利用引水建筑物進(jìn)行蓄水調(diào)節(jié)

曹建鋒

清遠(yuǎn)市水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司

利用引水建筑物進(jìn)行蓄水調(diào)節(jié)

曹建鋒

清遠(yuǎn)市水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站的引水建筑物僅起引水作用，不作為蓄水建筑物。如果能利用引水建筑物進(jìn)行蓄水調(diào)節(jié)，在投資額增加不多的情況下，電站收益可得到大大提高。該方法對于已建電站改造和新建中低水頭、有調(diào)節(jié)電站設(shè)計(jì)亦有一定啟發(fā)。

水電站；引水建筑物；蓄水優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 利用引水建筑物蓄水調(diào)節(jié)的可能性

英德市地處粵北山區(qū)，水力資源相對比較豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2015年1月底，英德市全境內(nèi)已建和在建的水電站共329座，總裝機(jī)容量達(dá)43.5萬KW，水電已成為英德市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。在這些電站中，高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站在數(shù)量上超過40%。

高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站的普遍特點(diǎn)是河床坡降大，山勢險(xiǎn)峻，沒有修筑高壩大庫的理想場址。此類電站一般采用低壩擋水，利用較長的明渠或無壓隧洞引水至壓力前池，水流通過壓力管進(jìn)入廠房，沖擊水輪機(jī)而發(fā)電。

一方面，高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站的擋水建筑物較低，基本上沒有庫容；另一方面，這些電站的引水建筑物往往較長，其中儲存的水量可達(dá)幾千方。如果在設(shè)計(jì)中能作出適當(dāng)優(yōu)化，利用引水建筑物蓄水調(diào)節(jié)，則在投資增加不多的情況下，整個(gè)電站的效益可得到大大提高。

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一般情況下，高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站的設(shè)計(jì)構(gòu)思如下：

(1)采用無壓進(jìn)水口進(jìn)水，設(shè)簡易閘門以控制洪水時(shí)的入渠水量，洪水由溢流壩頂渲泄。

(2)采用非自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道引水，渠道斷面沿程不變，渠頂及渠底坡降一般為1/500～1/2000，沿途隔一定距離設(shè)有側(cè)堰溢流。正常運(yùn)行時(shí)，水面線是一條沿程下降線；停機(jī)時(shí)，水面線水平，渠道出口段蓄水較滿，進(jìn)口段卻很淺甚至無蓄水。

(3)采用無壓隧洞引水，隧洞斷面一般為圓拱直墻型，其尺寸沿程不變，洞底坡降常取1/500～1/2000，在支洞處設(shè)側(cè)堰泄水。隧洞的運(yùn)行情況與明渠一樣，亦無蓄水功能。

(4)采用壓力前池調(diào)壓，其旁設(shè)泄水建筑物。壓力前池的頂高等于溢流堰頂水位加安全超高，池深按最低負(fù)涌波水位時(shí)有一定淹沒深度確定。一般來說，這樣設(shè)計(jì)的壓力前池邊墻不高，在4～6m之間。

2.2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)

顯然，按以上構(gòu)思設(shè)計(jì)的電站，機(jī)組將長期處于欠發(fā)和停發(fā)狀態(tài)，機(jī)組工況差、效率低、損耗大，且無法多發(fā)峰電。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為了能使電站發(fā)揮更大的效益，我們對高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站的設(shè)計(jì)作出適當(dāng)優(yōu)化。

(1)仍采用無壓進(jìn)水口進(jìn)水，簡易閘門控制入渠水量，洪水由溢流壩頂渲泄。

(2)仍采用非自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道引水，但作少許改動(dòng)。渠頂改為水平，渠底坡降不變，渠道斷面向下游逐漸加大，沿途側(cè)堰頂高程相等。正常運(yùn)行時(shí)，水面線仍是一條沿程下降線；停機(jī)時(shí)，水面線水平，但整條渠道從進(jìn)口段到出口段均可蓄滿水，至溢流堰頂方下泄。

(3)改無壓隧洞為微壓隧洞，隧洞斷面和底坡不變，支洞仍設(shè)側(cè)堰泄水。高水頭電站均位于山區(qū)，巖層普遍由石灰?guī)r和砂巖組成，塌方地段較少，所以，洞室承受1～2m水壓完全沒問題。這樣，整條隧洞均可用來蓄水，至滿水時(shí)方開機(jī)發(fā)電。

