吉利水電站生態流量方案研究與設計

沈圣云，馮 銳

(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)

1 工程概況

吉利水電站位于康樂縣蓮麓鄉與渭源縣峽城鄉交界洮河上，于2012年并網發電；電站主要包括引水系統、泄洪系統、廠房等部分。樞紐泄洪建筑物自左岸向右岸依次設34.7m的泄沖閘、72m溢流壩和約20m擋水重力壩；樞紐泄沖閘中孔口尺寸最小的工作閘門寬度為5m。

2 生態流量確定

北方河流滿足生態用水要求的最小流量為多年平均流量的10%，枯水期生態用水不應低于該時段流量均值的20%的要求；根據吉利水電站水文資料的分析成果，吉利水電站的多年平均徑流為122m3/s，按10%計算生態用水量為12.2m3/s；枯水時段流量均值為46.6m3/s，按20%計算生態用水量為9.32m3/s；上述兩個流量均滿足了規范最小生態用水量的要求。

2018年12月25日，甘肅省水利廳下發《甘肅省水利廳關于嚴格落實水電站最小下泄流量的通知》；根據文件要求，最終確定了吉利水電站枯水期為11月～次年3月，相應的最小生態用水量為10.87m3/s，豐水期為4月～10月，相應的最小生態用水量為17.01m3/s。

3 生態流量下泄方案研究

3.1 技術條件分析

洮河吉利水電站樞紐泄水建筑物由泄沖閘和溢流壩組成，樞紐正常運行蓄水位2020.50m，溢流堰頂高程2020.60m。泄沖閘設3扇工作閘門和1道檢修門槽，閘門設計水頭較低，理論上具備小開度開啟下泄生態流量的條件，也可通過閘門改造實現泄放生態流量。溢流壩段順水流方向分別為鋪蓋、堰體、消力池、海漫。溢流堰采用WES曲線堰，堰寬72m，堰高7.1m，可在堰體開槽泄放生態基流，也可在溢流堰頂增設虹吸鋼管作為下泄生態流量的通道。

3.2 方案研究

(1)方案一：工作閘門墊塊+拉桿方案

在泄沖閘小孔工作弧形閘門底檻上焊接鋼墊塊，使閘門永久性處于小開度狀態，以滿足枯水期生態流量下泄；在閘門頂部設拉桿和鎖錠，豐水期通過啟閉機提升閘門后，將閘門頂部拉桿鎖定在閘墩上增加閘門開度，以滿足生態流量下泄的要求。當電站檢修時，通過液壓啟閉機操作系統增大調整閘門開度，使下泄流量滿足生態下泄流量要求。

該方案的優點是施工簡單方便、投資少、工期短，底檻上墊塊使閘門永久性處于小開度狀態，生態流量下泄不受人為控制，泄流流態相對穩定，對泄水建筑物影響較小；缺點是泄沖閘工作閘門長時間處于小開度，若墊塊高度設定不合理則會使閘門產生振動，高速水流沖刷對溢流堰混凝土表面也有一定影響。

(2)方案二：閘門開孔+虹吸管方案

在泄沖閘工作弧形閘門梁格中開孔并設置引流鋼管下泄生態流量，以滿足枯水期生態流量下泄。在溢流堰上設虹吸管，豐水期通過真空泵引流形成虹吸，以滿足生態流量下泄要求。

該方案的優點是閘門上開孔設引流管施工簡單方便，在溢流堰上敷設虹吸管，對已有樞紐建筑物影響小，不會影響建筑物的結構穩定和使用功能，生態基流泄水安全、可靠。該方案的缺點是破壞閘門結構，影響閘門使用壽命；溢流堰上敷設虹吸管工程投資大、工期長、施工難度較大，虹吸管道易因水位下降使虹吸水流摻氣產生振動，閘門與鋼管分別進行流量監測，監測難度較大。

(3)方案三：溢流堰開槽方案

在溢流堰頂設兩孔生態流量下泄通道，尺寸為2.0m×2.0m，其中一孔不設控制閘門，以滿足枯水期生態流量下泄要求，另一孔設1扇閘門，在豐水期時打開閘門下泄生態流量。

