简析水利枢纽工程的特点对工程的总体设计思路的作用

简析水利枢纽工程的特点对工程的总体设计思路的作用


1　概述
湾头水利枢纽工程位于广东省韶关市北江区,地处北江支流浈水下游,距韶关市约13 km。该工程的开发任务是建设以防洪为主,结合发电、改善航运、灌溉以及水环境等综合利用的水利水电工程。防洪任务是:近期配合堤防将韶关市的防洪标准提高到50年一遇,远期待兴建乐昌峡水利枢纽工程后将韶关市的防洪标准提高到100年一遇。该工程水电站厂房装有灯炮贯流式机组3台,单机容量为10 MW,通航船闸为Ⅶ级,设计最大船舶吨位为50 t。湾头水利枢纽工程的总体布置是在河床中间布置泄洪闸坝,紧临泄洪闸坝的左侧布置发电厂房,右侧布置船闸,发电厂房与左岸之间用均质土坝相连,船闸与右岸之间用混凝土重力坝相连。
2　主要资料及基本要求湾头坝址左岸一级阶地高程60~65 m,宽度约350 m,阶地以上山坡坡度15°~20°;主河床高程52~55 m,左高右低,大部分为53 m高程,宽度约200 m。左岸一级阶地表层由砂卵石、砾砂、粉细砂及粉土组成,厚度0·4~13.0 m;主河床为强-弱风化砾质砂岩,约一半宽度为强风化出露,厚度2~8 m,其余为强-弱风化出露,强风化厚度0~2 m。湾头水利枢纽工程为Ⅲ等中型工程,拦河闸坝按3级建筑物设计。正常运用时的洪水重现期为50年;非常运用时的洪水重现期为500年;相关的连结土坝正常运用时的洪水重现期为50年,非常运用时的洪水重现期为1 000年。本工程以防洪为主,水库在4 ~ 8月以防洪限制水位63·0 m运行,8月底回蓄至正常蓄水位65·0 m,9~3月以正常蓄水位65·0 m运行,至汛期初(3月底)回落至死水位63·0 m。水库的洪水调度原则是:当韶关发生20年一遇以下洪水时:当上游来水量小于或等于2 765 m3/s,按正常发电后余量由闸孔泄放;
当上游来水量大于2 765 m3/s,机组停止发电开闸放水,有多少放多少。当韶关发生20~50年一遇洪水时,湾头水库与区间凑泄,控制韶关安全泄量不大于8 727 m3/s。当水库水位超过50年一遇洪水位时,考虑大坝安全,按来量尽泄,但最大泄量不大于天然来量。对拦洪闸坝的泄洪要求是,具有足够的能力以宣泄非常运用时的流量和在汛期进行调洪前有足够的泄流能力,以使上游的淹没损失尽可能最小。
3　闸坝堰型的选择原则经过分析研究,在选择堰型时主要应遵循以下原则:(1)在发生20年一遇洪水(即进行调洪)之前,闸坝具有足够的泄流能力使闸前水位比天然水位增加较少,以此,库区淹没损失尽可能最小。(2)在发生设计洪水和校核洪水位时满足泄洪的要求。(3)有利于枢纽布置。(4)技术可行和经济合理。
4　闸坝堰型的比选根据闸坝堰型的选择原则,在选择坝型时要进行库区淹没、水力条件、枢纽布置、投资等方面的技术经济比较。
4·1　库区淹没湾头水利枢纽工程的防洪调度原则是当韶关市发生20年一遇以下洪水时,水库不控泄;当韶关市发生20~50年一遇洪水时,水库控泄;当水库发生50年一遇以上洪水时,考虑大坝安全,按照来量尽泄。湾头水利枢纽工程的水库永久淹没标准为:房屋人口迁移线是按建库后重现期20年一遇汛期(4~8月)洪水沿程回水线、建库后重现期20年一遇枯水期(9~3月)洪水沿程回水线与坝前正常蓄水位加1·0 m水平线的外包线。土地淹没线是按建库后重现期5年一遇汛期(4~8月)洪水沿程回水线、建库后重现期5年一遇枯水期(9~3月)洪水沿程回水线与坝前正常蓄水位加0·5 m水平线的外包线。由上述防洪调度原则和水库永久淹没标准可知,只要发生20年一遇以下洪水时,通过闸孔泄流后闸前水位与天然水位越接近,那么,因过闸泄流能力而产生的库区淹没就越小。20年一遇洪水时洪水流量是4 875 m3/s,相应的天然水位是62·54 m。当发生20年一遇洪水时,因为闸孔泄流能力决定的闸前水位即会随着比天然水位大得越多而导致库区淹没损失增多,也会在一定的范围内带来发电效益的增加,此时,理想的闸前水位是对应于增加的发电效益与增多的库区淹没损失持平这种情况。在项目建议书后期设计阶段,按照正常高蓄水位为65m,对防限水位进行了62 m、63 m、64 m、65 m四个方案的比较。