基于小型河床式水電站的設計特點

甄 燕，李金霖

(1. 西北水電勘察設計研究院，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

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較低的位置，同時河道中下游河道縱坡平緩的河段，避免大量淹沒，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，而分置于河道兩側，泄洪閘設置在河床的中間部分。

1.2 水電站廠房

無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，為了適應大流量的水流，河床式廠房也成為了低水頭水電站廠房的類型選擇，而且水電站機組一般采用燈泡式。這種形式可以大大節省土建的工程量，而且水電站的廠房結構也比其他類型的廠房簡單，機組安裝時間也很短。此外，河床式水電站可以使用很小的機組和發電水頭。在河床式水電站中所應用的最小水頭一般為8 ～10 m以下。

1.3 需要大量金屬結構制作和安裝工作

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洪水沖毀堤壩的現象發生。同時，河床式水電站的金屬結構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、廠房出入口的工作門、檢修門等6個主要組成成分，因此，河床式水電站需要有大量的金屬結構制作及安裝工作量。

1.4 對通航的要求

通航需求對水電站的建設工期有著重要影響。通常情況下，水電站的建設不能阻礙河流的正常通航，所以，在修建河床式水電站時，如果要建設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的工期，并且修建時一般選擇通航需求較少的季節來進行施工。

1.5 廠房建設是水電站建設的重要環節

在河床式水電站中，廠房是重要組成部分，關系著整個水電站的正常運行和管理。同樣，在小型河床式水電站建設項目中，與水電站的其他建設環節相比，廠房是水電站工程建設的重要內容，同時，河床式水電站建設的所有環節中，廠房工程是重點建設內容，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，施工時間在整個工程項目建設工期占有最大比例，這就決定了廠房工程是整個河床式水電站工程施工進度中的關鍵環節。

2 小型河床式水電站的設計特點

2.1 廠房的設計特點

小型河床式水電站的順水流方向主要有3個部分組成，即進水口段、主廠房段以及尾水段。其中，進水口段流向的尺寸主要受到布置進水口閘、攔污柵和連接進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 項為基準。

在河床式水電站中，水庫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，會導致進水口攔污和清污出現問題。例如，我國黃河上建設的一些河床式廠房，在洪水期就會有大量草泥順著水流下漂，會引起發電機組停機的狀況。所以，不僅要設置主攔污柵，還要根據污物的特性來增加副攔污柵的布置，提高攔污能力。同時，小型河床式廠房只設可以在動水中下降的事故工作閘門，但是也要采取如下措施對機組進行控制:運用雙調節系統并設置事故配壓閥等。基于以上情況，事故工作閥門可使用門機吊落，可以有效減少廠房的閘門和啟閉機的使用數量。

同時，廠房機組段的寬度，就是水流進水口段的垂直寬度。如果進口寬度較大，那么就要設置幾道中間隔墩，進而縮小閘門與廠房結構之間的距離。而且，隔墩在蝸殼前室的長度對水輪機中水流的狀態具有重要影響，因此，需要對水力進行測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，這使得水輪機尾水管的長度就較長，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上，并要與尾水管的長度相適應。和進水口段相同，尾水段的寬度與機組段的寬度也是完全一樣的，而且也需要設置隔墩。但是隔墩的長度不能深入尾水管段的內部，不然會導致尾水管內部的狀態惡化，進而降低水輪機的工作效率。

對于水頭較高的小型河床式廠房，進水口的平臺要比發電機層的樓板高，機房在上游部分起到了擋水的作用。對于無論是在洪水期還是枯水期水位變動較大的河谷來說，在洪水期，下游的水位會很高，尾水平臺的高度也會遠遠高于發電機層的樓板，廠房下游部分也要設擋水墻，進而形成一個封閉的廠房結構。

此外，小型河床式廠房自身也是一個起到擋水作用的建筑物，因此，在對廠房進行地下體型設計時要妥善考慮，特別是廠房基礎為軟弱地基或者水的沖擊力較大時，要盡量減小滲透壓力對廠房所產生的壓力，保證廠房有一個穩定的整體結構，降低滲透對廠房所產生的變形影響，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，機組的主軸會產生一定程度的傾斜。而且，不均勻沉降也會導致吊車梁接縫出現裂縫錯開的現象，較大程度的錯開還會對機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為軟土地基，要對其尾水渠進行加固處理。

最后，小型河床式廠房的水庫比其他類型的廠房水庫小，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水輪機造成磨損，要在水電站樞紐布置中對建筑物進行合理的安排，使得攜帶大量泥沙的水流也能夠在水電站平穩的下泄。對廠房前的水流也要嚴加注意，盡最大程度的減少局部淤積而導致的整體堵塞現象;在廠房的上游都要設置攔沙檻，防止大量的淤泥向下游推移; 同時設置排沙孔或者底孔，使得淤泥在沒有進入進水口之前就會被沖到下游地區。

2.2 小型河床式水電站施工導流的設計特點

在進行水電站建設之前，要對水電站建設的地形地質等做考察，尤其是水電站是否通航的問題，對這個問題一般分為兩種情況來考慮，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流也具有設計特點。

2.2.1 施工期可以斷航

在這種情況下，在廠房進行設計時一般都是考慮先圍發電廠房或者周邊的泄洪閘，再利用河床進行導流。然后再建設船閘和其它剩余的泄洪閘，并利用前期所建成的河床進行導流。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，在設計時也存在著兩個方案:

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

2) 先圍廠房及閘孔，然后由剩余的河床進行導流，在廠房基本完工后，在圍船閘及其他閘孔，并由前期的閘孔負責通航。而且在設計時，這種方式要比其他方式的程序簡單，而且能夠有效的縮短工期。但是也存在著缺點，就是這種方式對閘孔類型具有限制，一般只應用于平底堰型。

因此，在選擇小型河床式水電站的疏導方案時，要對通航進行仔細的研究，將通航和導流作為影響方案選擇的重要因素。

在方案確定以后，就要對導流標準及導流時段進行設計和選擇。而這兩項與導流建筑物的建設成本、施工安全等具有緊密聯系。導流建筑物的設計要根據相關的設計規范進行，而且它由保護對象、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計時，要切實注意這一點，要根據實際情況來對水電站的洪水水位標準進行設定，進而降低導流工程的成本。

對導流時段進行選擇，也要以小型河床式水電站的設計特點來進行。就是要根據水電站基坑的工程量來對導流時段進行選擇。一般來說，廠房工程是水電站的重要建設環節。因為，無論是對于哪種水電站來說，廠房工程都是建設基礎深，工程量大，需要有大量工種、技術和時間來支持。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，要優先進行廠房的建設，保證施工的連續性。與廠房工程相比，船閘或者閘壩的工程量則相對較少，而且建設工序也較為簡單，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揮擋水作用。

此外，在對小型河床式水電站的施工導流進行設計時，除了考慮以上兩個特點以外，對于圍堰型式的選擇設計的特點也要給以考慮。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，因為縱向圍堰的抗沖擊能力較其他型式強，但是所要花費的成本卻很高。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抗沖擊的能力。所以，在對小型河床式水電站的導流進行設計時，要切實考慮不同圍堰類型所具有的特點，然后在根據河床式水電站的特點而選擇合適的圍堰類型。

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