发电引水隧洞与生态流量管“二合一”设计在工程中的应用

发电引水隧洞与生态流量管“二合一”

设计在工程中的应用

赵 冬 李小军

（中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710024）

摘要：本文探讨了一种在水电站中将发电引水隧洞与生态流量管相结合的“二合一”设计应用，分析其在实际应用中的可行性和效果。生态流量管是水利工程中用于下游流域内保持生态环境所需要的水流流量的专用管道，在建设水利工程的时候，一般都有最小生态流量的要求以便维持下游生态平衡。发电引水隧洞是位于大坝上游进水口和厂房之间用于输送水流的隧洞。由于厂房机组装机容量要求，引水隧洞洞径与生态流量管管径存在明显差异，二者普遍分开设计。本项目发电引水隧洞和生态流量管相结合“二合一”设计案例的应用实施，为水电站建设后续类似工程提供参考和借鉴。

关键词：发电引水隧洞；生态流量管；二合一

0 引言

近年来，水力发电作为高效清洁的可再生能源，受到了广泛关注。为了兼顾发电效益和生态保护，发电引水隧洞与生态流量管"二合一"设计应运而生。该设计旨在确保河流生态环境基本用水需求、提高水资源利用效率、降低工程建设成本、促进工程技术创新。其通过自动分配和调节下泄至河道的生态基流，实现水资源综合利用，体现了高效节能、低成本投资的特点。这一设计契合了节约资源、保护环境的可持续发展理念，具有重要的理论和实践意义。

1 理论基础

1.1发电引水隧洞

发电引水隧洞是一种水工隧洞，其主要作用是从水库、河道等水源地引水，将水输送到水电站进行发电。这种隧洞通常位于上水库进/出水口和厂房之间，用于输送水流。引水隧洞可以分为无压和有压两种类型，无压引水隧洞的断面形状多为城门洞形，而有压引水隧洞的断面则通常为圆形或马蹄形。引水隧洞在洞身后接压力水管，出口设有消能防冲设施。为防止岩石坍塌和渗水等，洞身段常用锚喷（采用锚杆和喷射混凝土）或钢筋混凝土做成临时支护或永久性衬砌。发电引水隧洞是水电站发电过程中不可或缺的一部分，其设计和施工需要考虑到多种因素，以确保其安全、稳定和高效运行。

1.2生态流量管

生态流量是指为了维护河流、湖泊等水体的生态系统结构和功能，确保水生生物的生存繁殖以及保持水体自净能力，所必需的最低限度水流流量。生态流量的具体数值通常依据河流的自然条件、水文特性、生物多样性保护需求以及社会经济活动等因素综合确定。它的设定旨在平衡人类用水需求与自然生态系统保护之间的关系，防止因过度取水导致的生态环境恶化，如河流断流、湿地萎缩、水生生物栖息地破坏等问题。以实现水资源的可持续利用和生态环境的长期保护。

生态流量管是一种专门用于保障河流生态流量的设施，它可以通过调节和控制水流，保证河流在枯水期或低流量期仍然能够维持一定的生态基流。

1.3“二合一”设计的理论依据

首先,从水资源的可持续利用角度来看,将发电引水隧洞与生态流量管相结合,可以最大化地利用水资源。水流通过发电引水管道（生态流量管）引至大坝下游阀室，阀室内设岔管，支管分别引流至小型发电机组和下游河道，不仅可以发挥水力发电的能源利用效益,还可以维持河道基本生态用水需求,实现资源的充分利用。这符合节约集约利用水资源、维护河流健康的可持续发展理念。

其次,从工程设计的角度来看,"二合一"设计可以有效地节省工程占地和投资成本。与分别修建发电引水隧洞和生态流量管相比,采用"二合一"设计可以将两者融合在一个工程体系之中,减少占地面积,降低工程投资。同时设计和施工工序也会更加简化,有利于工期和成本控制。

此外,"二合一"设计还有利于统一管理和运行维护。由于发电引水隧洞与生态流量管融为一体,所有设施都集中在同一工程体系内,便于实现集中统一的管理和维护,提高管理效率,降低运营成本。

总而言之,发电引水隧洞与生态流量管"二合一"设计贯彻了节约资源、保护生态、降低成本的理念,是一种高效利用水资源、协调经济发展与生态保护的创新设计方案,具有坚实的理论依据。

2 应用案例

为缓解马尼拉东部用水紧张问题，菲律宾在首都马尼拉大都会区东北部的黎刹省建设了Upper Wawa Dam项目，该项目是纳入“大建特建”的旗舰基础施工项目清单中WAWA大型供水项目的一部分，计划建成后将向卡拉维斯水处理厂输送518百万升/天的水。瓦瓦大坝为RCC重力坝，坝顶高程140.0m，正常蓄水高程135.0m，最大坝高86.0m，坝顶长度438.50m，共分24个坝段。其中，1~7#坝段坝轴线为直线型，8#~24#坝段坝轴线为圆弧型。大坝由中部溢流坝段和两侧非溢流坝段组成。大坝正常蓄水位EL.135，对应水库库容约1亿m³，大坝设计洪水标准为1万年一遇，导流建筑物洪水标准为10年一遇。

瓦瓦供水项目设计之初旨在为首都马尼拉供应优质水源，并无防洪、发电、灌溉等其他要求。在建设过程中，业主团队对比了当地电网价格后，决定设计变更，新增小型发电机组以满足上游泵站系统用电。

