摘要：低水头水电站的规划设计相对比较复杂，本人根据几年来的工作实践对于其规划设计进行了分析总结。
关键词：低水头水电站，规划设计，总结。
1、序言
现在随着各地水电开发的深入，各地都在充分开发利用大流域的水力资源建设低水头电站，而低水头电站由于其流域集雨面积大，一般位于流域的中下游河谷平原，工程涉及面较广，同时设计水头较低（一般水头范围为3-15m），所以其水力资源开发有其自身的特殊情况，规划设计工作相对比高水头电站复杂，如何开展合理的规划设计工作是个值得研究的问题。本人根据这几年的低水头水电站工程的规划设计工程实践，从流域水力资源规划、水能开发方式、拦河坝坝型选择、装机规模论证、水轮发电机组选型这五个方面进行分析总结后形成了本次技术论文。
2、低水头电站规划设计总结
2.1流域水力资源规划
⑴梯级电站的布局
流域水力资源规划主要应该与本地区的社会经济发展规划、国土利用规划、城市建设规划和流域综合规划相协调，流域水力资源规划主要涉及到梯级电站的布局，而梯级电站布局关键是各级电站坝址位置的选择， 电站坝址位置的选择具体来讲，既要考虑到上下两级电站水位衔接问题，又要考虑到该坝址位置的选择对于上游两岸城镇、农村防洪影响及耕地的淹没，在以上因素兼顾的前提下，各级电站坝址的位置尽量往下游移动，以减少引水渠道或尾水疏浚的长度，提高电站水头利用的稳定性，并节省工程投资。
⑵梯级电站水位的衔接
梯级电站里上游电站的尾水位与下游电站正常蓄水位的关系是流域水力资源规划的核心问题。而低水头电站一般机组装机台数为2-6台，相应的上游电站由于有正常尾水位、平均尾水位、加权平均尾水位、最低尾水位等几种水位，而下游电站有以正常蓄水位、活动坝起翻水位等。另外，根据实际工作情况来看，有的地方考虑上游正常尾水位与下游正常蓄水位衔接的方案，有的地方考虑上游平均尾水位与下游正常蓄水位衔接的方案，有的地方考虑上游加权平均尾水位与下游正常蓄水位衔接的方案，有的地方考虑上游最低尾水位与下游正常蓄水位衔接的方案，所以上游两级电站水位如何衔接是个应该仔细分析的技术问题。
根据多年大流域低水头电站规划设计工作实践来看，本人认为采用上游加权平均尾水位（2/3正常发电流量时尾水位）与下游正常蓄水位衔接方案作为梯级电站水位分配原则为妥。这样既有利于上级电站水力资源的充分利用，又有利于减少上下级区间两岸的淹没政策处理工作难度。水力水位衔接通过天然河道水面回水曲线程序进行水位推算，推算前应对沿程河床断面进行测量，断面间隔根据河床坡降情况一般取在200-1000m之间，在利用天然河道水面回水曲线程序时最好利用现状实测的水面线进行相关主要参数的拟合后再进行水位推算，同时根据所计算的成果，最好留有0.1-0.2m左右余度，以保证上下游两级电站的正常运行。
2.2、电站水能开发方式
对于低水头电站而言，由于一般处于流域中下游的平原地带，其水能利用主要有常规的引水式、河床式以及结合下游河道疏浚的特殊河床式三种开发方案，各个电站的水能开发采用何种开发方式既要考虑到工程层因素，又要考虑蓄水淹没等政策处理因素，而政策处理等社会因素现在已越来越成为水能开发方式的决定式因素，总之最后水能开发方式的选用是一个综合权衡工程技术和经济社会后的结果。
根据这几年来的工程实践来看，常规引水式水能开发方案一般适用于局部走向呈“U”型的河流或原历史已建引水渠道的老电站改造，此时可考虑在“U”型两顶端通过布置较短的引水渠道集中落差进行水力资源利用，相应的工程投资及政策处理工作也比较简单；而常规的河床式水能开发方案一般适用于坝址上游水能较为集中而下游河段较为平缓的河流；而大部分较为顺直的山区性河流上新建电站的水能开发则比较适用于采用结合下游河道疏浚的特殊河床式水能开发方式。
