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某水利枢纽工程放水兼发电引水建筑物设计

文档作者：蒋小健文档来源：阿勒泰地区SETH 水库管理处		点击数：	更新时间： 2024年03月05日
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收稿日期：2018 - 04 - 03
作者简介：蒋小健（1971- ），男，高级工程师，主要从事水利
工程建设与管理工作。E-mail：448422595＠qq.com
某水利枢纽工程放水兼发电引水建筑物设计
蒋小健
（阿勒泰地区SETH 水库管理处，新疆阿勒泰836500）
摘要：通过对新疆某水利枢纽工程发电引水建筑物的比选，最终选定一管三机、分层取水的设计方案，并详细介绍
了整个设计计算过程。表2 个。
关键词：水利工程；引水建筑物；设计方案；比选
1 工程概况
新疆某水利枢纽工程任务为供水和防洪，兼顾
灌溉和发电，水库总库容2.94 亿m3，工程主要由
碾压混凝土重力坝（含挡水坝段、表孔和底孔坝
段、放水兼发电引水坝段等）及消能防冲建筑物、
坝后式电站厂房和升鱼机等组成。工程为II 等工
程，规模为大（2）型。拦河坝（含挡水坝段、表
孔和底孔坝段、放水兼发电引水坝段等）及消能防
冲建筑物为2 级建筑物，升鱼机和电站厂房为3 级
建筑物；导流建筑物级别为4 级。碾压混凝土重力
坝从左岸至右岸共布置21 个坝段。电站厂房采用
坝后式电站厂房，厂区建筑物由主厂房、副厂房、
尾水建筑物和管理用房等组成。2 台110 kV主变布
置于副厂房上游侧室外。主厂房内设2 台单机容量
12 MW及1 台3.6 MW水轮发电机组，设计引水流
量为大机组2 × 27.65 m／ s、小机组8.6 m／ s。
2 放水兼发电引水建筑物
可研阶段推荐方案枢纽装机为两大一小3 台装
机，初设阶段布置方案采用两种方案进行比选：一
种方案采用一管一机方案，一种是一管三机方案。
采用一管一机方案，电站运行管理灵活方便，
水流条件好，水头损失小；但取水口宽度大。本工
程分层取水通过叠梁门实现，进口前沿宽，造成叠
梁门宽度较大，规模较大，并且叠梁门需要门库存
放，门库规模较大，门库布置及运行操作均不方
便；并且坝内埋设3 根钢管，对坝体快速施工影响
较大。
采用一管三机方案，缺点是电站运行管理不
便，需增设蝶阀，岔管处钢管应力条件较差，水流
条件较差，水头损失大；优点是取水口布置紧凑，
宽度小，叠梁门库布置在取水口旁侧坝段，运用方
便，坝内埋管只有1 根，对坝体施工影响小。经综
合考虑，采用一管三机方案。
可研阶段审查意见“基本同意放水兼发电引水
进水口采用分层取水型式及布置，放水兼发电引水
建筑物采用一管三机布置型式。”
可研阶段评估意见“引水发电及过鱼建筑物设
计基本合适”。
3 取水口设计
3.1 取水口取水方式比选
坝址区为严寒地区，水库蓄水后，水库水温呈
垂向分层分布，库表水温和库底水温温差较大。放
水兼发电取水口底高程为979.0 m，下放的库水水温
与天然气温相差较大，对下游生态和农业灌溉将产
生影响。因为水体置换期较长的库区水温分层，会
引起深水层的水质恶化；其次，对水生生物产生影
响，坝址区乌伦古河鱼类产卵季节为4 ~ 7 月，鱼
类产卵所耐受的最低温度一般为18 ℃。低温水的
下放，水的溶氧量及水的化学成分将发生变化，进
而影响鱼类和饵料生物的衍生，降低鱼类的新陈代
谢能力；低温水的下放，还限制下游灌区地温的提
· 26 ·
规划设计SMALL HYDRO POWER 2018No.3，Total No.201
万方数据
高，导致农业减产。为避免低温水对下游生态环境
的不利影响，取水口采用分层取水的方式。
3.2 分层取水进水口方案选择
坝址区为严寒地区，水库蓄水后，水库水温呈
垂向分层分布，库表水和库底水温差较大。为避免
温差较大水对下游生态环境的不利影响，进水口采
用分层取水的方式。
分层取水进水口方案在叠梁门方案与固定进水
