两河口水电站分层取水设计

两河口水电站分层取水设计

王鹏恩、郭志成

（雅砻江流域水电开发有限公司，成都  610051）

摘要：两河口水电站水资源丰富，进水口高程较低，水位消落深度大，为最大限度地提高水力发电效率、满足电站取水需求、保护下游生态环境，采用进水口设置叠梁门的取水方式。

基于两河口水库水温季节性分层状态，设置了4种针对不同月份的取水方案，通过设置叠梁门运行方式灵活调度，保证进水塔在不同工况下均能取到上层水，以降低下泄低温。

关键词：水电站；分层取水；进水口；叠梁门

0引言

水电站分层取水是指根据水库或河流的水体特性，将水体分成不同层次，并选择合适的水层进行取水的技术。水电站分层取水的原理有两种。一是温度分层，即水库或河流中的水体温度在不同深度上可能存在差异。通过选择较冷的水层进行取水，可以提高发电机组的效率。因为冷却水温度较低，可以降低涡轮发电机组的温度，减少能量损失。二是含氧量分层，水体中的含氧量也会随深度而变化。较高含氧量的水层对于水力发电的效果更好，因为氧气可以促进涡轮发电机组的运转。

基于满足电站取水需求、最大限度地提高水力发电效率、下游生态保护和农业灌溉的目的，在电站发电流道进水口设置分层取水设施已成为一种趋势[1-4]。水库电站常用改善下泄水温的工程措施中主要有修建分层取水建筑物、打破温跃层和水利生态调度等[2]。水电站进水口分层取水建筑物根据水库规模和取水目的主要有高低进水口、多层进水口、隔水幕、叠梁门等多种方案[1-2]。需要注意的是，水电站分层取水技术的具体应用会根据不同的水电站和实际情况而有所差异。在实施该技术时，需要综合考虑水库或河流的水质、温度、含氧量等因素，并进行适当的调整和优化。这样才能确保最佳的发电效果和环境保护效果。

1工程概况

两河口水电站工程位于四川省甘孜藏族自治州雅江县境内的雅砻江干流上，电站坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇合口下游约2km河段，坝址控制流域面积为6.57万km2，坝址处河流多年平均流量666m3/s。两河口水电站为雅砻江中下游梯级电站的控制性水库电站工程，水库总库容为107.67亿m3，具有多年调节能力，对其下游的雅砻江梯级电站以及金沙江、长江干流电站的梯级电站补偿作用显著，它的兴建将对雅砻江梯级全面开发建设起到实质性的推动和促进作用，并大大改善下游梯级电站的供电质量。电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪。电站采用坝式开发，水库正常蓄水位高程EL.2865.00m，消落深度为80m，调节库容65.6亿m3。电站装机容量3000MW，多年平均年发电量110.0亿kWh，设计枯水年供水期（12月~次年5月）平均出力113万kW。电站以500kV一级电压三回出线接入电力系统，其中两回至甘孜1000kV变电站，一回至牙根一级电站。

两河口水电站为一等大（1）型工程，枢纽总体布置格局采用“拦河砾石土心墙堆石坝+右岸引水发电系统+左岸泄洪、放空系统+左、右岸导流系统”。枢纽建筑物主要有砾石土心墙堆石坝、右岸电站进水塔及压力管道、发电厂房、尾水系统、升压变电系统、出线系统、厂区辅助洞室群、左岸溢洪道、放空洞、竖井旋流泄洪洞、深孔泄洪洞等。大坝最大坝高295m，为世界第三高、国内第二高土石坝；输水发电系统为库首厂房布置型式，采用大型地下洞室群结构，安装6台单机容量为500MW的混流式水轮发电机组；左岸泄水、放空建筑物总体为地下洞群结构，溢洪道为洞式+泄槽型式，最大泄量8216m3/s，最大泄水流速约54m/s。水库正常蓄水位为2865.00m，设计洪水位为2867.11m，校核洪水位为2870.36m，死水位2785.00m，各进口塔体顶部高程均为2875.00m。放空洞启放水位为2815.00m。

2进水口设计

电站进水口采用岸塔式，位于距坝轴线上游约230m处的右岸岸坡上。为减少开挖量，进水口前缘方向尽量按平行等高线的方向布置。6孔进水口呈“一”字型布置。进水塔建基面高程2760.00m，塔顶高程2785.00m，塔体前缘总宽度159.8m，顺水流方向长33.0m，塔高115.0m。进水口布置方式依次为拦污栅栅槽、叠梁门门槽、叠梁门储门槽、拦污栅储门槽，依次布置拦污栅、分层取水隔水闸门（叠梁门）、工作闸门和事故闸门，两河口水电站进水口结构设计图如图1所示。

