CN103510493A - 过水低坝洞库式水电站 - Google Patents

Abstract

过水低坝洞库式水电站，在有弧形弯道的河道上游修建过水低坝，在河道弧形弯道上下游之间修建引流量达到或超过该河段多年平均径流量的引水隧道式洞库，洞库的进水口位于过水低坝上游；在洞库进水口前端或者修筑有顶部低于过水低坝坝体高度的潜水前池，或者修建有大于洞库洞口直径的渠道从库区引水，渠道上修筑闸门；在洞库出水末端设置有堵塞墙体、设置于堵塞墙体中连接洞库和洞库外水轮发电机组的纵向引水管道；过水低坝是指坝体本身可部分渗漏河水、部分河水在丰水期可以从坝顶上方漫过流向下游，部分河水从坝体内部渗出流向下游的坝体。本发明不需截断河流，并且可建设在落差较小甚至很小的河道，进一步提高水能资源的利用率，施工难度较小。

Description

过水低坝洞库式水电站

技术领域

 本发明属于水电站技术领域。

背景技术

传统的水电站类型主要有坝库式水电站、引水式水电站、混合式水电站等。坝库式水电站主要建设在江河干流上，发电效益最高，但要构筑拦河大坝截断江河，常造成江河下游断流，生态遭受严重破坏。库区还要淹没大量的林地、植被甚至文物古迹，有的物种面临生存危机，还涉及大量移民问题。此外，库区两岸山体被水浸泡松软，水位上下变动引发山体滑坡，大型水库还可能诱发地震。因此坝库式水电站在各类水电站中危害最大。引水式水电站主要建设在大落差的峡谷，或者从高山上引用溪流发电，对河道落差要求较高。由于同样要修建拦河坝截断河流，同样造成较为严重的生态破坏。此外，其建设条件受到河道降比的严重限制，若降比太小，只能进一步加大坝高，采用很长的引水渠道，再加前池蓄水，工程造价大为增加，失去了建设的经济意义。即便在河道降比大的情况下，还需要沿岸修建隧道或者架设管道。为了制造和利用更大的水头，隧道或者管道就必须建设的更长，导致断流的河道进一步加长，生态影响更大，工程造价也大为增加。且管道容易锈蚀破损，维护难度和成本都较高，也影响发电。混合式水电站吸纳了坝库式水电站和引水式水电站的优点，但同样叠加了它们的问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有水电站存在的不足，提供一种不需截断河流，避免造成环境破坏和库区淹没，并且可建设在落差较小甚至很小的河道，进一步提高水能资源的利用率，施工难度相对较小、工程造价较低的环保型洞库式水电站。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

过水低坝洞库式水电站，本发明修建于有弧形弯道的河道上，在有弧形弯道的河道上游修建一道过水低坝，在河道弧形弯道上下游之间修建一条引流量达到或超过该河段多年平均径流量并具有一定动态蓄水能力的引水隧道式洞库，洞库的进水口位于过水低坝的坝前；当洞口前的河道较为狭窄时，在洞库进水口前端修筑有顶部低于过水低坝坝体高度的潜水前池；当洞口前的河道较为宽敞时，则采用大于洞口直径的渠道从库区引水，渠道上修筑有闸门；在洞库的出水末端设置有堵塞墙体、设置于堵塞墙体中连接洞库和位于洞库外的水轮发电机组的纵向引水管道；所述过水低坝是指坝体本身可部分渗漏河水、部分河水在丰水期可以从坝顶上方漫过流向下游，部分河水从坝体内部渗出流向下游的坝体。

本发明所述过水低坝为石渣与人工制作的混凝土异型构件相混填塞河道而成的人工堰塞坝。过水低坝坝高不超过30米。在洞库和潜水前池之间修建有闸门。在洞库末端位于堵塞墙体前的下方修建有沉沙池及排沙管道，在洞库末端修有调压井。在过水低坝前的库区水下设置有沉沙扰动泵管，沉沙扰动泵管由水泵和管道组成，在管道的下半部管壁上开设有若干可将沉沙扰动浮起的射水孔。在过水低坝的上游设置有过水低坝的拦石护坝。拦石护坝由混凝土异型构件构筑或由大石块构筑或由石块与混凝土异形构件混合构筑。

