低水头水利枢纽设计心得

２００８年第６期·ＰＥＡＲＬＲＩＶＥＲ人民珠江低水头水利枢纽设计心得

曾新民

（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州５１０６１０）

摘要：通过对２０多年、２０多座低水头水利枢纽设计、建设的回顾，从正常蓄水位、坝址、枢纽布置、泄洪规模选择、

施工导流与工期、无固堰筑坝技术、泄水闸消能防冲、库区防护、水库运行调度等方面作扼要总结，供同行参考。

关键词：水利枢纽；低水头；河床式；施工导流；库区防护

中图分类号：ＴＶ７５２文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－９２３５【２００８）０６－００２７－０４

随着国家改革开放和国民经济迅速发展，对电力的需求越来越大，特别是处于改革开放前沿的广东，对电力的需求更加迫切。广东能源匮乏，煤炭和油气资源甚少，加之地处珠江下游，水力资源贫乏，仅占全国水力资源的１％，可开发的水电多为低水头中小型电站。因此，广东只能适应这些自然条件，大力建设低水头水利枢纽，以缓解对能源的需求。中水珠江规划勘测设计有限公司（以下简称珠江设计公司）积极参预这项建设工程，并成为国内低水头水利枢纽设计最多的单位之一，北江４座、西江ｌ座（与广西电力院共同承担前期工作）、梅江５座、东江６座、柳江２座（其中古顶水电站为其承担设计监理）、嘉陵江２座（其中草街航电枢纽为其承担设计监理）及赣江１座均为该公司设计。

１低水头水利枢纽的特点

大、中型低水头水利枢纽多地处河流的中、下游，这里流量大，水力资源丰富。河流的中、下游多是平原丘陵，河谷开阔，比降平缓，土地肥沃，人口密集，交通繁忙。低水头水利枢纽具有以下特点：①水头低，坝高低；②库区淹没、浸没问题突出；③河流流量大，泄洪规模大，闸下水深大，导流难度大；

④水轮机直径大、厂房规模大；⑤多有通航要求，需要布置建设通航建筑物以及施工期间不能断航等。因此，低水头水利枢纽技术经济指标较差，要求设计者充分认识、利用上述特点，做到优化设计，尽量减少淹没、浸没，早发电、多发电，改善枢纽的技术经济指标，降低工程造价。

２设计心得

珠江设计公司自上世纪８０年代至今，设计的已建和在建的低水头水利枢纽达２０余座，笔者参与设计的有１０余座，其中主持设计的有７座，为此就低水头水利枢纽设计中遇到的几个问题，谈谈有关方面的体会和心得，希望能对低水头水利枢纽的设计有一定的参考作用。

２．１正常蓄水位的选择

电站发电量取决于水头和流量，水头主要取决正常蓄水位。对低水头电站而言，水头尤为宝贵，那怕提高几十厘米，增加的电量都相当可观；低水头电站挡水建筑物的顶高程取决于水库洪水位，往往高于正常蓄水位，正常蓄水位的提高不会引起挡水建筑物工程量的增加；再者，水头的提高，机组转轮直径反而有所减少，厂房的规模也会有所减少。但是正常蓄水位的提高会引起库区淹没、浸没的增加，因此，需研究减少库区淹没、浸没的措施，例如：水库运行的方式、库区的防护等等。正常蓄水位决定电站的发电量和库区淹没赔偿，涉及的方面很多，须慎重对待，把工作做深作细，综合比较，选出最优的正常蓄水位。对有条件进行库区防护的枢纽，梯级合并可以大大改善枢纽的技术经济指标。广东北江的白石窑、沙口两级最终合并为白石窑一级开发则属此例。

２．２泄洪规模的选择

上世纪８０年代初在长洲水利枢纽可研时，泄洪规模按宣泄１０年一遇洪水时坝前水位壅高不超过３０ｃｍ确定。这一做法被沿用了很长时间。经分析发现，低水头电站回水线的特点：在一定的蓄水位条件下，小流量的回水终点离坝远，大流量的回水终点离坝近，闸门全开敞泄时，回水终点移至坝前。也就是说，库尾回水外包线由发电流量控制，坝前回水外包线由正常蓄水位或洪水位确定。若淹没处理的设计洪水位低于正常蓄水位，坝前淹没赔偿由正常蓄水位加安全超高确定，泄洪规模只要满足淹没处理的设计洪水位不超过正常蓄水位即可。回顾以前设计的电站，有些电站的泄洪规模可以适当减小，例如广东梅江上的蓬辣滩、三龙水电站等。若淹没处理的设计洪水位高于正常蓄水位，泄洪规模应通过不同的孔数在宣泄淹没处理的设计洪水时，造成不同的淹没赔偿，进行技术经济比较确定。以上是针对清水河流而言，但对多沙河流则要在水库冲淤平衡的基础上推求水库回水外包线。２．３坝址选择