当防限水位由62 m增至63 m时,尽管库区淹没补偿费也在增长,但发电效益的增长超过了库区淹没补偿费的增长,总增量效益为873万元;当防限水位提高至64 m和65 m时,淹没补偿费以及枢纽投资的增长超过了发电效益的增长,使得净效益增量分别为-88万元和-330万元,即提高防限水位至64 m、65 m不经济。因此,防限水位以63 m最为经济合理,也就是说当发生20年一遇洪水时或者闸坝开始调洪前,只要闸坝敞泄时闸前水位不超过63 m,就可以保证选择的闸坝型式经济合理。合理防限水位63 m比20年一遇洪水时的天然水位62·54 m高出0·46 m。在项目建议书前期阶段,初选低实用堰,堰顶高程初选为59 m。经计算,当发生20年一遇洪水时闸坝敞泄的闸前水位为66·04 m,比理想的闸前水位63 m高出3·04 m。该方案的淹没补偿费约为2·5亿元,显然偏高。在项目建议书后期阶段,比选了平底宽顶堰,堰顶高程初选为53 m。经计算,当发生20年一遇洪水时闸坝敞泄的闸前水位为62·95 m,比理想的闸前水位63 m低0·05 m。该方案的淹没补偿费约为1·37亿元,比项目建议书前期阶段低实用堰方案节省1·13亿元。
4·2　水力条件为了优选坝型,对平底宽顶堰(堰顶高程为53 m)和低实用堰(堰顶高程分别为53·5 m、54 m、55 m、56 m、59 m)进行了水力计算。(1)平底宽顶堰和低实用堰都具备足够的泄洪能力。由于当韶关发生20~50年一遇洪水时,水库开始控泄,实际调洪后的设计洪水位、校核洪水位均比敞泄时相应的闸前水位要大,且彼此非常接近,因此,坝顶高程基本相同,设计、校核情况的闸前水位均不成为选择闸坝的控制条件。(2)在韶关发生20年一遇洪水时,只有平底宽顶堰在敞泄情况下的闸前水位(62·95 m)接近于理想的闸前水位63m;而WES低实用堰在敞泄情况下的闸前水位最小为63·46m,均超过理想的闸前水位63 m。(3)尽管平底宽顶堰比低实用堰的流量系数小,但是由于前者的淹没系数和闸墩侧收缩系数均比后者大,因而宣泄相同的流量时,平底宽顶堰的闸前水位仍然比低实用堰低。(4)通过对实用堰进行不同堰高的水力计算比较可知,虽然随着堰顶高程的降低,堰上总水头相应增加,而 淹没系数和闸墩侧收缩系数也同时在减少,流量系数基本不变。因而,无论堰顶高程降到多低,都不能使在韶关发生20年一遇洪水时敞泄情况下的闸前水位低于理想的闸前水位63 m。从水力条件方面分析,只有平底宽顶堰具备当发生20年一遇洪水时或者闸坝开始调洪前使闸坝敞泄时闸前水位不超过理想的闸前水位63 m的能力。
4·3　枢纽布置坝址所在位置的主河床宽约200 m,闸坝左侧厂房段宽44·5 m、右侧船闸段宽30 m。闸坝(共9孔)每孔净宽14 m、中墩宽2·5 m、边墩宽2·0 m,闸孔总净宽126 m,闸坝段总宽150 m。按此要求布置已不得不让约一半左右的厂房坝段落在左岸一级阶地上,据此可知,为了不至于产生较大的开挖量和保证厂房进、出水口有较好的水力条件,在平面布置上再没有条件来增加闸孔总净宽或闸坝段总宽。因而,无论是平底宽顶堰还是低实用堰就本工程地形条件来说初选126 m的闸孔总净宽已是极限。平底宽顶堰堰顶高程比实用堰低,其堰上挡水深度大,如果按照完全由闸门挡水的方式,那么,闸门高度和启闭力都非常大,这是平底宽顶堰较之实用堰的不足之处。本工程的上游设计洪水位和校核洪水位均是69·78 m,对于平底宽顶堰,挡水高度约需17 m,为了降低闸门的高度,在闸孔的上部设胸墙,胸墙底部高程初选为64·5 m,同时可使胸墙下的孔口高度与堰顶以上的闸前水头比值大于0·65,即始终保持闸坝过流流态为堰流,通过这种设置胸墙的措施,可以降低闸门高度约5 m,一定程度上解决了上述闸门高度和启闭力都非常大的问题。平底宽顶堰堰顶较宽,有条件把工作闸门位置向下游侧布置,以增加堰顶上游段的水体重,有利于闸坝的稳定和基底应力的均匀。平底宽顶堰由于堰顶高程与河床底部高程基本相等,有利于排沙防淤。在施工期,当来水量较小时,可利用已建好的闸孔来满足临时通航和过木的要求。从枢纽布置方面比较,湾头水利枢纽工程的闸坝堰型以采用平底宽顶堰为宜。