本发明至少具有以下优点：

一是这种人工堰塞过水低坝是典型的环保型水坝。采用开挖洞库产生的石料弃渣与人工制作的混凝土异形构件组合填塞河道而成。这种低坝既能形成有效库区，又能通过坝体渗漏和坝顶漫水，避免传统的拦河坝截断河流造成坝体下游河段水体断流的问题，基本避免环境破坏，完全避免大面积淹没，基本避免移民问题，完全避免引发地质灾害。

二是采用引流量达到或超过该河段多年平均径流量隧道形成洞库，洞径只要大到符合发电机组的配置需求，就可实现大流量引水和一定容量蓄水，再实施较小口径的管道送水发电。由于引流量达到或超过该河段多年平均径流量隧道本身具有一定的库容能力，虽然洞库隧道的坡度很小，但洞径较大，即便洞内水体流速缓慢，也能直接利用江河干流的大流量引水发电，保证水轮机组具有足够的动力运转发电，弥补传统的引水式电站的不足，规避坝库式电站存在的淹没问题、环保问题和移民问题，提高水能资源的利用率。

三是本发明技术方案提高了水电占比，可在不能或者难以采用传统技术方式开发水电的地方，或者采用传统技术方式建设水电站成本过高的地方建设水电站，改善能源结构，削弱温室效应，保护大气环境，减少不可再生资源消耗。

本发明的过水低坝，其坝高较小，纵长较大，具有坝体自然渗水和坝顶漫水功能。洞库的洞径较大，坡度较小。可实现在小落差河段建设环保型的水电站，既能保护环境，又能避免淹没导致的各种损失，还能避免产生移民，进而提高水能资源利用率。采用本发明，可根据不同季节和气候情况下的径流量，通过调整水能发电机组的运行数量来确保引水发电的流量小于河道的径流量，使坝体始终具备一定的渗水或者过水流量，实现河道始终不断流的环保目的。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是过水低坝纵立面示意图；