因为一般较为顺直的山区性河流上采用引水式方案的话，则引水渠道及前池等工程投资较大；并且引水渠道等今后每年都存在维护、管理问题,相应地存在厂、坝区之间的断流问题，存在对区间的生态环境影响问题；另外引水式开发占用土地及河床滩地面积均较大，相应的河道占用费及土地占用补偿费用较大，相应政策处理工作困难。但是采用普通的河床式开发方案，水头落差一般比引水式方案低很多，虽然工程投资较省，但工程整体效益一般。而采用结合河道疏竣的河床式开发方案,其与引水式方案相比，不仅可以取得相同的水头落差，电站的综合效益相差不大，而且工程可比性投资却节省较多，整个工程的政策处理工作变得简单，所以一般考虑推荐采用结合下游河道疏竣的河床式开发方案这样既可以达到增加电站水头的目的，又节省了引水渠道、前池等工程投资，又减少了占用土地及河滩地的面积，相应地减少河道水域占用补偿费用，相应电站政策处理工作变得简单。当然采用结合河道疏竣的河床式开发方案，也要结合当地实际，要考虑河流的自然冲淤规律。
2.3、拦河坝坝型选择
在一般平原建设低水头电站，为了洪水期不淹没上游两岸民房、沿岸公路以及不迁移人口，以减少上游淹没损失，而平时又能适当抬高水位增加发电效益，因此一般低水头电站拦河坝均采用活动坝形式，而现在主要活动坝有橡胶坝和水力自控翻板坝两种。
根据这几年的实际工程实践总结来看，橡胶坝优点：跨度大，过水能力较大，可坍坝，相对洪水影响小，对下游的冲刷力较小，坝袋也比较美观，漏水量相对较少，并且水位可控制运行。橡胶坝缺点：抗冲击能力和抗磨损能力较差，相对耐久性较差，易老化、易破坏、需要专门的充水设备与值班操作管理人员，运行管理相对要求较高，结构相对复杂，且运行管理费用较高、投资也相对较大（造价相对于翻板坝高出15～40％）。而水力自控翻板坝的优缺点刚好与橡胶坝相反，翻板坝优点：无人操作，自动运行、结构简单，施工方便、运行管理成本较低，寿命较长，运行费用低，并且近年来已发展出液压控制翻板门，大大丰富了翻板坝的应用范围。翻板坝缺点：洪水影响略大，漏水量相对较大，密封性相对较差，美观性方面略差于橡胶坝。
经过综合分析，在今天市场来讲，两者工程投资相差不大，但各有优缺点，不能简单地排斥那个方案,相对来讲翻板坝比较适合山区性河流，而橡胶坝比较适合对景观有所要求的城镇附近平原性大流域河流，并且对单位运行管理能力要求相对较高。根据这几年来的实际工程运用上来看，水力自控翻板门的应用越来越广泛，也出现了可人为控制关闭的液压水力自控翻板坝，所以如果防洪能力满足要求，还是选用翻板闸门相对较好的。两种活动坝的固定坝顶高程均要求略高于上游滩面平均高程0.3～0.5m左右，并且对于上游的滩面应进行清理平整处理，以保证活动坝的正常运用。
2.4、电站装机规模论证
由于中高水头电站可以抢发丰水期或洪水期电能，而低水头电站装机规模有其自身特殊性，即其电站设计水头一般为3-15m左右，丰水期或洪水期时由于其尾水位上升而导致机组偏离正常工况区而不能抢发丰水期或洪水期电能，所以其装机利用小时数一般比中高水头电站略为偏大，根据现在的区域电价水平和流域水文丰枯情况，一般低水头电站的装机利用小时数控制在3000-4500小时为好，过大的装机水平由于洪水期电站不低抢发电能而导致设备出力闲置。当然，在电站装机规模的水能分析计算程序设计时，应充分结合低水头电站的实际情况，将上下游的水位流量关系曲线送入程序，由电站程序进行逐时判别，当电站可利用水头低于设计水头的60%时则停止电站发电，这样设计的模型才是很安全工程实际的，否则容易陷入中高水头电站的装机容量越大电站效益越好的怪圈。
电站装机规模论证时，电站设计水头应以上下游加权平均水位进行分析计算，即以库区正常消落深度的2/3处水位作为上游加权平均水位，而下游则以2/3正常发电流量时的尾水位作为电站下游加权尾水位，另外再考虑引水系统水头损失后最终才确定出电站的设计水头，而不宜以上下游的正常水位来确定电站设计水头，这样不利于今后电站其他各种运行工况的兼顾。
