万家寨水电站引黄取水口的布置 邢莉芳 摘 要
万家寨水电站引黄取水口设在拦河坝左岸坝段，设置有两套各自独立且相同的引水系统，为减少引水的含沙量，采取分层取上层清水的取水方式，进水前设有拦污设施以及拦冰装置。 黄河万家寨水利枢纽工程位于黄河中游北干流上游托克托至龙口峡谷河段。枢纽左岸为山西省偏关，右岸为内蒙古自治区准格尔旗。工程的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪、防凌作用。引黄取水口建筑物为引黄入晋工程的龙头。经综合技术经济比较，确定万家寨水利枢纽工程拦河坝左岸坝段设引黄取水口。 引黄取水系统位于大坝左侧2、3坝段内。两个坝段内各设取水口1孔，取水布置型式完全相同，运行各自独立。每孔引水流量为24m3/s，供水期为每年除8、9月以外，年供水量为12亿m3。每孔取水口进口设置拦污栅（4.2m×31m）3扇，底坎高程为946.50m。扇后高程957.00m、952.00m处各设置一道5m×10m及8m×5m隔水闸门。隔水闸门后为一调节池，与直径4000mm坝内输水管相连后再进入引黄干线。在输水管进口设置4m×10m事故闸门1扇。 一、设计原则 根据引黄入晋工程的具体情况，确定引黄取水口建筑物的设计原则是： 1.设置两套各自独立且相同的引水系统，以满足供水的流量要求，采用单系统供水方式。一套工作，一套备用。 2.为提高供水保证率，在库水位957.00m时，仍需满足单系统引水流量24m3/s的要求。 3.采取分层取上层清水的取水方式，以减少引水的含沙量。 4.为避免污物进入引水系统，进水口前需设拦污设施。 5.为防止黄河在封河及开河时坝前流冰对拦污设施的撞击及阻挡大直径冰块进入引水系统，需在拦污设施前设置拦冰装置。 二、分层取水口布置 万家寨入库水流泥沙含量高、水位变幅大，会使泥沙含量经水库调节后在垂线分布上有上小下大的特点。为达到分层取上部清水的目的，经综合比较，确定采用多门组合、门顶溢流的分层取水方式。 1.分层取水口布置 分层取水口为竖井式结构，布置于坝体上游侧悬出的牛腿平台上。以2号坝段引水系统为例，竖井与坝体同宽为19m。竖井紧贴上游坝面，两侧壁厚1.5m，由上游坝面伸出的钢筋混凝土端墙、上游侧壁厚1.0m的隔水胸墙（墙上设有平板隔水闸门）组成。竖井底部高程为946.50m，坝顶高程为977.50m（检修平台）。隔水胸墙由隔水门中墩分为左右两部分。左隔水胸墙顶高程为967.00m，在高程952.00m～957.00m设有一孔口，孔口设１扇尺寸为8m×5m（宽×高）的下沉式平板隔水闸门（下隔水门），闸门顶部高程可下降到952.00m以下；右隔水胸墙顶高为957.00m，墙顶设１扇5m×10m（宽×高）的下沉式平板隔水闸门（上隔水门），闸门顶部高程可下降到957.00m以下。为改善井内水流条件，竖井两侧壁端墙与坝体上游面采用圆弧曲线连接。另外，为防止竖井两侧同时过水时产生涡流，在竖井内高程970.00m和960.00m处分别设置了一组消涡梁，每组消涡梁由6根断面尺寸为40cm×40cm的钢筋混凝土梁组成。消涡梁两端分别与隔水闸门中墩及坝体联结。 2.隔水闸门及启闭机 为减少泥沙的不利影响，用隔水闸门来实现输送水库中的表层水。当库水位在980.00～970.00m时，上下隔水门分别封堵其孔口，水从高程967.00m以上的孔口过流；当库水位在970.00～959.50m时，启用上隔水门，闸门随库水位起落控制升降，门顶取水深度约3m；当库水位在959.50～952.00m时，启用下隔水门，门顶取水深约为2.5m。每当库水位升降300mm时，水位开度测量仪器发出信号，启闭机启动，闸门相应升降300mm。因水流从门顶溢流，为保证良好的水流流态，闸门门顶设计成溢流曲面。闸门采用双吊点，吊耳、拉杆均布置在闸门的两侧门槽内，以免影响水流流态。5m×10m上隔水闸门选用平面滑动闸门，两孔共设置两扇；由设置在高程991.10m平台上的2×400kN固定卷扬启闭机操作。8m×5mm下隔水闸门亦选用平面滑动闸门，两孔共设置两栅，也由设置在高程991.10m平台上的2×400kN固定卷扬启闭机操作。每孔隔水门布置为左下右上。