該方案的優點是在溢流堰頂開槽泄流，利用現有下游消力池消能，不需另行設置消能設施，生態基流泄水安全、可靠。該方案的缺點是溢流堰頂開槽，一定程度破壞和影響原溢流堰壩體抗滑穩定及結構安全，施工時須降低電站的運行水位，施工難度較大、混凝土凝期長，投資相對較高；

(4)方案四：生態流量洞

在大壩上游左岸新設一條生態流量隧洞，隧洞斷面尺寸為1.5m×2.0m，在隧洞進口設控制閘室，通過閘門調節豐水期與枯水期的流量。

該方案的優點是新建獨立生態泄流洞，對大壩穩定、泄洪安全均無影響，缺點是勘察設計工作量大，施工難度較大、混凝土凝期長，投資相對較高；生態流量靠閘門控制，存在人為因素影響流量下泄的情況，在生態用水量較大的水電站工程中可應用。

上述方案經施工條件、工期長短、投資額等多因素比較，方案一施工難度最小、工期最短、投資額最省，閘門振動和高速水流對溢流堰混凝土表面沖刷的影響均在可控范圍之內，對電站原泄水建筑物結構影響最小，優先選擇方案一作為吉利水電站生態流量下泄的方案。

4 方案設計

4.1 下泄流量計算

生態流量下泄按如下公式計算：

式中，μ0—閘孔自由出流的流量系數；e—閘門開啟高度；b—閘孔凈寬；n—閘孔孔數；H0—包括行近流速水頭的作用水頭；H—閘前水深。

經計算，弧形工作閘門開度為28.5cm時，可通過閘門的水量為11.01m3/s，滿足枯水期生態流量要求；弧形閘門開度為45cm時，可通過閘門的水量為17.22m3/s，滿足豐水期最小的生態流量要求；流量與閘門開度特征數據見表1。

4.2 工程設計

本次選取5m寬(小孔)泄沖閘弧形閘門作為生態流量下泄通道進行改造，在底檻上焊接墊塊作為永久措施，在閘門頂部焊接拉桿作為豐水期泄流的措施。

(1)閘門底檻墊塊

為減少墊塊阻水面積，墊塊設計為焊接工字鋼斷面，順水流方向用角焊縫焊接于底檻上，安裝時保證墊塊高度和角度相同，共設五個墊塊，安裝后墊塊頂面距底檻表面28.5cm，兩端墊塊中心距離側墻40cm，墊塊之間中心間距分別為110cm和100cm。

表1 洮河吉利水電站5m泄沖閘不同閘門開度特征數據表

(2)門頂拉桿和鎖定

為滿足豐水期下泄流量，閘門開度應增加至45cm，枯水期閘門應下降至28.5cm，為滿足不同開度的要求，閘門頂部設置可鎖定的拉桿，拉桿采用鋼板組焊結構。在閘墩檢修平臺上將拉桿鎖定以保持弧門開度，拉桿與閘門邊梁連接件須采用軸銷式的可拆裝結構，檢修維護時將閘門提升至孔口時拆除拉桿。

5 監測設施

為確保生態流量的足量下泄，在閘門后設置高性能、高可靠度的超聲波閘門流量計；在消力池出口設有標準矩形槽斷面，矩形槽配超聲波流量計和水位尺，并設置全景高清攝像頭視頻監控設備；對生態流量實施“全覆蓋、全天候、全方位”實時監控。

為加強對生態基流流量的監測、監管，將監測數據和視頻信號實時上傳至政府在線監測平臺，由政府牽頭實施行政監管。

6 結論

在正常水位運行下，枯水期利用墊塊抬高閘門泄水，豐水期通過拉桿鎖定閘門泄水，能夠滿足下游河道的生態流量需求，理論計算下泄流量與實際監測流量基本吻合，該方法投資低、工期短的優勢明顯，可供類似電站增設生態流量設施時參考。