低水头水利枢纽流量大、泄洪规模大。在选择坝址时，首先要估算泄水闸、厂房、船闸三大建筑物的前缘长度。坝址处河床宽度宜大于三大建筑物的前缘长度并有一定余地。河床中若有岛屿、沙洲更好，可减小施工导流纵向围堰的难度，河

收稿日期：２００８．１０－０８；收稿日期：２００８．１１．１７

作者简介：曾新民。男，湖南洞口人，长期从事低水头水利枢的设计研究工作。万方数据

床宽些较好，便于施工导流，增加一段土坝，投资增加不多。坝址的工程地质条件和水文条件要好。河床覆盖层要浅，以便泄水闸采用岩基，减少消能防冲的工程量；选址时，尽量避开岩溶地段，若不能避开时，应选择岩溶不发育的地段；尽可能使城镇位于坝址的下游或水库末端。例如广东梅江龙上水电站将坝址上移几百米，避免了一座村庄的淹没；选址时，还要有利于船闸的布置及考虑水能指标、施工条件、水流条件等。下面以西江长洲水利枢纽选址为例作一扼要介绍。

长洲水利枢纽１９８７年初开始可行性研究，１９８９年１月召开过选坝讨论会，１９９０年３月召开过可行性研究报告审查会，同年８月能源部下文批准选定上坝址，前后达４年之久，可见坝址选择的重要性和复杂性。

长洲水利枢纽坝址控制流域面积３０．８６万ｋｍ２，多年平均流量６２４０ｍ３／ｓ，枢纽主要任务是发电和航运。正常蓄水位２０．６０ｍ，装机容量６２．１３万ｋＷ，选用贯流灯泡机组１９台；近期兴建双线千吨级船闸。该枢纽主要建筑物有河床式厂房、船闸、泄水闸、混凝土重力坝和土坝。根据枢纽工程的任务、特点和运用要求，考虑地形、地质、水流、泥沙以及施工、管理等条件综合分析，选择上、下两个具有代表性的坝址进行比较。上、下坝址相距１．５ｋｍ，上坝址的地形为两岛三江，即长洲和四化洲岛，外江、中江和内江。长洲岛长８．５ｋｍ，最宽处２．２ｋｍ，最高处高程６３ｍ；四化洲长２．９ｋｍ，最宽处５００ｍ，地面高程２２～２５ｍ。内江一般不通航，中江和外江通航；下坝址地形为一岛两江，即长洲岛、外江和内江。上坝址采用两江厂房枢纽布置方案，外江右侧台地布置近期双线船闸，左侧布置Ｉｌ台机组厂房，河床右侧为１６孔泄水闸；中江布置１３孔泄水闸；内江右侧布置８台机组厂房，左侧布置１２孔泄水闸，四化洲布置混凝土重力坝，左、右岸和长洲均布置土坝；下坝址采用内、外江左岸厂房布置方案，外江右侧布置近期双线船闸，左侧布置１３台机组厂房，河床中部为２８孔泄水闸；内江河床左侧布置６台机组厂房，右侧布置１３孔泄水闸，左、右岸和长洲布置土坝。

笔者认为，坝址比较其实是坝址自然条件的比较，设计者的责任是要充分认识和利用坝址的自然条件，作出好的设计方案。长洲水利｛｛）（纽的显著特点是施工导流流鼍特大，施工通航要求特高，坝址最主要的区别是上坝址穿过两岛三江，而下坝址穿过一岛两江，所以上坝址可以利用两岛做施工导流纵向围堰，而下坝址除利用一个岛做施工导流纵向围堰外，还要在外江中间做一道纵向围堰，而这是相当困难的，特别是要满足施工通航。由于两个坝址在施工导流、施工通航的难度、工程量、工期、施工期发电量等方面存在较大差别，经比较，上坝址优于下坝址。

