一种电站进水口分层取水叠梁门装置

摘要

本发明提供一种电站进水口分层取水叠梁门装置，包括拦污栅墩、拦污栅门槽、备用拦污栅门槽、拦污栅，相邻两个拦污栅墩的前端侧壁分别对应设有拦污栅门槽，相邻两个拦污栅墩的后端侧壁分别对应设有备用拦污栅门槽，其特征在于：还包括折线型平板叠梁门，所述折线型平板叠梁门置于所述拦污栅门槽内，所述拦污栅置于所述备用拦污栅门槽内。本发明与传统平板叠梁门相比，在叠梁门挡水高度保持不变的情况下(即改善下游河道生态环境的效果不变)，可以减小电站进水口段的总水头损失，提高水电站的发电效益，本发明具有较好的社会效益和经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及水利水电建设开发与生态环境保护领域，具体是一种电站进水口分层取水叠梁门装置。

背景技术

随着水利水电工程的不断开发，在带来巨大综合效益的同时，其环境问题日益突出，受到社会的高度关注。生态环境保护是目前水利水电工程建设面临的敏感性问题，特别是一些高坝水电站建成后，其下泄的低温水将对下游河道的生态环境产生严重影响，直接威胁着河道中各种水生生物的生存，在电站进水口前设置分层取水结构是缓解下泄低温水对下游河道生态环境不利影响的有效措施。美国20世纪60年代就对深水库电站分层取水进行了研究，其中典型的沙斯塔水坝和饿马水坝实现分层取水后，有效改善了大坝下泄水温问题，保护了下游河道生物种群结构不被破坏。目前国内外大型水电站多采用叠梁门分层取水方式，一般将叠梁门放置在拦污栅下游的备用拦污栅门槽内，通过调整叠梁门的挡水高度、使机组发电用水尽量从水库表层获取，以减轻电站发电泄水对下游河道生物及水环境造成的负面影响，特别是在鱼类产卵繁殖期，提高下游河道的水温犹其重要；但放置叠梁门后将恶化电站进水口的水流条件，显著增加进水口段的水头损失，从而影响电站的发电效益。在当前重视环境大保护的前提下，发电企业被迫要牺牲一定的经济利益。比如，某例1水电站总装机容量1100MW，如严格执行环境保护要求的调度运行方式，采用平板叠梁门分层取水后，每年发电效益损失约2330万kw.h(中国大部分地区的鱼类产卵繁殖期为3～6月份，按每年90天使用叠梁门、期间75％的机组发电考虑，下同)；而某例2水电站总装机容量16000MW，采用平板叠梁门分层取水后，每年发电效益损失将达14400万kw.h(同上)。

如图1所示，对于传统叠梁门分层取水电站进水口，一般以拦污栅墩1为叠梁门的支撑结构，在拦污栅墩1上布置两道门槽，将拦污栅5放置在前门槽(亦称拦污栅门槽2)内，将平板叠梁门6(如图3所示)放置在后门槽(亦称备用拦污栅门槽3)内。根据相关研究，要达到提高电站下泄水温的效果，叠梁门顶一般要升高至距水面20m左右的水下高度，传统的叠梁门布置方式及结构型式，在正常运用条件下进水口段都会产生较大的发电水头损失，进水口段总水头损失的表达式如下：

h_w＝h_w1+h_w2+h_w3+h_w4+h_w5(1)

电站进水口段放置叠梁门后的水流流动示意如图2所示。

式(1)中：

h_w为进水口段总水头损失；

h_w1为水流通过叠梁门顶产生的局部水头损失；

h_w2为水流通过叠梁门顶后由水平流动过渡到竖直向下流动所产生的局部水头损失；

h_w3为水流竖直向下流动产生的沿程水头损失和联系梁阻挡所产生的局部水头损失；

h_w4为水流由竖直向下流动再过渡到水平方向流动所产生的局部水头损失；

h_w5为电站引水管进口段的局部水头损失。

公式(1)表明，要减小电站进水口段总水头损失，必须从减小上述各分段水头损失入手；很显然，叠梁门的放置位置和结构型式对上述各分段水头损失均会产生一定影响。

因此，在不改变传统叠梁门门顶淹没水深和下泄水温效果的前提下，如果能够降低进水口段的总水头损失，将是发电企业乐见其成的事情。

发明内容

本发明的目的是针对以上传统叠梁门分层取水运行中发电水头损失过大这一技术问题，提出了一种电站进水口分层取水叠梁门装置，可以明显减小传统叠梁门使用方式下的水头损失，有显著的经济效益。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电站进水口分层取水叠梁门装置，包括拦污栅墩、拦污栅门槽、备用拦污栅门槽、拦污栅，相邻两个拦污栅墩的前端侧壁分别对应设有拦污栅门槽，相邻两个拦污栅墩的后端侧壁分别对应设有备用拦污栅门槽，其特征在于：还包括折线型平板叠梁门，所述折线型平板叠梁门置于所述拦污栅门槽内，所述拦污栅置于所述备用拦污栅门槽内。