图3是洞库机组一侧的示意图；

图4是过水低坝的在河道中的俯视图；

图5是沉沙泵管示意图；

图6是设置拦石低坝示意图；

图7是潜水前池及洞库闸门立面示意图；

图8是潜水前池及洞库闸门俯视示意图；

图9是竹筒水枪玩具示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图进一步阐述本发明的内容。

如图1、图3、图7、图8所示，本发明的过水低坝洞库式水电站修建于有弧形弯道的河道上，在有弧形弯道的河道1上游修建一道过水低坝2，在河道弧形弯道上下游之间修建一条引水并具有一定动态蓄水能力的隧道式洞库3，洞库引流量应达到或超过该河段多年平均径流量。洞库的进水口3a位于过水低坝2的坝前上游适当距离和位置；当洞口前的河道较为狭窄时，在洞库进水口前端修筑有顶部低于过水低坝坝体高度的潜水前池4；当洞口前的河道较为宽敞时，则采用大于洞口直径的渠道从库区引水，渠道上修筑有闸门。在洞库的出水末端设置有堵塞墙体5、设置于堵塞墙体中连接洞库和位于洞库外的水轮发电机组的纵向引水管道6；所述过水低坝2是指高度较低，坝体用混凝土异形构件和石料组合填塞河道，不采取严格的防渗漏措施，河水仍能部分从坝体内部渗漏和坝体上方流入河道下游的坝体。所述过水低坝2如图2、图4所示为石渣2a与人工制作的混凝土异型构件2b相混填塞河道而成的人工堰塞坝。坝体高度在10~30米范围较为合适，坝体沿河道的纵长可以达到数十米甚至上千米。如图3所示，在洞库末端位于堵塞墙体5前的下方修建有沉沙池8及排沙管道9，在沉沙池上方修有调压井10。如图2所示，在过水低坝2前的库区水下设置有沉沙扰动泵管11，沉沙扰动泵管由较大功率的水泵11a和管道11b组成。如图5所示，在沉沙扰动泵管的管道下半部管壁上开设有若干可将沉沙扰动浮起的射水孔11c。如图8所示，在洞库和潜水前池4之间修建有闸门7。由于过水低坝库区库容较小，为了避免过多石块被洪水冲击堆积库区影响库区容量，可如图6所示，在过水低坝的上游方向，可以混凝土异形构件为主，构筑一道更低的拦石护坝13。拦石护坝的基本作用是降低流速，拦阻河道滚石、流石，使一部分泥沙提前沉降，保护库区容积不减小。本发明的过水低坝采用开挖隧道产生的石料为主的弃渣与人工预先制作的混凝土异形构件组合修筑。混凝土异形构件的主要功能是稳定坝体，使坝体遭遇洪水冲击也不至于造成大的破坏，减少采用弃渣填塞河道时弃渣被水流冲走的数量。因为是石料为主，绝不会存在管涌导致溃坝的风险。过水低坝并不采取专门的防渗漏处理，坝体能够自然渗水，即便遭遇罕见的枯水期，坝体以下河段也不至断流，保护生态环境。因为坝体纵长较大，渗径自然很大，坝体渗水量不会太大，仍然具有较好的蓄水功能。当渗水量和发电引水量小于河道径流量时，水流自然漫坝而过。过水低坝采用较低的坝高，多数时期和丰水期水流自然漫坝，河道基本状态不受改变。这种坝体的本质就是人工造就堰塞体，人为抬高了河床，类似于河道很多地方的支流出现泥石流造成小型的天然堰塞湖一样。过水低坝的最大好处是施工方便。不需要开挖导流洞，也不需要围堰和截流施工作业，造价很低。同时还解决了弃渣的处理问题，并实现坝体和洞库同步施工，提高作业进度。从长远看，这种坝体其实更加牢固和稳定。因为堰塞坝的坝体由混凝土异形构件和开挖洞库的石料组成，难以被水流冲走，并且坝高很低，一般都在20米左右甚至更低，而坝体长度很大，可以达到几百米甚至上千米，加上在修建的过程中不断遭到水流冲刷，建成之后已经比较稳定了，任何情况下都不会存在溃坝风险；只要经历了一次洪峰冲刷之后就基本稳定下来。即便遭遇很大洪峰造成一些填塞物被冲走，丰水季节河道流量很大，也不会影响电站引水发电，洪峰过后利用枯水期进行补填也很容易，造价很低，相当于维护而已。所设置的沉沙扰动泵管每隔一段时间开动水泵，水流从管道的射孔中以较大压力向下喷射沉淀的河沙，使沉沙浮动起来被水流带走，进而实现库区的排沙。射孔设在管道下方，一是可以直接射向沉沙，二是避免不工作时沉沙进入管道淤积。为了避免过多石块被洪水冲击堆积到洞库口部影响洞库引水，也为了保证对洞库进行检修或者处理情况，所以在洞库口部修建潜水前池和闸门。潜水前池的顶部必须低于坝体高度，确保进水的需要。在洞库末端的堵塞墙体可以在洞库全部开挖贯通后再修建，也可以在开凿洞库时就开成“死胡同”式的洞库，在洞库末端单独开挖引水管道连接水轮发电机组。整个发电系统包括厂房14、引水管阀门15、水轮发电机组12、送电枢纽等。从隧道式洞库引水管道流出的水经过球阀或者蝶阀后进入水轮机，进而发电，尾水经由尾水管16排入下游河道19中。洞库内的沉沙沉入沉沙池8后，经由排沙管阀门17和排沙管18排入河道19中。隧道式洞库的基本作用是引水，同时具备一定的动态蓄水能力，可实现小坡度隧道的大流量引水及大容量发电，进而实现在无法修建引水式电站的地方、或者修建引水式电站效益极其低下、或者修建坝库式电站造成太多负面问题的地方修建高效能水电站的目的，提高水能资源的利用效益。 