口方案之间进行比较。
（1）叠梁门方案采用有压坝式进水口，进口底
高程979 m，后接管径4.5 m压力钢管。由进口段、
拦污栅、分层取水叠梁门、检修闸门及渐变段组
成，均为钢筋混凝土结构。拦污栅采用直立式布
置，利用坝顶门机吊装清污抓斗清污。拦污栅设1
孔，孔口净宽4.5 m。拦污栅下游2.50 m设置叠梁
门，叠梁门至平板检修闸门槽孔口距离9.75 m。检
修门后的渐变段长7.5 m，渐变段后接内径4.5 m的
压力钢管，压力钢管出坝体后分为1、2、3 号共3
个支管，其中3 号支管再分为2 个支管，分别为生
态基流、鱼道、工业供水以及兼顾机组发电供水。
（2）固定进水口方案采用有压坝式进水口，进
水口由开敞式进口段、拦污栅、分层取水闸门、检
修门槽及渐变段组成，均为钢筋混凝土结构。拦污
栅采用直立式布置，利用坝顶门机吊装清污抓斗清
污。拦污栅设两孔，孔口净宽4.5 m，相应的过栅流
速为0.868 m／ s。拦污栅后设置4 个分层取水闸门，
门高7.0 m，进口底高层分别为979.0、990.0、
1 001.0 m以及1 012.0 m，取水口门顶处设置4 m高的
横梁。其中，高程1 012.0 m 门顶处和横梁梁顶
1 023.0 m高程以上采用开放式，取正常蓄水位的表层
水。进水口至平板检修闸门槽孔口最近距离为3.5 m。
进水口设置进口检修闸门，闸门尺寸为4.5 m
× 5.03 m。拦污栅、分层取水口闸门及检修闸门均
采用坝顶门机机控制（见表1）。
表1 不同方案投资比较
项目
数量
方案1：分层取水叠梁门方案方案2：分层取水固定取水门方案
混凝土
／ m3
钢筋
／ t
取水口设备
安装工程
检修门设备
及安装工程
混凝土
／ m3
钢筋
／ t
取水口设备
安装工程
检修门设备
及安装工程
工程量27 516 396 — — 47 291 711 — —
投资／ 万元1 156 218 1 980 304 1 987 392 1 377 304
合计／ 万元3 658 4 060
两方案均采用坝顶门机控制闸门启闭及拦污栅
的起吊与安放，运行管理条件相差不大，都能满足
分层取水的功能要求。方案2 取表层水效果不如方
案1，且土建投资较大，施工难度高于方案1；并
且由两方案投资比较来看，方案2 投资比方案1 投
资高402 万左右，因此本阶段推荐方案1，采用叠
梁门分层取水方案。
4 放水兼发电取水口布置
放水兼发电取水口布置于13 号坝段，采用有
压坝式进水口，后接坝内压力钢管。取水口由开敞
式进口段、拦污栅、分层取水叠梁门、检修门槽及
渐变段组成，均为钢筋混凝土结构。拦污栅采用直
立式布置，利用坝顶门机吊装清污抓斗清污。拦污
栅设两孔，孔口净宽4.5 m，相应的过栅流速为
0.868 m／ s。拦污栅后2.5 m设置叠梁门，叠梁门至
平板检修闸门槽孔口9.75 m。拦污栅、叠梁门以及
检修闸门均采用坝顶门机机控制。
检修门后的渐变段长7.5 m，由4.5 m × 4.5 m的
方孔渐变为内径4.5 m的圆孔，渐变段后接内径
4.5 m的压力钢管，压力管道由坝内埋管段（上下
2 个水平段、上下2 个弯段）、4 个卜型岔管、5 个
支管等组成。
上水平段管道中心线高程为981.25 m，长度为
9.5 m，经上下2 个半径为11.25 m、转角为53°的转
弯段，钢管中心线由981.25 m降为965.20 m，接管
径为4.5 m明钢管，出坝体后分为1 号卜型岔管、2
号卜型岔管、3 号卜型岔管及4 号卜型岔管。明钢
管至1 号岔管中心点长7.172 m，钢管管壁厚度为
22 mm，钢管每隔2 m设1 道高200 mm、厚22 mm的加
劲环，其后接2 号岔管；2 号岔管分别接1、2 号支
管给2 台大机组供水，1、2 号岔管管壁厚度为
30 mm。1 号机组支管（管径2.6 m）至蝶阀中心线长
19.958 m，2 号机组支管（管径2.6 m）至蝶阀中心
· 27 ·
小水电2018 年第3 期（总第201 期） 规划设计
万方数据
线长13.874 m，1 号岔管经3 号支管（管径2.6 m）