进水塔前半部为拦污栅及叠梁门段，过栅流速按1.1m/s左右控制。拦污栅闸段设有一道拦污栅槽、一道叠梁门门槽（与备用栅槽共用），每孔进水口共设有4孔拦污栅，拦污栅孔口尺寸3.8m×66.0m（宽×高），叠梁门孔口尺寸3.8m×31.5m（宽×高）。栅墩间除胸墙外，还设置横撑连接，以加强拦污栅结构的整体性。为了增强拦污栅段的抗震能力，在拦污栅段和主塔体之间采用隔墙和纵撑连接。拦污栅闸后为主塔体，采用喇叭型进口，内设检修闸门槽、快速闸门槽和通气孔，通气孔后与压力管道渐变段相接。检修闸门孔口尺寸7.6m×9.2m（宽×高）；快速闸门孔口尺寸6.0m×7.5m（宽×高）；通气孔断面尺寸6.6m×2.0m（长×宽）。

图a进水口平面布置图图b叠梁门布置图

图1分层进水口结构设计图

（1）拦污栅及启闭机

拦污栅布置在进水口前缘。设置多跨连通式两道直立栅槽，前一道为工作栅槽，后一道为备用栅槽。每台机组进口前缘由栅墩分成4个过水栅孔，每孔宽3.8m，高56m。拦污栅强度按4m水头差设计。每扇栅叶由4个起吊单元组成，每个起吊单元高度14m，采用滑道支承。

拦污栅在前后水位差Δh≤1.0m时采用进水口双向门机上游外伸悬臂附设的2×320kN副钩通过液压自动抓梁分节起吊。备用拦污栅栅叶平时存放在储栅槽内。

（2）叠梁挡水闸门及启闭机

为实现分层取水，利用平时空闲的备用拦污栅槽设置叠梁挡水闸门。门叶尺寸为3.8m，28m（宽，高），分为四层叠梁，每层均为7m。滑动支承，考虑机组甩负荷产生的水锤影响，按15m水压差设计。门叶起吊单元最大高度为7m，每个起吊单元分为2段，每段门高3.5m。叠梁挡水闸门在前后水位差Δh≤1.5m时可采用进水口双向门机上游外伸悬臂附设的2×320kN副钩通过液压自动抓梁分节起吊，起吊后将闸门存放在挡水叠梁门储门槽内。下备用栅时，需将叠梁挡水闸提起并存放在挡水叠梁门储门槽内。
    （3）进水口检修闸门及启闭机
    在叠梁挡水闸门后面设置检修闸门，孔口尺寸为6.24×7.62-100m，按正常蓄水位2865.00m进行设计，总水压力47087kN。门叶共分为3段，现场焊接为一体。6孔共用1扇闸门，门型为平面滑动闸门，下游止水，滑道支承，静水启闭，启门时由门顶充水阀充水平压后启门。底水封为条形橡皮水封，侧水封为PA型橡塑水封，侧水封座板为不锈钢。用2500kN双向门机主钩通过自动抓梁操作。
    进水口双向门机，其容量为2500kN，轨距15.5m，在上游外伸悬臂附设2×320kN副钩，主钩轨上扬高18m，总扬程125m，现地操作。由于分层取水时段与进水口金属结构设备检修时段可能重合，且叠梁闸门的起吊时间较长，为保证叠梁门的操作和检修设备的要求，设两台门机。检修闸门门叶及其抓梁平时存放在检修闸门储门槽内。
    （4）进水口快速闸门及启闭机
    每台机组进口在检修闸门后面设置一扇快速闸门，其孔口尺寸为6×7.5-100m，该门按正常蓄水位2865.00m进行设计，校核洪水位2870.36m校核，总水压力44744kN。门型为平面滑动闸门，下游止水，底水封为条形橡皮水封，侧水封为PA型橡塑水封，侧水封座板为不锈钢。利用水柱压力动水闭门，静水启门，门顶设充水阀，由压力传感器式测压装置检测上、下游的水位差，在水位差Δh≤5m情况下允许启门，闸门下游侧设有通气孔。