该隔水闸门可以在启闭机室就地操作，也可以在引黄取水口集中控制室进行操作。上隔水门底坎高程为957.00m，其底止水装设在底坎上，当水位低于957.00m时，可对底止水进行检修。下隔水门底坎高程为952.00m，由于库水位低于此高程情况很少，故该隔水门底止水装设于门上，底坎以下为钢衬胸墙。检修底止水时可将门提至977.50m平台。 隔水闸门的作用一是引取库表层水，另一作用同隔水胸墙配合阻挡泥沙及浊水进入竖井。自水库进入竖井的流量大于引水钢管引水流量，隔水闸门不控制取水口的引水流量，运行时隔水门前后压差很小，基本在平压状态下运行。 三、拦污及拦冰设施 为保证引水水质及引水系统的安全运行，在分层取水口上游侧分别布置有拦污及拦冰设施。 1.拦污设施 拦污设施同取水竖井位于同一牛腿平台上。考虑到库水位涨落频繁且幅度大、汛期污物较多的情况，拦污栅的布置采用直线联通式。每套取水系统设3孔拦污栅（4.2m×31mm），6孔共用1扇备用门。每孔净宽4.2m，栅孔由2个宽1.7m的中墩和2个宽1.5m边墩（由竖井边墙延伸而成）隔开。栅底高程为946.50m、顶高程为977.50m。 拦污栅中墩长5.0m，上下墩头均为半径0.85m的半圆曲线。为尽量增大拦污栅至隔水胸墙（隔水门）的距离，使其形成静水区，以加强引水效果，同时又不致栅墩底部牛腿平台悬臂过大而增加工程造价及施工难度，将拦污栅墩上游局部于牛腿平台前悬挑1.2m，边墩上游墩头迎水侧为半径0.85m的1/4圆弧曲线。栅墩下游侧沿高程设置5道1.0m×0.825m宽×高的联系梁。 为清污考虑，栅墩设置2道栅槽，2道栅槽互为备用。另外，在2个栅槽间还设有1道清污抓斗导向槽。 400kN台车式启闭机装设在启闭机室内990.55m台车轨道上，为双向运行台车，用作启闭拦污栅及清污抓斗。 为防止静冰压力，该拦污栅前设置了潜水泵防冰压装置。 2.拦冰设施 根据水库调度运用要求，在流冰期，库水位降至975.00m（封河）及970.00m（开河）运行。为防止坝前流冰撞拦污设施及阻挡大直径冰块进入引水系统。在拦污栅墩的上游迎水面上，设置了固定于栅墩上的拦冰装置，每孔一个，高程为967.00m～976.00m。 四、坝内进水口及引水钢管 1.坝内进水口 坝内进水口位于取水竖井底部的下游侧，为坝上有压进水口。两套系统坝内进水口布置相同，分设于2、3号坝段。为满足在库水位957.00m时每套引水系统取水流量的要求，经进水口淹没深度计算，参考其他工程的检验数据，坝内进水口中心线高程确定为950.00m。因低水位时由左侧隔水门顶进水，为改善进水口前的水力条件，将进水口中心线的平面位置设于坝段中心线偏左2m。 2.引水钢管 引水钢管按明管设计，经计算确定采用厚10mm的Q235钢板，钢管中心线高程950.00m。 2、3号坝段的引水钢管以转弯半径R=6.0m左转900后与坝轴线平行，经1号坝段在左岸边坡桩号处分别与两条引黄隧道相接，钢管进入洞内4m。 考虑到枢纽处于寒冷地区，最大冻土深度为1.9m，同时，结合枢纽布置的需要，确定钢管外包混凝土顶面高程为955.50m，所形成的平台作为枢纽电站向山西侧供电220kV线路的出线平台。 引黄钢管所有跨缝处均设有伸缩节或在缝前后一定范围内铺设聚乙烯软垫层。 五、事故闸门及启闭机 坝内进水口段高程948.00m分别设一4.0m×4.0m的平板事故检修门，闸门采用平面定轮闸门，上游止水，动水闭门，启门时先小开度100mm提门充水平压，静水启门。在坝内高程965.00m设事故检修闸门的检修平台。为满足动水下门补气，闸门后设直径0.8m的通气孔，顶部通至坝顶。 事故闸门的启闭设备选用800kN液压启闭机操作，油泵站及油缸布置在坝内高程978.5m上，当水库达到最高蓄水位高程980.0m时，为防止淹没油缸室，油缸座下部设密封盖板，在闸门井内闸门检修平台。 事故检修门有两个作用：一是当输水线路检修及突发事故时使用；二是当取水口左右两道隔水门发生故障时，需要进水口停止取水，以免竖井内外压差过大造成隔水闸门或建筑物的局部破坏。 山西引黄局于2001年9月开始试通水，取水口设施在投入运行期间，运行状况良好。 （作者单位：黄河万家寨水利枢纽有限公司） |