4·4　投资低实用堰与宽顶堰相比,土建变化比较大的部位是闸坝。宽顶堰由于堰墙厚度的加大和消力池的底面抬高,同低实用堰相比,全风化土方开挖和强风化石方开挖都增加,但弱风化石方开挖减少,从开挖方面来比较,宽顶堰比低实用堰约增加直接投资20万元。由于宽顶堰的堰顶高程降低,堰体混凝土大幅减少,从混凝土工程量上比较,宽顶堰比低实用堰约减少直接投资90万元。同低实用堰相比,宽顶堰由于堰顶高程的降低和堰墙厚度的加大,钢筋用量随之增加,直接投资增加约140万元。上述三方面合计,宽顶堰比低实用堰增加直接投资约70万元。低实用堰的闸坝金属结构及安装工程直接费为1 121·91万元,宽顶堰的闸坝金属结构及安装工程直接费为2 178·70万元,宽顶堰的闸坝金属结构及安装工程直接费比低实用堰增加约1 056·79万元。项目建议书后期阶段平底宽顶堰的淹没补偿费比项目建议书前期阶段低实用堰方案节省1·13亿元。综合考虑库区淹没补偿和枢纽主体工程的投资,平底宽顶堰是经济的。


4·5　闸堰选型平底宽顶堰堰型可使库区淹没损失小,具备足够的泄流能力,对枢纽布置是适宜的,其投资也是极为经济的,因而,湾头水利枢纽工程的闸坝在项目建议书后期阶段选择平底宽顶堰堰型。

5　结语
一般来说,低实用堰堰型的闸坝建筑物投资比宽顶堰堰型小,但其库区淹没补偿费却比宽顶堰堰型大。在进行堰型比选时,基本原则是:若因堰型而减少了闸坝建筑物的投资,又不至于带来库区淹没补偿费的大幅增加,可考虑选择低实用堰堰型;反之,若因堰型而增加闸坝建筑物的投资,又能带来库区淹没补偿费的大幅减少,可考虑选择宽顶堰堰型。湾头水利枢纽工程是山区低水头大流量的防洪工程,库区淹没补偿费成为堰型选择的控制性因素,其特点适于选择宽顶堰堰型。