(4)壓力前池頂高與明渠水平，泄水建筑物與明渠側(cè)堰高程一致，池深按水位降至明渠或隧洞出口底時(shí)有一定淹沒深度確定。這樣，壓力前池邊墻高度將增加2～3m。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)

可以看出，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，明渠、隧洞和壓力前池的投資均有所增加，但增幅不大。與此同時(shí)，由于利用明渠和隧洞的蓄水作為調(diào)節(jié)庫容使用，改無調(diào)節(jié)為日調(diào)節(jié)，電站收益有了大大提高。

4 利用引水建筑物蓄水調(diào)節(jié)實(shí)例一

英德市石牯塘鎮(zhèn)大龍電站，裝機(jī)容量2×250KW，設(shè)計(jì)水頭372m。電站集雨面積3.01km2，主要利用東西兩條山水匯流而發(fā)電。其中，東邊水壩址處集雨面積為1.9km2，利用600m長圓拱直墻型隧洞(隧洞斷面尺寸為2m×2m，底坡1/1500)引水至壓力前池；西邊水壩址處集雨面積為1.11km2，利用1300m長矩形明渠(明渠進(jìn)口斷面尺寸為0.8m×0.8m，出口尺寸0.8m×1.7m，底坡1/1500)引水至壓力前池。在技施階段，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，明渠可蓄水1092m3，隧洞蓄水2400m3，總蓄水量達(dá)3492m3，足夠供電站在額定出力時(shí)連續(xù)工作5.4小時(shí)(大龍電站的額定流量為0.18m3/s)。

現(xiàn)把大龍電站優(yōu)化設(shè)計(jì)后所增加的投資與收益對比如下：

(1)增加投資。明渠進(jìn)口高度不變，出口加高0.9m，增加投資3.6萬元；隧洞由無壓變有壓，部分地質(zhì)不良處需作處理，相應(yīng)增加投資2.3萬元；壓力前池頂部加高1.8m，底部加深0.6m，增加投資1.9萬元。總投資增加7.8萬元。

(2)增加收益。優(yōu)化后，枯水期基流可以全部利用，基本無棄水，相應(yīng)年平均電量(保守估計(jì))增加8.4萬度。扣除一切費(fèi)用，枯水期峰電價(jià)格按0.5元/度計(jì)，則年純收益增加4.2萬元。

(3)回收年限。增加投資的回收年限為兩年，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)十分優(yōu)越。

5 利用引水建筑物蓄水調(diào)節(jié)實(shí)例二

在設(shè)計(jì)高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站時(shí)，除了可以利用新建引水建筑物蓄水，在有條件的情況下，適當(dāng)利用已建或廢棄的明渠和隧洞，亦能收到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

英德市石牯塘鎮(zhèn)寶山電站，裝機(jī)容量2×320KW，設(shè)計(jì)水頭305m，電站集雨面積3.7km2。寶山電站地處八寶山礦區(qū)，山中多廢棄礦洞，每條礦洞高程不等，且互為相通。其中，最低為高程430m的一條長隧洞，洞口有大量水流出。經(jīng)實(shí)地查勘，該洞總長約2km，斷面尺寸為1.2m×1.6m～2m×2m不等，因棄用時(shí)間長，部分洞段有所塌方。技施設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到利用430礦洞蓄水，工程布置調(diào)整如下：用明渠引水至430隧洞，壓力前池設(shè)于洞口。實(shí)際施工中，經(jīng)采用人工清渣，拖拉機(jī)運(yùn)渣后，得到800m長隧洞，以之蓄水，可容3200m3，足夠供電站在額定出力時(shí)連續(xù)工作3.1小時(shí)(寶山電站的額定流量為0.285m3/s)。

優(yōu)化后，寶山電站投資增加5.3萬元，年純收益增加3.4萬元，同樣有很高的回報(bào)率。

6 結(jié)束語

利用引水建筑物蓄水調(diào)節(jié)的思路推廣，對于已建的高水頭、無調(diào)節(jié)小型水電站，亦可以通過加高引水建筑物頂和降低壓力前池底板高程，使之達(dá)到日調(diào)節(jié)。同時(shí)，對于中低水頭、有調(diào)節(jié)水電站，此思路亦可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

[1]張昌齡、潘家錚等，水工設(shè)計(jì)手冊(第7卷)，水利電力出版社，1989年。

[2]中華人民共和國水利部，水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范(SL/ T205—97)。