经过计算，仅870kw机组即可满足供水泵站设备及照明等全部用电需求，且与之对应的发电用水量也仅仅1.9m³/s以内，而保证马里基纳河下游生态平衡的生态流量仅为1.4m³/s，两者相差不大，最终确定生态流量管（兼发电引水压力钢管）管径为0.8m。由于小机组发电需求小，对发电机组及来水流量要求也随之降低，使得发电引水隧洞与生态流量管结合设计有了成功应用案例。

设计变更后的瓦瓦大坝项目不仅要解决首都马尼拉的供水问题，还增加了发电功能。项目团队结合发电引水隧洞与生态流量管的“二合一”设计理念，将小型发电机组与生态流量管结合在同一系统内，充分利用现有的工程设施和水资源，达到了资源最大化利用的效果。

该项目设计了专门的调节设施，以便在保证生态流量的基础上，最大程度地利用水流发电。在上游进水口，通过自动调节系统，根据下游河道的生态需求和电力需求，动态分配水流量，实现了生态保护与能源利用的双赢。这一创新设计在保证河道生态流量的同时，有效地利用了多余水资源进行发电，不仅节约了资源，还减少了工程成本。

3 管道布设方案

发电引水管道/生态流量管布置：为了充分发挥库区不同水位情况下发电以及确保下游生态用水的需求，本项目采用了多级进水口式生态流量管，从上到下依次设置4层进水口，每层管道均设有阀室及电动闸阀。通过不同高程的进水口阀室控制，即在满足下游生态流量需求，同时利用水位的落差进行发电。发电量满足大坝自身运行用电的基础上，同时向上游的供水泵站供电，使能源利用率最大化。

多层进水口是在坝大坝上游坝面同一断面不同高程分级设置进水口，由一根主管引出坝体至坝后，在坝后设置岔管，其中一道支管引向小型发电机组，引水发电由支管前端蝶阀控制；另一支管作为生态流量管流向河道，由阀室内闸阀控制。通过上述设计可以实现发电流量和生态流量的合理分配和调节，达到水资源综合利用。本工程多层进水口设计详见下图：

发电引水管道/生态流量管布置立面图（红色标记）

发电引水管道/生态流量管布置平面图（红色标记）

4 实施效果

4.1生态环境改善

通过实施“二合一”设计，瓦瓦大坝项目在提供稳定电力供应的同时，确保了下游河道的基本生态流量，显著改善了下游的生态环境，维护了河流的生态平衡，保护了水生生物的栖息地和生物多样性。

4.2资源利用效率提高

“二合一”设计提高了水资源的利用效率。与传统分开设计相比，综合引水隧洞和生态流量管的设计减少了水资源的浪费，实现了水资源的综合利用，提高了项目的整体效益。

4.3 经济效益显著

相比传统的单一设计方案,该方案减少了发电引水管道的建设,避免了两个分离设施各自占地、管线分布的重复投入。下文单列明直接减少的发电引水隧洞（发电引水钢管）施工的材料费、设备费、人工费（引用的单价为避免泄密已在合理范围内调整，仅供参考），其余误工费可由项目管理团队合理规划施工顺序弥补回来。由于本项目发电引水隧洞洞径要求1m左右，直接选择坝体埋设发电引水钢管方案，施工工期45天左右。

材料费：压力钢管26t，4250元/t；刷漆防腐3200㎡，45元/㎡；CVC混凝土（进口段）50m³,990元/m³；钢筋24t,5402元/t；变态混凝土（管身段）350m³,473元/m³；接触灌浆管320m，45元/m；接触灌浆1600㎡，160元/㎡。

材料费总计：4250*26+3200*45+990*50+5402*24+473*350+45*320+

160*1600=869598元

设备费：吊车1台245元/小时，电焊机2台，63元/台·小时，罐车1台712元/小时，混凝土输送泵1台613元/小时，振捣棒1台8.26元/小时。

设备费总计：245*1*3*2+63*2*8*25+712*1*3+613*1*3+8.26*1*3=30669.78元

人工费：1个工长（中方人员），495元/人·天；2个电焊工，265元/人·天；1个油漆工，1个钢筋工265元/人·天，1个模板工265元/人·天，1个浇筑工265元/人·天，1个灌浆工265元/人·天，3个操作手，155元/人·天，8个普工，110元/人·天。
人工费共计：495*1*45+265*2*30+265*1*7+265*1*25*3+245*1*7+

155*3*30+110*8*45=115170元。

经济效益：869598.00+30669.78+115170=1015437.78元≈101万元。

与传统的设计方案相比,发电引水隧洞与生态流量管"二合一"设计具有显著优势。"二合一"设计方案将发电引水隧洞和生态流量管合二为一,可以很好地解决传统设计通常将发电引水隧洞和生态流量管分别单独设置,这不仅增加了工程投资成本,而且也加大了占地面积,加剧对河岸带自然环境的破坏的问题。

5 结论与展望

发电引水隧洞与生态流量管“二合一”设计既满足发电需求又保障河流生态环境，体现了前瞻性和可持续性。该设计将发电引水隧洞和生态流量管融合，水流通过发电引水管道（生态流量管）引至大坝下游阀室，阀室内设岔管，支管分别引流至小型发电机组和下游河道。这样不仅实现了电力资源的合理利用，还维护了河流生态系统的正常运转，体现了工程建设与自然环境的和谐共存。从环境和经济效益看，该方案优于传统设计，具有广阔的应用前景，有助于在环保节能大潮下推动绿色水利工程的发展。未来，该设计可为水电站提供生态流量保障，维护河流生态平衡和生物多样性，同时最大限度利用水能资源，节约建设成本，提高发电效率。然而，进一步的研究仍需完善设计理论，改进施工技术，优化运行管理，建立科学的效益评估体系，并加强应用推广，以充分实现其可持续发展的目标。

参考文献

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