２．４枢纽布置选择

低水头水利枢纽主要建筑物有泄水闸、河床式厂房、船闸及连接坝段。枢纽布置要考虑的主要因素有：地形地质条件、水流条件、交通条件、运行条件、施工通航、施工导流和工期、工程造价等。通常情况下，由于通航水流条件较难满足，２８船闸位置应优先考虑。船闸宜临岸布置，切忌布置在泄水闸、电站与过水建筑物之间。下面以两例加以说明，一是成功的飞来峡水利枢纽布置，另一是有问题的某电站枢纽。２．４．１飞来峡水利枢纽布置

北江飞来峡水利枢纽坝址河床宽阔，主流靠左岸，水面宽约７００ｍ，河床冲积层厚８～１８ｍ，下伏基岩为花岗岩，弱风化岩体顶板从左岸向河床倾斜，高程１０—１５ｍ。右岸高漫滩地面高程１８ｍ。宽约１０００ｍ，长约２０００ｍ，冲积层厚２５—３４ｍ，弱风化岩面高程一般为一１７ｎｉ。枢纽由１６孔溢流坝、河床式厂房（装４台机组）、船闸和土坝组成，溢流坝、厂房、船闸三大建筑物前缘长度约５００ｍ。

飞来峡水利栉（纽于１９８４年选定升平坝址，此后的６年，枢纽布置一直在滩地布置和河床布置两大方案徘徊。滩地布置方案：将混凝土建筑物（溢流坝、厂房、船闸）布置在右岸高漫滩，利用原河床导流和通航。优点是导流工程简单，施工通航条件好，工程开工即可进行主体工程开挖。缺点是泄洪闸只宜采用软基，受单宽流量限制，孔数多，工程鼍大；对河势的改变大，上游夹洲可能影响进水，下游板塘山咀影响出闸流向，有碍船队航行；河床布置方案：将混凝土建筑物布置在原河床，施工第一期利用右岸滩地开挖明渠导流和通航。优点是对河势无改变；泄水闸可采用岩基，工程量比滩地方案少。缺点是为了满足施工导流和通航，明渠开挖工程量大：明渠长３４００ｍ，底宽２００ｍ，土方开挖５００多万１１１３，衬砌混疑土ｌｌ万ｍ３，工期约需Ｉ．５年。１９９０年提出左移方案，即将河床方案的混凝土建筑物向左岸平移３００ｍ，船闸和厂房布置在左岸山丘，溢流坝布置在河床左侧。第一期施工围左岸船闸、厂房和溢流坝，由扩宽后的右侧河床导流和通航。该方案克服了上述两方案的缺点，与河床方案比较，节省投资７７００万元，工期缩短１．５年。

左移方案，现在看很简单，实际并不简单，否则研究了五六年也没有人提出过。因为飞来峡坝址河床宽达２ｋｍ，而三大混凝土建筑物前缘宽度只需５００ｍ，加之左岸河边是两座山，高出河床三四十米，所以一般不会去想，放着２ｋｍ宽的河床不用，却要挖两座山，还要多做３００ｍ长的土坝。２．４．２某水电站枢纽布置

某水电站工程以发电、航运为主，正常蓄水位１０２ｍ，电站装机４台，装机容量８万ｋＷ，多年平均发电量约３．３亿ｋＷ·ｈ；船闸近期１００ｔ级，远景３００ｔ级，上游最低通航水位１０１．５ｍ，下游最低通航水位９２．３３ｍ。

坝址处有一江心洲，其左侧河道叫主河，右侧河道叫岔河。江心洲长约２ｋｍ，坝线处宽约３００ｍ，高程为９５～１１２ｍ；主河宽约３００ｍ，河床高程约９２ｍ，常年通航；岔河宽约１５０ｍ，河床高程一般为９４ｍ，汛期可通航。两岸地面高程１０５一１１５ｍ。现有公路在左岸，坝址下伏地层岩性，主河以泥灰岩为主的夹灰岩，岩溶发育较弱；岔河以灰岩为主夹泥灰岩，岩溶发育较强。

初步设计阶段通过主河船闸、岔河厂房方案（在主河布

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