淺析虹吸管在已建成水電站生態泄流中的應用

何 瀟

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

近幾年，生態文明建設被黨中央放在了所有工作的重中之重。生態基流的合理確定、生態基流下泄措施的切實落實成為中小型水電站整治工作的重心。生態基流是指流域內用于維持生態平衡正常狀態所必需水資源流量，涵蓋下游所有生物生存所需的水量以及自然環境維持平衡所需的水量[1]。

受建設期經濟社會發展水平及有關行業標準等多方面因素影響，我國較大部分中小型水電站在工程建設期均未設置生態基流下泄設施。現多通過改造現有閘門、增設生態機組等方式實現生態基流下泄。本文將以大通河某水電站為工程實例，從工程設計角度研究探討虹吸管在該水電站生態泄流中的應用。

1 工程概況

某水電站坐落于大通河上，為低壩引水徑流式電站，工程主要以發電為目的，總裝機為70 MW，工程等別為Ⅲ等。主要由擋水建筑物（重力式擋水壩）、泄水建筑物（泄洪表孔溢流壩、溢流堰）及引水發電建筑物等組成。樞紐設計蓄水位為2166.90 m，設計引用流量120 m3/s，可利用發電最大水頭為82.20 m，可利用發電最小水頭68.80 m，多年平均發電量25620 萬kW·h。該水電站于2002 年開工建設，2005 年投產發電。

2 技術條件分析

該水電站工程由引水建筑物、擋（泄）水建筑物、發電廠房和尾水渠等組成。樞紐自右岸向左岸依次布置有底孔式泄沖閘、表孔式泄洪溢流壩、溢流堰和重力式擋水壩，樞紐平面布置見圖1。根據水電站運行情況，水庫正常運行蓄水位2166.90 m，最低運行水位2164.60 m。水電站左岸砼擋水壩段和溢流堰段具備虹吸管道布置條件。

圖1 樞紐平面布置圖

1）左岸砼擋水壩段：重力壩段位于樞紐左壩肩，長度20.5 m，基礎位于基巖上，建基高程2143 m。最大壩高26.2 m，相應壩底寬23.54 m，上游直立，下游坡比1∶0.8，采用C15 砼澆筑。由于工程運行多年，在此壩段布設虹吸管受壩前淤積嚴重、壩后無消力設施影響，實施費用較高、運行較為困難。

2）溢流堰段：溢流堰壩段長度為15 m，為重力壩型式。堰頂曲面采用WES 曲線，壩體底寬最大處為28.75 m。溢流堰上游垂直，下游坡度為1∶1.05，堰頂高程為2166.90 m，堰高最大處為27.3 m，堰底處反弧段的轉彎半徑為4.00 m，轉角為44°。壩體外層采用C20 鋼筋砼，內層采用C15 埋石砼填筑，埋石量（體積含量）小于等于35%。溢流堰后采用消力池進行消能，消力池的長度為54 m，寬度為46 m，深度為2 m，底板厚度為2 m。消力池為C20 鋼筋砼結構，底板上布有排水管，梅花形布置，間距為2 m，底板基礎布置砂礫石反濾層和土工布反濾層。溢流堰靠近泄沖閘段，堰前淤積較少，堰頂距工作橋底1.1 m，沿堰面布設倒虹吸泄流管，管道出口接消力池，具有布設簡單、泄流順暢、不需新設消能設施等優點，故本次設計采用在溢流堰面布設虹吸管方案。

3 工程總體布置

在溢流堰頂部緊鄰溢流壩閘墩一側人工鑿除部分鋼筋砼形成臨時施工管槽，在溢流堰堰面布設2 根DN1000 鋼管，堰頂管槽處及堰底反弧段各設1 座C25 現澆鋼筋砼鎮墩，鎮墩間虹吸鋼管段均勻布設3 套伸縮節及支墩。虹吸管尾部安裝電動蝶閥，并輔助以真空泵，利用虹吸現象將溢流堰上游水流引至下游，經過消力池消能后進入下游河道。在下游河道水流平穩處設置流量監控設施，對生態基流下泄流量進行實時監控，并與環保部門監控網絡相連，可實現環保部門對生態基流下泄額度的監督與考核。工程總體布置見圖2～圖3。

運行原理：運行時先關閉虹吸管尾部的DN1000 軟密封雙偏心電動蝶閥，開啟輔助管路上的水環真空泵和DN200 軟密封雙偏心電動蝶閥，將虹吸鋼管排氣充水，直至達到真空狀態后水流自上游虹吸至下游，然后關閉水環真空泵和DN2000 軟密封雙偏心電動蝶閥，開啟虹吸管尾部的DN1000 軟密封雙偏心電動蝶閥，水流將形成恒定自由出流。

