吉利水电站生态流量方案研究与设计

沈圣云，冯 锐

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

吉利水电站位于康乐县莲麓乡与渭源县峡城乡交界洮河上，于2012年并网发电；电站主要包括引水系统、泄洪系统、厂房等部分。枢纽泄洪建筑物自左岸向右岸依次设34.7m的泄冲闸、72m溢流坝和约20m挡水重力坝；枢纽泄冲闸中孔口尺寸最小的工作闸门宽度为5m。

2 生态流量确定

北方河流满足生态用水要求的最小流量为多年平均流量的10%，枯水期生态用水不应低于该时段流量均值的20%的要求；根据吉利水电站水文资料的分析成果，吉利水电站的多年平均径流为122m3/s，按10%计算生态用水量为12.2m3/s；枯水时段流量均值为46.6m3/s，按20%计算生态用水量为9.32m3/s；上述两个流量均满足了规范最小生态用水量的要求。

2018年12月25日，甘肃省水利厅下发《甘肃省水利厅关于严格落实水电站最小下泄流量的通知》；根据文件要求，最终确定了吉利水电站枯水期为11月～次年3月，相应的最小生态用水量为10.87m3/s，丰水期为4月～10月，相应的最小生态用水量为17.01m3/s。

3 生态流量下泄方案研究

3.1 技术条件分析

洮河吉利水电站枢纽泄水建筑物由泄冲闸和溢流坝组成，枢纽正常运行蓄水位2020.50m，溢流堰顶高程2020.60m。泄冲闸设3扇工作闸门和1道检修门槽，闸门设计水头较低，理论上具备小开度开启下泄生态流量的条件，也可通过闸门改造实现泄放生态流量。溢流坝段顺水流方向分别为铺盖、堰体、消力池、海漫。溢流堰采用WES曲线堰，堰宽72m，堰高7.1m，可在堰体开槽泄放生态基流，也可在溢流堰顶增设虹吸钢管作为下泄生态流量的通道。

3.2 方案研究

(1)方案一：工作闸门垫块+拉杆方案

在泄冲闸小孔工作弧形闸门底槛上焊接钢垫块，使闸门永久性处于小开度状态，以满足枯水期生态流量下泄；在闸门顶部设拉杆和锁锭，丰水期通过启闭机提升闸门后，将闸门顶部拉杆锁定在闸墩上增加闸门开度，以满足生态流量下泄的要求。当电站检修时，通过液压启闭机操作系统增大调整闸门开度，使下泄流量满足生态下泄流量要求。

该方案的优点是施工简单方便、投资少、工期短，底槛上垫块使闸门永久性处于小开度状态，生态流量下泄不受人为控制，泄流流态相对稳定，对泄水建筑物影响较小；缺点是泄冲闸工作闸门长时间处于小开度，若垫块高度设定不合理则会使闸门产生振动，高速水流冲刷对溢流堰混凝土表面也有一定影响。

(2)方案二：闸门开孔+虹吸管方案

在泄冲闸工作弧形闸门梁格中开孔并设置引流钢管下泄生态流量，以满足枯水期生态流量下泄。在溢流堰上设虹吸管，丰水期通过真空泵引流形成虹吸，以满足生态流量下泄要求。

该方案的优点是闸门上开孔设引流管施工简单方便，在溢流堰上敷设虹吸管，对已有枢纽建筑物影响小，不会影响建筑物的结构稳定和使用功能，生态基流泄水安全、可靠。该方案的缺点是破坏闸门结构，影响闸门使用寿命；溢流堰上敷设虹吸管工程投资大、工期长、施工难度较大，虹吸管道易因水位下降使虹吸水流掺气产生振动，闸门与钢管分别进行流量监测，监测难度较大。

(3)方案三：溢流堰开槽方案

在溢流堰顶设两孔生态流量下泄通道，尺寸为2.0m×2.0m，其中一孔不设控制闸门，以满足枯水期生态流量下泄要求，另一孔设1扇闸门，在丰水期时打开闸门下泄生态流量。