接3 号岔管；1 ~ 3 号支管管壁厚度为20 mm，钢管
每隔2 m设1 道高200 mm、厚22 mm的加劲环。3 号
岔管接4 号支管给小机组供水，4 号（即小机组）
支管（管径1.5 m）至蝶阀中心线长16.384 m，4 号
支管壁厚度为18 mm，钢管每隔2 m 设1 道高
100 mm、厚18 mm的加劲环。3 号岔管经5 号支管
（管径1.8 m）接4 号岔管，给过鱼建筑物及下游生
态基流供水，5 号支管管壁厚度为18 mm，钢管每隔
2 m设1 道高100 mm、厚18 mm的加劲环。3 号、4 号
岔管管壁厚度为22 mm，钢材均为Q345R。
5 水力学计算
5.1 引用流量及水头损失
5.1.1 流速
发电引水钢管直径4.5 m：采用一管三机，放
水及发电引水钢管最大引用流量63.9 m3 ／ s；总管段
最大流速4.02 m／ s，支管段直径2.6 m，最大流速
5.21 m／ s。
生态引水钢管直径1.5 m：引用流量为4.83 ~
11.49 m3 ／ s（其中，工业供水约为1.5 m3 ／ s，生态供
水枯水年供3.33 m3 ／ s、丰水年供9.99 m3 ／ s），流速
为2.73 ~ 6.50 m／ s。
5.1.2 水头损失
3 台机发电，洞内流量63.9 m3 ／ s，管路最大总
水头损失为3.02 m。
5.2 进口底板高程确定
水库最低发电水位1 005.0 m，初拟放水兼发电
引水钢管底板高程979.0 m。为使取水口在最低水位
时保持有压流，不致产生贯通式漏斗漩涡将空气及
污物卷入，需要保持足够的淹没水深。根据规划相
关资料，在死水位986 m生态引水钢管引水月份为
3 ~ 6 月份，此时段最大引用流量为11.49 m3 ／ s，按
此工况计算进口淹没。
（1）从防止产生贯通式漏斗漩涡考虑，最小淹
没深度按照“戈登公式”估算：
S ＝ Cvd1 ／ 2
式中，S 为孔口淹没深度（m）； v 为孔口断面
流速（m／ s）；d 为孔口高度（m）；C 为与进口形状
有关的系数，C ＝ 0.55 ~ 0.73，此处取C ＝ 0.73。
（2）从保证进水口内为压力流，最小淹没深度
S 按下式计算：
S ＝ K［△h1 十△h2 十△h3 十△h4 十△h5 十V25
2g
］
式中， S 为最小淹没深度，应不小于1.5， K
为安全系数，应不小于1.5，计算中取为1.5；
△h1
为拦污栅水头损失；△h2
为有压进水口喇叭
段水头损失；△h3
为闸门槽水头损失；△h4
为压
力管道渐变段水头损失；△h5
为沿程水头损失。
计算结果如下所示（见表2）。
表2 进水口淹没深度计算成果
部位
计算
方法
最小淹
没深度
／ m
计算最小
淹没高程
／ m
实际淹
没高程
／ m
放水兼发
电取水口
（1） 0.88 984.68
（2） 0.68 984.40
986.0
根据计算结果，实际淹没高程均大于计算所需
的最小淹没高程，取水口底板高程满足要求。
5.3 通气孔面积
通气孔在检修门井后墙内布置1 个圆孔，直径
1.0 m，面积0.785 m2。
放水及发电引水钢管检修门井后设置通气孔，
其作用为发生故障下门时向洞内补充空气；在检修
完成后向引水洞充水时向外排出空气。根据水利水
电工程《钢闸门设计规范》规定，快速闸门通气孔
面积按发电管道面积的3％ ~ 5％选定。本工程按
规范取值。
引水钢管：通气孔面积为（3％ ~ 5％） ×
20.25 m2 ＝ 0.61 ~ 1.01 m2。因进口采用的是检修门
而非快速门，通气孔面积可相应减小，实际布置的
通气孔面积满足通气要求。
6 结语
通过简述新疆某水利枢纽工程放水兼发电引水
建筑物方案比选，最终确定了枢纽的一管三机及分
层取水的设计方案；并详细论述了建筑物设计计算
过程，最终确定了枢纽工程放水兼发电引水建筑物
的布置方案。
■
责任编辑吴昊
· 28 ·

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