进一步，所述折线型平板叠梁门包括主挡水板、自主挡水板两端分别向下垂直延伸的侧挡水板、自侧挡水板的端部向外水平延伸的辅挡水板，其中所述折线型平板叠梁门的两个辅挡水板嵌入相邻两个拦污栅墩的拦污栅门槽内，在拦污栅门槽外面的主挡水板与在拦污栅门槽内的辅挡水板不在同一个平面内，所述主挡水板与辅挡水板之间的距离a不小于所述拦污栅墩的墩头与所述拦污栅门槽之间的距离d。

进一步，所述拦污栅墩的墩头、墩尾均为流线体型。

进一步，所述拦污栅门槽的尺寸和所述备用拦污栅门槽的尺寸相同。

与所述传统平板叠梁门的结构及布置相比，本发明的有益效果是：在叠梁门挡水高度保持不变的情况下(即改善下游河道生态环境的效果不变)，可以减小电站进水口段的总水头损失，提高水电站的发电效益，本发明具有较好的社会效益和经济效益，值得推广。前述背景技术中某例1水电站和某例2水电站如采用本发明技术，其每年发电损失将分别减少约1100万kw.h和5500万kw.h。

附图说明

图1为电站进水口传统叠梁门装置的结构示意图；

图2为电站进水口段放置叠梁门后的水流流动示意图；

图3为图1中单层平板叠梁门的结构示意图；

图4为本发明电站进水口分层取水叠梁门装置其中一个实施例的结构示意图；

图5为图4中的单层折线型平板叠梁门的结构示意图；

图6为图1和图4中的单层拦污栅的结构示意图；

图7为电站进水口段放置传统叠梁门装置与放置本发明叠梁门装置后的平面布置图；

图8为电站进水口段放置传统叠梁门装置后的剖面图。

图中：1—拦污栅墩，2—拦污栅门槽，3—备用拦污栅门槽，4—折线型平板叠梁门，5—拦污栅，6—平板叠梁门，7—电站引水管进口胸墙，4-1—主挡水板，4-2—辅挡水板，4-3—侧挡水板。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图4～图6，本发明提供的电站进水口分层取水叠梁门装置其中一种实施例，包括拦污栅墩1、拦污栅门槽2、备用拦污栅门槽3、折线型平板叠梁门4和拦污栅5；所述拦污栅墩1的墩头、墩尾均为流线体型，相邻两个拦污栅墩1的前端侧壁分别对应设有拦污栅门槽2，相邻两个拦污栅墩1的后端侧壁分别对应设有备用拦污栅门槽3，所述折线型平板叠梁门4放置在所述拦污栅门槽2内，所述拦污栅5放置在所述备用拦污栅门槽3内。

所述拦污栅门槽2的尺寸b×h(槽宽×槽深)和所述备用拦污栅门槽3的尺寸b×h(槽宽×槽深)相同。

请结合参考图5，所述折线型平板叠梁门4包括主挡水板4-1、自主挡水板4-1两端分别向后垂直延伸的侧挡水板4-3、自侧挡水板4-3的端部向外水平延伸的辅挡水板4-2，其中所述折线型平板叠梁门4的两个辅挡水板4-2嵌入相邻两个拦污栅墩1的拦污栅门槽2内，在拦污栅门槽2外面的主挡水板4-1与在拦污栅门槽2内的辅挡水板4-2不在同一个平面内，即所述主挡水板4-1比所述辅挡水板4-2向上游突出一段距离a，所述拦污栅墩1的墩头与所述拦污栅门槽2之间的距离为d，a≥d，即所述主挡水板4-1与辅挡水板4-2之间的距离a不小于所述拦污栅墩1的墩头与所述拦污栅门槽2之间的距离d。