本发明隧道式洞库的基本工作原理类似于图9所示的竹筒水枪玩具。由于竹筒A的直径远远大于水枪的喷口B直径，因此竹筒具有一定的蓄水量，简易推射活塞C在外力的推动下向前运动，水枪就能在一定时间内连续喷出高速水流。隧道式洞库就相当于水枪的竹筒，喷口就相当于水轮机组的进水管即引水管道。河水流进并灌满洞库之后，隧道前方与后方落差产生的水压，就相当于推动水枪竹筒内简易活塞的外力。

本发明主要适用于有弧形弯道的河段，或者高程不同的两条河流交汇后形成河床弯道的河段；本发明充分利用河道弧形弯道上下游的落差，利用河道径流主流量发电。利用弧形弯道上下游两个点位之间截弯取直开凿隧道式洞库，洞库长径最小，造价最低。 

本发明过水低坝的基本施工方法和步骤是： 

第一步，在隧道上下口部之间利用原有道路或者修筑一条施工道路，也可在对岸再修筑一条河畔施工道路； 

第二步，利用枯水期流量很小的有利条件，先在过水低坝的上游适当位置构筑用于拦挡河道中的滚石或者流石的混凝土异形构件护坝，直接放置混凝土异形构件即可；也可采用混凝土异形构件与大石块组成；

第三步，在过水低坝预定的末端位置上放置混凝土异形构件，形成一道初步的异形构件坝体；

第四步，利用江畔其中一侧或者两侧的道路，把开挖洞库产生的弃渣从混凝土异形构件坝体处逐渐向上游填塞；达到一定高度后视情况继续放置混凝土异形构件和继续将石渣填塞河道，直至达到设计的坝高和坝长。在丰水期开挖洞库隧道的石渣可以预存在江畔合适的地方暂时堆积，待枯水期到来时再向河床填塞，这样填塞较为容易；

第五步，待基本填塞完毕后，视情况再在坝体的上游方向和坝面上放置一层密度较为合适的混凝土异形构件，确保坝体填塞材料不被冲走。

本发明可建设在大量具有弧形弯道的河道上，其工程造价和施工难度均可较现有技术大幅降低。

示例性方案一：云南龙陵县勐糯镇蚌冬下寨过水低坝洞库式水电站

在我国云南省怒江中下游水电开发“两库十三级”的总体规划中，最下游电站是光坡电站，此处怒江江段干流的多年平均流量约2200m3/秒，规划装机400MW，年发电量23亿KW.H，工程静态投资概算30亿元，工期62个月。如果采用本发明的过水低坝洞库式水电站将光坡电站方案取而代之，在旁边的龙陵县勐糯镇蚌冬下寨，利用怒江的回头弯建设过水低坝洞库式水电站，可用水头达到40米，按照全年平均引流1600m3/秒发电，可以保证出力600 MW （1600×40×9.81），年发电量为47亿KW.H （600000×0.9×365×24）。装机容量按照1000MW建设，共5台20万KW水轮机组。基本运行方式为按照不同季节的水流量大小分配，丰水期可运行全部5台机组，枯水期至少可运行2台机组，过渡期运行3至4台机组。全年可平均运行3台机组（600MW）。投资匡算总投资约需10亿元左右。包括24米半圆形洞库开挖、被覆约1.4亿元，调压井、厂房、沉沙池等等匡算0.5亿元，5台机组含购买、运输、安装等约5亿元，送电枢纽约1亿元，其他费用约1亿元。由此可见，总投资和工期仅为原规划的3分之1左右，发电量却是原规划方案的2倍。

