整个拦污栅段调整为直立式。由于拦污栅段改为直立式，栅墩后的斜坡上需回填较大量的混凝土。考虑到回填混凝土自身稳定要求以及减小混凝土工程量，将斜坡上的回填混凝土调整为钢筋混凝土墙板结构，并设平压孔保证墙体内外水压平衡。

鉴于右岸岸塔式进水口开挖已经完成，故仅对进水口拦污栅进行了调整。利用原备用拦污栅槽作为叠梁门槽，只需调整拦污栅胸墙高度，其余结构基本不变。

叠梁门挡水闸门底高程为518.00m，最大挡水高程为566.00m，门叶尺寸3.8m×48m(宽 高)，门叶分4节，每节高度12m。每台机组进口前缘由栅墩分成5个过水栅孔，9台机组共设45个过水栅孔，挡水闸门数量亦为45扇，门叶共180节。

为了减小进水口取上层水时过水道水流的竖向流速，以使流经拦污栅段的水流均匀、平稳地进入隧洞，拦污栅段和隧洞段之间留有4.00m间距。拦污栅段和隧洞段边墙之间采用纵撑连接，纵撑间水平净距4.60m，垂直向中心间距8.00m，断面尺寸1.20m×1.50m(宽×高)，以增强拦污栅段的抗震能力。

5.4 分层取水的闸门及启闭设备

5.4.1 左岸分层取水叠梁门方案

左岸进水口每台机组为单进口，进口底坎高程为518.00m，闸顶高程610.00m，引水建筑物的金属结构包括进水口的拦污栅、叠梁门(与备用拦污栅共槽)、检修闸门、快速闸门及启闭设备。

5.4.1.1 进水口拦污栅及启闭设备布置

进口前缘由栅墩分成5个过水栅孔，每孔宽3.8m、高71m，拦污栅强度按4m水位差设计。左岸进水口设工作栅45扇，备用栅1扇，每扇栅叶由23节组成，每节高度3.12m，采用滑道支承，用拉杆连接至顶610.00m平台并锁定，拦污栅在前后水位差不大于1m时可启吊。在单层取水时可进行一孔拦污栅清污或检修，将锁定在备用栅槽上的一层叠梁门吊运到空闲的储栅槽内，再下备用栅后方能提起工作栅，通过抓梁+拉杆+顶3节拦污栅起吊。其它20节拦污栅用抓梁分5次起吊。备用拦污栅平时分别存放在储栅槽内。吊起设备为2台800kN双向门机。

检修闸门、快速闸门及启闭机布置与单层取水相同，启闭机采用1台2 500kN双向门机。

5.4.1.2 进水口叠梁门及启闭设备布置

门叶尺寸3.8m×48m(宽×高)，滑动支承，按4m水压差设计，门叶分16节，每节高度3m，每4节用节间连接板或焊接相连组成一层叠梁门，共四层。采用闸顶800kN双向门机配合液压自动抓梁分层起吊。在叠梁门槽上锁定一层叠梁门，其它三层叠梁门储存在三个叠梁门储门槽内。

5.4.2 右岸分层取水叠梁门方案

右岸岸塔式进水口每台机组为单进口，进口底坎高程为518.00m，闸顶高程610.00m，引水建筑物的金属结构包括拦污栅、叠梁门、检修闸门、快速闸门及启闭机。

右岸分层取水叠梁门方案与左岸相同，仅启闭机采用闸顶2500kN/320kN/320kN双向门机320kN回转吊配合+拉杆起吊顶节拦污栅，其余由回转吊配合液压抓梁、分节起吊拦污栅、分层启闭叠梁门。门机轨距14.8m，扬程110m，轨上扬程18m。右岸叠梁门门库均设置在备用栅槽后的联系梁格内。拦污栅清污或检修方式与左岸相同。

6 分层取水叠梁门的运行调度管理

3～6月为鱼类主要产卵期，水位在604m以上运行时，四层门叶挡水，挡水闸门顶高程579m；水位在579m以上运行时，三层门叶挡水，挡水闸门顶高程为554m；水位在579m以上运行时，三层门叶挡水，挡水闸门顶高程为554m；水库水位在567m与579m之间时，吊起第一节叠梁门，用其它门叶挡水，此时挡水闸门顶高程为542m；水库水位在555m与567m之间时，吊起第二节叠梁门，用最下层节门叶挡水，此时挡水闸门顶高程为530m；水库水位降至555m以下时，继续吊起最下层叠梁门，无闸门挡水，取水方式与单层取水相同，取水口底高程518m。

其他月份不启用叠梁门，使用单层取水方案。

因不同水文年入库水量和运行水位有所差异，运行时段应结合水库水位运行调度方案进行分层取水实时调度，灵活确定叠梁门挡水总高度，实现分层取水效果最大化。

7 新增土建工程量及工程投资估算

7.1 新增土建工程量

与技施阶段的单层进水口方案相比，进水口叠梁门分层取水方案合计新增主要工程量如下：新增混凝土(C25)6.9万m3，新增塔体钢筋5 228t，减少混凝土(C15)2.4万m3。

7.2 新增投资估算

与技施阶段的单层进水口方案相比，进水口叠梁门分层取水方案投资合计新增2.61亿元。其中，左岸工程新增1.83亿元，包括新增土建投资0.67亿元，新增金属结构投资1.16亿元。右岸工程新增0.78亿元，包括减少土建投资0.09亿元，新增金属结构投资0.87亿元。新增投资仅占溪洛渡工程总投资的4.35‰，增加量不大。

8 结束语

简言之，溪洛渡水电站进水口叠梁门分层取水方案是：在3～6月鱼类集中产卵期，在保证最小淹没水深25m的前提下，尽量采用多层叠梁门取水，叠梁门最大挡水高度为48m(4门叶×12m)；其余月份采用单层进水口取水。

从水温改善效果的角度分析，叠梁门分层取水方案在一定程度上减轻了低温水的负面影响，是一种可行的分层取水方案。

从工程布置的角度分析，采用叠梁门方案实现溪洛渡水电站发电进水口分层取水，仅需在左岸拦污栅栅墩处增加一道叠梁门门槽，右岸利用备用拦污栅槽作为叠梁门槽，不涉及进水口建基面的调整，增加工程量较小，方案可行。

从投资角度分析，叠梁门分层取水方案较原单进水口方案新增2.61亿元，仅占工程总投资的4.35‰，投资增加量不大。

笔者认为，溪洛渡水电站进水口叠梁门分层取水方案使鱼类集中繁殖期的增温效果较明显，同时具备工程量小、投资省、运行操作灵活等优点，在对水资源合理开发的同时保证了水电建设项目与生态环境的和谐发展。

参考文献：

[1] 杜效鹄,喻卫奇,芮建良.水电生态实践—分层取水结构[J].水力发电, 2008，34(12).

[2] 金沙江溪洛渡水电站环境影响报告书[R].成都：中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2005.4.

[3] 金沙江溪洛渡水电站电站进水口分层取水研究专题报告[R].成都：中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2008.11.