(一)工程概况

东风市清风口水利枢纽是东风市防洪及桦树河补水枢纽工程之一,位于桦树河上游干流梅梁河上,开发任务为以东风市防洪及桦树河生态补水为主,结合发电等综合利用。水库正常蓄水位为267m,总库容为1.88亿立方米,电站装机容量为15.0MW。清风口水库属大型水库,属Ⅱ等工程。拦河坝采用碾压混凝土重力坝,坝顶高程为271.5m,最大坝高为76.5m,顶宽为7m,坝顶总长为239m,由左、右岸非溢流坝段和溢流坝段组成。

电站为坝后式地面厂房,布置在河床左侧,厂房内安装两台机组,采用两机一管供水。引水系统由坝式进水口、坝内埋管、坝后背管组成。进水口布置在左岸非溢流坝段5号坝块。为了满足枢纽运行期间下游环境补水的要求,在厂房引水主管段另接一条环境补水管,管径为1.8m,补水管进口利用发电引水主管引水,出口端设流量调节阀。坝址左侧山坡段为弱风化岩体,饱和抗压强度为50～55MPa,变形模量为1.5～2GPa,属中硬岩,完整性较好,岩体质量分类为B类,左坝肩局部为强风化岩体,饱和抗压强度为25～30MPa,变形模量为0.6～1GPa,属软质岩,岩体质量分类为Ⅴ类。

(二)水库下泄水温要求

水库的建设对环境所产生的影响是多方面的,既有益也有弊(即对水生生物产生一定的不利影响。水库蓄水后,原有的天然河道形式已不复存在,大坝拦截改变了河流的连续性、河道径流的年内及年际分配和水体的年内热量分配,河道水深增加,过流面积增加,使原来流动的、水温掺混均匀的水体转变为相对静止或流动十分缓慢的大体积停滞水体。在高温季节,水体表面收到太阳能量的辐射,表层水温升高,而深层水由于吸收的热量少,水温变化小,形成了上部水温高,而下部水温低的特有分层温度场。在水深较高的水库坝下,河道的水位和流量受到人为控制。如下泄水水温低,则下游水生鱼类繁殖季节向后推迟,降低鱼类新陈代谢的能力,直接影响鱼类的生长、育肥和越冬;将直接影响到库区及下游人民的生活质量、库区水生生物的环境)。为保护日益脆弱的生态环境,在工程前期设计的可行性研究和初步设计阶段,审查专家均要求采取工程措施,要求使清风口水利枢纽日常运行下泄水温与天然河道水温基本一致。本工程通过进行进水口设计,设置分层取水设施,控制取水区域,能够有效地解决下泄低温水问题。

(三)分层进水口布置

(1)分层进水口高程的确定分层进水口高程包括表层进水口高程和底层进水口高程。

①表层进水口高程确定。表层进水口高程根据工程调度运行计算,清风口水利枢纽库区坝前多年平均的各月水位变化为243～263m,结合坝前各月不同水深水温情况,电站和生态补水流量的表层进水口底高程设置在正常蓄水位(267m)以下15m左右(可浮动区间为正常蓄水位以下13～20m),但保证低于汛限水位254.4m。此时只有1～4月的多年平均水位低于该进水口,但这几个月本身水温较低,通过底层进水口引水至电站发电引水主管分岔的环境补水管补水即可。为了满足生态环境取表层水的需要,同时考虑电站在汛限水位254.4m时仍能通过表层进水口取水发电,经计算选定表层进水口底高程为250m,当库水位高于汛限水位时,电站从表层进水口取水,关闭下层工作闸门;当库水位低于汛限水位时,电站从底层进水口取水,开启下层工作闸门。

②底层进水口高程确定。根据《水利水电工程进水口设计规范》的规定及发电进水口的设计要求,底层进水口底高程需高于淤沙高程(221.0m),同时进水口高程还应满足最小淹没深度S的要求。经计算,S=5.68m,电站发电死水位为2399.0m。因此,底层进水口底高程必须低于233.32m,考虑到水库在死水位226.0m时还需能向下游进行环境补水,底层进水口高程定为223.0m。S的计算公式为(www.daowen.com)

式中,S为最小淹没深度,m;D为闸孔高度(D=3.5m);V为闸孔断面平均流速,m/s,按40m3/s发电流量计算;C为系数(对称水流取0.55,边界复杂和侧向水流取0.73)。

(2)分层进水口的布置　根据工程调度运行的要求,进水口分两层取水,表层进水口底高程为250m,设拦污栅与检修闸门共槽,拦污栅与检修闸门尺寸为5.5m×6.5m(宽×高),过栅流速为1.2m/s,清污平台同样设在进水塔顶部。底层进水口底高程为223m,设拦污栅与工作闸门各一扇,拦污栅尺寸为5.5m×6.5m(宽×高),工作闸门尺寸为5.5m×4.8m(宽×高);工作闸门下游6.2m处设事故闸门一扇,孔口尺寸为3.5m×3.5m(宽×高)。检修闸门、工作闸门与事故闸门均采用平板钢闸门,检修闸门为静水启闭,工作闸门和事故闸门均为动水启闭。在工作闸门下游侧压力管进口顶部设置两个直径为0.8m的通气孔通至进水塔顶部,至269.5m高程(高于校核水位268.75m)往左、右两侧水平通出。进水口的拦污栅、检修闸门、工作闸门和事故闸门均共用一辆台车式启闭机操作。见图2-4、图2-5,清风口水利枢纽的坝式进水口设计标准与坝体相同,为2级建筑物,进水口顶部高程与坝顶高程相同,为271.5m,平台宽10.2m、长20m并作为拦污栅的清污平台以及闸门的检修平台使用,平台上布置台车式启闭机。

图2-4　清风口水利枢纽进水口平面布置

图2-5　清风口水利枢纽进水口剖面

(3)分层取水效果分析本工程建成后,水库下泄低温水主要影响下游白浪河与梅梁河汇合口处到坝址之间约4km的河段;由于下泄低温水在流经4km后有白浪河和湟水汇入,流量增加较大,汇合口以下江段受水温影响很小。根据工程调度运行计算,清风口水利枢纽库区坝前多年平均的各月水位变化为243～263m。大部分月份可通过该表层进水口(下层工作闸门关闭)进行电站发电和生态补水,水库表层水温与下游河道水温基本一致,水库水体经过一段时间和距离的热量交换,已经达到水库下泄水温要求,对坝址下游鱼类的生长和繁殖影响不大。只有1～4月的多年平均水位低于表层进水口,但这几个月为冬末春初,当地气温较低,下游河道水温不高,与水库底层水水温律基本一致,此时通过开启下层工作闸门,从底层进水口取水满足发电和生态补水要求。根据上述分析,通过分层取水的方式,水库下泄水温全年在10～24.5℃之间,与下游河道天然水温变化规律基本一致,满足生态环保对工程提出的水温下泄要求,达到了预期目的。水库建设为人们带来防洪、发电、航运、供水等方面的综合效益,同时也在水环境等方面带来负面影响。清风口水利枢纽进水口设计通过对水库水温分层特点进行分析研究,结合水库所在地的水文气象,对水库进水口进行分层取水设计,减轻了水库下泄低温水对环境产生不利的影响,尽量发挥水利工程的优点,减少其副作用,确保了工程的建设任务顺利实现。