示例性方案二：西藏下察隅过水低坝洞库式水电站

我国西藏林芝下察隅镇察隅河的水面海拔约1485米，多年平均流量219m3/秒。如果采用本发明技术方案在下察隅镇利用察隅河的回头弯建设过水低坝洞库式水电站，建10米过水低坝，库区水位高程可达1495米。洞库长度约2000米，坡度约3%，隧道内径6米。厂房建设按可用水头60米、平均引用190m3/秒发电计，可保证出力11万KW，年发电量8.6亿KW.H，年发电毛收入约2.5亿元。可按21万千瓦（7台3万千瓦机组）装机建设。总投资匡算约需2亿元左右，单位千瓦投资952元，远低于现有其他各类水电站建设投资。

示例性方案三：贵州凯里过水低坝洞库式水电站

清水江在我国贵州省凯里有一个大的回头弯，多年平均流量355m3/秒。如果采用本发明技术方案建设过水低坝洞库式电站，建15米过水低坝，则过水低坝库区水面海拔约可达595米，库区水位高程605米。按坡度约3.5%，隧道内径10米开挖，需开完隧道式洞库长约1400米，厂房按照20万千瓦（4台5万千瓦机组）装机建设，按可用水头35米、平均引用300m3/秒发电，可保证出力10万KW，年发电量7.9亿KW.H，年发电毛收入约2.3亿元。总投资匡算约需3亿元左右，单位千瓦造价1500元，远低于现有其他各类水电站建设投资。

本发明水电站可在众多具有弧形弯道且河道落差较小的地方建设，与现有技术相比，其施工难度小，投资少，水能利用率高，且不破坏生态环境。

Claims (7)

1.过水低坝洞库式水电站，其特征在于，本发明修建于有弧形弯道的河道上，在有弧形弯道的河道（1）上游修建一道过水低坝（2），在河道弧形弯道上下游之间修建一条引流量达到或超过该河段多年平均径流量并具有一定动态蓄水能力的引水隧道式洞库（3），洞库的进水口（3a）位于过水低坝（2）的上游；在洞库进水口前端或者修筑有顶部低于过水低坝（2）坝体高度的潜水前池（4）,或者修建有大于洞库洞口直径的渠道从库区引水，渠道上修筑闸门；在洞库的出水末端设置有堵塞墙体（5）、设置于堵塞墙体中连接洞库和位于洞库外的水轮发电机组（12）的纵向引水管道（6）；所述过水低坝（2）是指坝体本身可部分渗漏河水、部分河水在丰水期可以从坝顶上方漫过流向下游，部分河水从坝体内部渗出流向下游的坝体。

2.根据权利要求1所述的过水低坝洞库式水电站，其特征在于，所述过水低坝（2）为石渣及少量土渣（2a）与人工制作的混凝土异型构件（2b）相混填塞河道而成的人工堰塞坝。

3.根据权利要求1或2所述的过水低坝洞库式水电站，其特征在于，在洞库和潜水前池（4）之间修建有洞库的闸门（7）。

4.根据权利要求1或2所述的过水低坝洞库式水电站，其特征在于，在洞库末端位于堵塞墙体（5）前的下方修建有沉沙池（8）及排沙管道（9），在洞库末端上方修有调压井（10）。

5.根据权利要求1或2所述的过水低坝洞库式水电站，其特征在于，在过水低坝（2）前的库区水下设置有沉沙扰动泵管（11），沉沙扰动泵管由水泵（11a）和管道（11b）组成，在管道的下半部管壁上开设有若干可将沉沙扰动浮起的射水孔（11c）。

6.根据权利要求1或2所述的过水低坝洞库式水电站，其特征在于，在过水低坝的上游设置有保护过水低坝库区库容的拦石护坝（13）。

7.根据权利要求6所述的过水低坝洞库式水电站，其特征在于，所述拦石护坝（13）由混凝土异型构件构筑，或由大石块构筑，或由石块与混凝土异形构件混合构筑。

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