由于所述折线型平板叠梁门4中的挡水板位于所述拦污栅墩1前缘的上游位置，该位置的流速比所述备用拦污栅门槽3部位的流速小，同时由于所述折线型平板叠梁门4的挡水板为折线型，其过流总宽度比传统平板叠梁门6放置在所述备用拦污栅门槽3处有一定增大，在相同流量条件下，水流通过所述折线型平板叠梁门4放置部位的门顶平均流速小于传统平板叠梁门6放置部位的门顶平均流速，因此水流通过所述折线型平板叠梁门4放置部位的门顶时，其局部水头损失减小，即h_w1减小。

当所述折线型平板叠梁门4放置在所述拦污栅门槽2位置时，所述折线型平板叠梁门4与电站引水管进口胸墙7(如图8所示)之间的水平距离增大，即水流通过所述折线型平板叠梁门4之后竖直向下流动的过流面积增大，导致：其一，水流竖直向下流动的流速减小，沿程水头损失和各联系梁产生的局部水头损失都会减小，即h_w3减小；其二，水流通过叠梁门之后，要经过两个接近90°的弯曲流动才能进入到电站引水管内，即水流由水平流动过渡到竖直向下流动和由竖直向下流动再过渡到水平流动，当所述折线型平板叠梁门4放置在所述拦污栅门槽2位置时，与所述传统平板叠梁门6放置在所述备用拦污栅门槽3位置相比，水流两次弯曲流动时的转弯半径增大，曲率变小，因此局部水头损失系数减小，同时由于弯曲流动流速减小，使得h_w2和h_w4都减小；其三，当所述折线型平板叠梁门4放置在所述拦污栅门槽2位置时，由于其二中的水流竖直向下流动过渡到水平流动时的曲率变小，使得水流进入电站引水管进口时的流速分布比传统平板叠梁门6放置在所述备用拦污栅门槽3位置时要均匀，因此h_w5也相应减小。

下面以某水电站进水口分层取水叠梁门水力模型试验为例结合表1成果进一步说明：

某大型水电站，最大坝高115.0m，正常蓄水位458.0m，相应库容为34.7亿m³。枢纽主要建筑物由混凝土重力坝、左岸坝后式厂房组成，电站安装4台单机容量275MW的水轮发电机组，总装机容量1100MW，坝式进水口底部高程418.0m，每台机组坝段各设两个拦污栅边墩和三个拦污栅中墩，拦污栅边墩和中墩的宽度均为1.20m，墩子顺水流方向长度为5.00m，拦污栅上部由三层横梁与大坝连接。拦污栅由高程415.0m直通坝顶，拦污栅墩之间形成的孔道宽度为5.50m，拦污栅墩上设置两道门槽，分别为拦污栅门槽和备用拦污栅门槽，门槽尺寸b×h(槽宽×槽深)＝0.50m×0.25m，拦污栅门槽与墩头的距离d＝0.60m。考虑下游河道的生态及环保要求，在电站进水口前利用备用拦污栅门槽设置一道叠梁平板闸门，利用叠梁门挡住水库底层低温水体实现取水库表层水体的目标。根据水库运行特性及环保对其下泄水温的要求，初步确定叠梁门的最大顶高程为443.0m。叠梁门最大总高度为28.0m，每层叠梁门高度2.8m，最多可用10层，宽度与拦污栅门框同宽。

如图7和图8所示，传统叠梁门装置(结构及布置)：拦污栅5放置在拦污栅门槽2内，平板叠梁门6放置在备用拦污栅门槽3内。

本发明叠梁门装置(结构及布置)：拦污栅5放置在备用拦污栅门槽3内，折线型平板叠梁门4放置在拦污栅门槽2内，折线型平板叠梁门4中的a＝0.75m，即a＝0.75m＞d＝0.60m。

传统叠梁门装置和本发明叠梁门装置的水力模型试验结果对比见表1。

表1传统叠梁门装置与本发明叠梁门装置试验成果对比

在水库正常蓄水位458.0m、四台机组发电条件下，如放置叠梁门以后的门顶淹没水深为17.8m(9层叠梁门)，传统叠梁门装置的进口段总水头损失为1.00m，本发明叠梁门装置的进口段总水头损失为0.46m，电能损失减少率为54％；如放置叠梁门以后的门顶淹没水深为20.6m(8层叠梁门)，传统叠梁门装置的进口段总水头损失为0.82m，本发明叠梁门装置的进口段总水头损失为0.35m，电能损失减少率为57％。

试验成果表明：在目前叠梁门顶淹没水深普遍采用20m左右情况下，采用本发明叠梁门装置的电能损失将比传统叠梁门装置的电能损失减少50％以上。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。