快速闸门的启闭设备选用液压启闭机，其容量为10000kN/3600kN，行程9m，液压启闭机活塞杆吊头通过拉杆与闸门吊耳相连，闸门平时用液压启闭机悬挂在孔口以上约1m处，当机组发生事故时，可在中控室或启闭机房内操作关闭闸门，闭门时间≤2min（不含充水阀关闭时间），闸门接近底坎时的闭门速度≤5m/min。6台液压启闭机设6套泵站，每套泵站的电机—油泵按操作1扇闸门的工况考虑，每套闸门分别设置一个控制柜。为方便坝面交通及门机的运行，泵站房设在2871.00m高程，房顶为混凝土盖板。双向门机可对液压设备及快速闸门进行检修时的起吊（利用换向吊头）。

3分层取水方案

图1两河口水电站进水口全年取水温度

两河口水电站库区水温呈季节性分层状态，进水口全年取水温度如图1所示，电站运行对下游水温过程有一定程度的春季低温水影响，若采用单层取水方式，进水口底板高程2765.00m，水深20m以下，下泄水温年平均温度为10.1℃，低于规范建议值(15℃～35℃)[4]，不利于下游鱼类的繁殖生长。为减轻这一影响，地下电站分层取水进水口采用叠梁门方案，利用叠梁门门槽及叠梁门储门槽放置叠梁门以调整取水高度。

根据环保要求，在4月~10月，为保证岸塔式取水设计在不同工况下均能取到上层水，以减轻下泄低温水对环境的负面影响，电站进水口采取分层取水方案。分层取水方案通过叠梁门取水实现，叠梁门布置范围为2765.00到2793.00高程，总高28m，分为四节，自上而下分别编号第一节~第四节，单节高度7m。每年4~10月叠梁门，叠梁门调度运行方式如下：
    （1）4月~6月，库区运行水位下降，则3月底所有叠梁门放下，随着水位下降，灵活启闭7m闸门。叠梁门具体运行工况见表1，与之相应的具体操作过程如下：
    ①水库水位在2813.00m以上时，叠梁门整体挡水，此时叠梁门顶高程2793.00m，为第一层取水；

②水库水位在2806.00m与2813.00m之间时，吊起第一节7m高叠梁门，用第二、第三、第四节叠梁门挡水，此时叠梁门顶高程2786.00m，此为第二层取水；

③水库水位在2799.00m与2806.00m之间时，继续吊起第二节7m高叠梁门，用第三、第四节叠梁门挡水，此时叠梁门顶高程2779.00m，此为第三层取水；

④水库水位在2792.00m与2799.00m之间时，继续吊起第三节7m高叠梁门，用第四节叠梁门挡水，此时叠梁门顶高程2772.00m，此为第四层取水。

⑤水库水位低于2792.00m时，第四节叠梁门吊起，不需要叠梁门挡水。

（2）7月，放入第三、第四节叠梁门挡水；

（3）8月~10月，库区水位上升，放入全部四节叠梁门挡水。

（4）其余月份叠梁门全部吊起不挡水。

表1叠梁门运行工况表

4结语

两河口水电站库区水资源丰富，水位消落深度大，若采用常规单层取水方式， 取水平均水温过低，不能满足水库下游下游水生态要求。根据两河口水电站库区水文气象条件及水库特点，采用设施叠梁门分层取水的方法，并基于水库水温季节性分层状态，设置了4种针对不同月份的取水方案，通过设置叠梁门运行方式灵活调度，保证岸塔式取水设计在不同工况下均能取到上层水，以减轻下泄低温水对环境的负面影响。

4参考文献

[1]邵凌峰,张悦,申显柱等.大中型水电站分层取水方案分析[J].小水电,2019,No.209(05):14-16..

[2]张文远,杨帆,章晋雄等.大石峡水电站进水口叠梁门分层取水试验研究[J].中国水利水电科学研究院学报(中英文),2022,20(06):516-522.DOI:10.13244

[3]黄国兵,吴双.乌东德水电站主要水力学问题研究[J].长江科学院院报,2021,38(06):1-8+17.

[4]杨正兵.观音岩水库水温预测及分层取水设计[J].红水河,2019,38(04):32-35.

作者简介

王鹏恩（1994- ），男（汉），云南宣威，本科，助理工程师，从事水电站调度运行管理工作，主要研究方向为输发变电可靠性与电力系统稳定性。