低水头电站的装机规模论证应进行全方位的可比性分析，从机组台数上来说，一般宜结合电站枢纽布置安排3-6台为好，没有特殊情况不宜采用2台装机方案，同时也应重点分析比较采用多台低压机组方案还是台数少点的高压机组方案，机组台数的选择也要考虑到上游电站的机组台数配合后再选择3-4个最现实可比性方案进行重点分析论证。对于各方案的可比性投资方面应对主要机组设备和起重机、检修闸门等辅助设备以及厂房上部和基础土建投资进行详细地可比分析，特别是分析不同的装机方案由于其水轮机规格的不同，一方面带来厂房平面尺寸不同，一方面机组吸出高度不同带来的基础土建投资区别，另一方面相关机电设备投资的差异变化。同时也运用电能计算程序对于其发电效益进行分析，最后通过差异投资内部收益率以及综合权衡运行管理等其他因素进行最终方案的取舍。
在机组的规模论证时应注意 “低压机组喜好倾向”，一般中小型的工程勘测设计单位可能简单认为低压机组由于保护控制相对比较简单、投资较为节省而比较倾向采用多台低压机组的规划设计方案，这种思路在3000kw以下的电站中可能是比较合理的，但在3000-5000kw的电站中可能就有其一定的偏面性了，3000-5000kw的电站中虽然采用低压电站其机电设备投资略为减少，但厂房的建筑工程投资由于其建筑面积增多而较大增加，并且采用大容量机组的效率较低压小机组略高，总体而言采用高压机组方案较为有利，不过具体的方案也应进行具体地分析。当电站装机容量在5000kw以上的则比较明显应采用高压机组方案为宜。
但采用高压机组时也并非机组台数越小越好，如我们在论证某地一只低水头电站时，采用了2×2000kw、3×1600kw、2×2500kw这三个不同装机规模进行动能经济可比性分析比较，最后因2×2500kw方案相关的机电设备投资和基础土建投资增大较多相应增加投资部分效益较差而选用了3×1600kw方案，因此也不能一概而论高压机组台数越小越好，这与正常认为机组台数越小厂房土建投资节省几间土建投资而机电设备差不多的简单化想法存在实际的差别，应引起重点注意。
2.5、水轮发电机组设备选型
水轮发电机组设备选型工作是低水头电站规划设计的一项重要内容之一，水轮发电机组选型应通过技术经济综合比较后选取。机组选型比较时不仅应考虑机组设备的投资变化，还应结合电站厂房的水工布置实际和水轮机汽蚀性能的好坏对厂房基础土建投资进行仔细比较，并考虑两套方案之间的效率区别，最后通过水能计算程序比较电能区别后再进行综合选取。
低水头段水轮机主要机型有贯流式和轴流式两种，相对来讲两者主厂房土建投资接近，但采用贯流式水轮机比轴流式水轮机设备投资增加较多，而贯流式机组的效率比轴流式机组略低，所以综合考虑，一般情况下低水头电站水轮机采用轴流式机组方案为妥。
当电站设计水头低于6m、转轮直径不大于1.6m时，由于机组单机容量较小，可考虑采用明槽、内调结构的水轮机，以节省水轮发电机组的设备投资。但当电站设计水头大于6m、转轮直径大于1.6m时，虽然明槽、内调结构的水轮机价格较低，但考虑到所选的水轮机转轮直径已经较大，并且明槽结构容易在槽内产生旋涡水头损失，另外进入转轮的环量相对不足，对水轮机的效率略有影响，并且明槽结构的导水机构顶盖长期容易磨损、环向拉杆容易松动，导致机组长期运行稳定性较差，所以水轮机选型设计宜考虑采用混凝土蜗壳、外调结构形式。
常规卧式发电机组选型相对比较简单，只需各自按常规选取即可，而立式轴流水轮发电机组的设备选型与卧式发电机组不同，如果采用圆筒式封闭机墩时，还有个今后机组的检修问题，即水轮机转轮、顶盖和发电机的配合问题，应加以特殊考虑。具体来讲就是发电机下机架牛腿内径应略大于水轮机转轮直径，发电机上机架牛腿外径应略大于水轮机顶盖外径，确实配合相关太大时，可考虑在圆筒发电机上机架牛腿之间开挖一定宽度的内槽供今后取水轮机顶盖用。但是如果采用4根框架立柱来承重的话则顶盖可考虑放在水轮机层检修，有利于水轮机转轮、顶盖和发电机的配合问题的解决。4根框架立柱的机墩可考虑将发电机层的苛载分担至机组两侧机墩上，有利于减少水轮机层进水室和尾水室的顶板受力荷载，优化厂房结构布置。是今后立式机组圆筒式封闭机墩结构优化方向。
3、结语
低水头水电站的规划设计相对比较复杂，本人根据几年来的工作实践对于其规划设计进行了分析总结，希望本人的一些粗浅思考能给大家提供有益的参考。
陈斌（1975.10～），男，大学、工程师，设计所所长，主要从事水利水电工程的规划、设计工作。