该方案的优点是在溢流堰顶开槽泄流，利用现有下游消力池消能，不需另行设置消能设施，生态基流泄水安全、可靠。该方案的缺点是溢流堰顶开槽，一定程度破坏和影响原溢流堰坝体抗滑稳定及结构安全，施工时须降低电站的运行水位，施工难度较大、混凝土凝期长，投资相对较高；

(4)方案四：生态流量洞

在大坝上游左岸新设一条生态流量隧洞，隧洞断面尺寸为1.5m×2.0m，在隧洞进口设控制闸室，通过闸门调节丰水期与枯水期的流量。

该方案的优点是新建独立生态泄流洞，对大坝稳定、泄洪安全均无影响，缺点是勘察设计工作量大，施工难度较大、混凝土凝期长，投资相对较高；生态流量靠闸门控制，存在人为因素影响流量下泄的情况，在生态用水量较大的水电站工程中可应用。

上述方案经施工条件、工期长短、投资额等多因素比较，方案一施工难度最小、工期最短、投资额最省，闸门振动和高速水流对溢流堰混凝土表面冲刷的影响均在可控范围之内，对电站原泄水建筑物结构影响最小，优先选择方案一作为吉利水电站生态流量下泄的方案。

4 方案设计

4.1 下泄流量计算

生态流量下泄按如下公式计算：

式中，μ0—闸孔自由出流的流量系数；e—闸门开启高度；b—闸孔净宽；n—闸孔孔数；H0—包括行近流速水头的作用水头；H—闸前水深。

经计算，弧形工作闸门开度为28.5cm时，可通过闸门的水量为11.01m3/s，满足枯水期生态流量要求；弧形闸门开度为45cm时，可通过闸门的水量为17.22m3/s，满足丰水期最小的生态流量要求；流量与闸门开度特征数据见表1。

4.2 工程设计

本次选取5m宽(小孔)泄冲闸弧形闸门作为生态流量下泄通道进行改造，在底槛上焊接垫块作为永久措施，在闸门顶部焊接拉杆作为丰水期泄流的措施。

(1)闸门底槛垫块

为减少垫块阻水面积，垫块设计为焊接工字钢断面，顺水流方向用角焊缝焊接于底槛上，安装时保证垫块高度和角度相同，共设五个垫块，安装后垫块顶面距底槛表面28.5cm，两端垫块中心距离侧墙40cm，垫块之间中心间距分别为110cm和100cm。

表1 洮河吉利水电站5m泄冲闸不同闸门开度特征数据表

(2)门顶拉杆和锁定

为满足丰水期下泄流量，闸门开度应增加至45cm，枯水期闸门应下降至28.5cm，为满足不同开度的要求，闸门顶部设置可锁定的拉杆，拉杆采用钢板组焊结构。在闸墩检修平台上将拉杆锁定以保持弧门开度，拉杆与闸门边梁连接件须采用轴销式的可拆装结构，检修维护时将闸门提升至孔口时拆除拉杆。

5 监测设施

为确保生态流量的足量下泄，在闸门后设置高性能、高可靠度的超声波闸门流量计；在消力池出口设有标准矩形槽断面，矩形槽配超声波流量计和水位尺，并设置全景高清摄像头视频监控设备；对生态流量实施“全覆盖、全天候、全方位”实时监控。

为加强对生态基流流量的监测、监管，将监测数据和视频信号实时上传至政府在线监测平台，由政府牵头实施行政监管。

6 结论

在正常水位运行下，枯水期利用垫块抬高闸门泄水，丰水期通过拉杆锁定闸门泄水，能够满足下游河道的生态流量需求，理论计算下泄流量与实际监测流量基本吻合，该方法投资低、工期短的优势明显，可供类似电站增设生态流量设施时参考。