圖2 虹吸管布置平面圖

圖3 虹吸管布置縱剖面圖

4 方案設計

4.1 設計參數

大通河位于西部內陸地區，由于蒙古地區高壓和東南方向海洋性季風影響，具有雨熱同步、年降水量低、年蒸發量大、日照時間長等特點。本工程所在區域多年平均氣溫0.41℃，年均最低氣溫-6.4℃，極端最低氣溫-34.1℃，冰凍期長，晝夜溫差大，多年平均降水量520.1 mm，多年平均蒸發量1200 mm，風力最大為16 m/s，最大凍土深度1.5 m。一般年份封凍天數在60 d 左右，庫區的冰蓋厚度約為74 cm。

上游最低運行水位：2164.60 m。

下游消力池水位：按樞紐下游河道不斷流的要求，初步擬定消力池水位為2144.18 m（比消力池底坎高0.2 m）。

生態基流流量：枯水期不得小于6.5 m3/s，豐水期不得小于13.0 m3/s（數據源自《青海省主要河流生態基流流量指標分析計算報告》的通知，青水資函[2017]385 號）。

4.2 水力計算

4.2.1 流量計算

依據《水力計算手冊》對虹吸管進行水力學計算，虹吸管單管下泄流量按恒定管流計算，公式如下[2]：

式中：Q 為下泄流量，m3/s；μc為管道系統流量系數；A 為管道斷面面積，m2；d 為管道內徑,m；l 為管道計算長度,m；H0為不計入行近流速水頭的作用水頭,m；λ 為沿程水頭損失系數；Σζ 為計算管段內局損系數之和。

為滿足生態泄流要求，計算采用最低運行水位時的最小水頭。經計算，在最低運行水位2164.60 m，且下游消力池水位為2144.18 m 時，采用2 根DN1000 的虹吸管泄流，單根下泄流量可達6.62 m3/s，流速8.24 m3/s，滿足生態基流枯水期時不得小于6.5 m3/s 的要求，豐水期時2 根同時開啟可滿足生態基流下泄流量不小于13.0 m3/s 的要求。具體計算見表1。

表1 虹吸管下泄流量水力計算表

4.2.2 最大安裝高度

以上游庫區水面為基準面，不計入行近流速水頭，對上游庫區水位斷面和虹吸管最高點斷面列伯努利方程可得：

式中：hs為最大安裝高度,m；為鋼管中的最大真空高度，工程上一般限制不超過7 m 水柱,m[3]；為虹吸管最高點處流速水頭,m；hw為水頭損失。

代入計算后可得，最大安裝高度hs=5.6 m。

方案中安裝高度為5.3 m，小于5.6 m，滿足最大安裝高度。

4.3 主要建筑物設計

（1）堰頂改造：在右孔溢流堰靠近閘墩處堰頂呈階梯形拆除混凝土，階梯最高點控制高程為2165.90 m，水平拆除寬度約為3.5 m，拆除后形成縱向呈階梯形，橫向呈矩形的臨時管槽。

（2）鎮墩設計：虹吸管安裝完畢后，分別在溢流堰頂和溢流堰底的反弧段設置C25 現澆鋼筋砼1#、2#鎮墩。1#鎮墩尺寸為5.0 m×3.5 m×2.1 m（長×寬×高）；2#鎮墩尺寸為5.0 m×3.5 m×3.5 m（長×寬×高）。鎮墩與堰面結合處將堰面混凝土鑿毛處理并埋設直徑25 mm 的錨筋（間距0.6 m×0.6 m）。

（3）支墩設計：鋼管中部設3 座現澆C25 混凝土支墩，支墩尺寸為0.8 m×3.5 m×0.5 m（長×寬×高）。支墩與堰面結合處將堰面混凝土鑿毛處理并埋設直徑25 mm 的錨筋（間距0.5 m×0.5 m）。

5 結語

中小型水電站增設虹吸管進行生態泄流與其他方案相比具有以下優點：

（1）在不同水電站的方案設計中，通過調整虹吸管數量及管徑，可滿足較大流量范圍的生態泄流流量要求；在同一水電站的方案設計中，通過調整虹吸管運行方式（單/多管或其他組合），可適應枯水期- 豐水期生態流量調節需求。

（2）在已有建筑物上增設虹吸管，施工簡便，造價較低，且對大壩等主要建筑物造成的破壞及影響較小，有利于工程施工及運行安全。

（3）虹吸管安裝可在不降低上游水位的條件下施工完成，工期靈活，且不影響水電站的發電水頭，有利于水電站經濟效益的正常發揮。

該水電站虹吸管生態泄流設施現已施工完畢，于2019 年11 月份開始投入運行，運行效果較好，有效改善了下游河段的減水、斷流現象。大通河上游段地處祁連山國家級自然保護區，但中小型水電站數量多，整治難。本設計方案施工簡便，安全性高，經濟效益好，具有一定的推廣意義。