王程，康麗，王穎倩

（1.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300204；2.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

南水北調(diào)中線天津干線渠首電站水力設(shè)計

王程1，康麗2，王穎倩2

（1.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300204；2.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

主要介紹了天津干線渠首電站工程的水力設(shè)計過程，采用“陡坡+消力池”的結(jié)構(gòu)型式與下游銜接，從而提高陡坡輸水安全性，使總體布置更加合理。

南水北調(diào)；天津干線；渠首電站；水力設(shè)計

1 工程概況

天津干線為南水北調(diào)中線一期工程的重要組成部分，西起總干渠西黑山節(jié)制閘，東至外環(huán)河出口閘，全長155.5km，設(shè)計流量50m3/s，加大流量60m3/s。天津干線依靠65m的地形自然落差自流輸水，其中上游占全長7%（10.65km）的無壓段采用小斷面的無壓箱涵輸水，其占地形落差的60%（39m），而天津干線渠首部在穿西黑山與東黑山埡口之后的600m的地段地形落差25m，該段線路在可行性研究階段及初步設(shè)計階段均采用了“陡坡+消力池”結(jié)構(gòu)型式與下游銜接。

從天津干線輸水的安全可靠性考慮，目前東黑山陡坡輸水無論設(shè)計成單線雙槽或雙線單槽再接消力池消能的型式，主要問題均是高速水流長期經(jīng)陡坡沖刷而下，再經(jīng)消力池消能。這種常年運行方式，建筑物的損壞幾率很高，維修時間長、工作量大。如采用雙線單槽方案，可利用其中1條輸水線路設(shè)置電站，在正常輸水時，通過電站發(fā)電消能后，尾水與天津干線無壓箱涵平穩(wěn)銜接；而電站線路出現(xiàn)故障不能發(fā)電時，可通過陡槽經(jīng)消力池消能后輸水，以實現(xiàn)電站線路輸水發(fā)電為主、陡槽線路輸水為輔，主輔結(jié)合的雙線輸水功能，以確保安全可靠地向天津輸水。

干線渠首電站設(shè)計水頭26m，裝機容量13.5MW，年發(fā)電量6064萬kW·h，主要建筑物有引水渠、前池、壓力管道、電站廠房及尾水池、尾水渠等。

2 水力設(shè)計

2.1 電站運行工況簡介

電站發(fā)電運行應(yīng)滿足輸水要求，輸水仍以西黑山進口閘弧門開度控制輸水流量；在正常發(fā)電運用工況下，以輸水流量60m3/s均勻流水位為沿線正常水位，為滿足電站增減及丟棄負荷運用需要，在分水閘后設(shè)溢流側(cè)堰，堰頂高程較正常水位高0.15m。當小流量輸水時，以溢流堰尾部正常水位為定水位運行，則水面線呈a1型壅水曲線，流入前池時水位將高于60m3/s流量水位。

發(fā)電服從輸水，增減流量由輸水調(diào)度確定，當增加流量時渠首閘門先行操作，當渠道水流穩(wěn)定并行成溢流后再增加引入流量發(fā)電。當減小輸水流量時，先行減小電站發(fā)電流量，形成溢流后再操作進口閘減小流量。電站前池及高壓管道按單機開啟增加電站負荷確定沿線最低水位和壓力，按全部機組滿發(fā)丟棄負荷確定沿線最高水位和壓力。

2.2 引水渠及前池水力計算

電站引水渠段上游接輸水改線段的上游連接段，為1孔寬6.0m縱坡1/800矩形槽，該段主要包括進口檢修閘、溢流側(cè)堰、引水渠三段。在進口檢修閘后、引水渠道左側(cè)設(shè)一寬50m溢流側(cè)堰。本文主要介紹引水渠—壓力前池系統(tǒng)恒定流及溢流側(cè)堰水力計算。

2.2.1 引水渠道恒定流水力計算

引水渠內(nèi)引水流量為Q=60m3/s時，渠內(nèi)水流接近均勻流狀態(tài)，正常水深為3.017m。

結(jié)合南水北調(diào)天津干線進口閘定水位運行。隨著引水流量減小，電站引水渠中的水流為緩流，水面線以a1型壅水曲線為主，前池內(nèi)水位逐漸壅高，采用恒定漸變流公式推算水面線：

渠道末端底高程59.015m，不同流量引水渠末端水深及前池內(nèi)水位計算結(jié)果見表1。

表1 不同流量引水渠末端水深及前池水位

2.2.2 溢流側(cè)堰水力計算

對于前池或引渠設(shè)一道側(cè)堰的布置，當電站在設(shè)計流量下正常運行，側(cè)堰不溢流；當水電站突然甩全部負荷時，待水流穩(wěn)定后全部流量從側(cè)堰溢出，為控制工況。溢流側(cè)堰長度為50m，溢流規(guī)模60m3/s，相應(yīng)堰上平均水頭為0.827m。

2.2.3 前池水力計算

壓力前池正常水位近似取引水渠道通過水電站最大引用流量時渠末的正常水位62.032m。壓力前池最高水位，應(yīng)按照設(shè)計流量下正常運行時，水電站突然甩全部負荷時的最高涌波水位確定。前池最低水位可根據(jù)水電站運行要求確定，一般前池最低水位為電站突然增加負荷前前池的起始水位減去突然增荷時的最低涌波。水電站突然甩負荷或增負荷時，在引水渠道系統(tǒng)中所產(chǎn)生的正涌波或負涌波，可采用行進波方法來計算。

式中ξn為涌波高度（m）；B′n為過水斷面在半波處頂寬（m）；Bn0為斷面n－n處初始水面寬度（m）；An0為斷面n－n處初始過水斷面面積（m2）；vn0為斷面n－n處初始平均流速（m/s）。

對于逆行波，根號外取“-”號；對于順行波，根號外取“+”號；對于正涌波，根號內(nèi)取“+”號；對于負涌波，根號內(nèi)取“-”號。經(jīng)計算，正涌波波高2.20m，負涌波波高1.07m。壓力前池最高水位取為64.228m，最低水位取為60.962m。

為保證水電站進水口上緣應(yīng)有一定的淹沒深度，防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦。經(jīng)計算，最小淹沒深度為4.40m，確定電站進水口上緣高程56.5m，進水口底板頂高程為52.0m。

2.3 壓力管道水力計算

壓力管道水力計算包括水錘計算和水頭損失計算，并通過計算初步判定是否應(yīng)設(shè)置調(diào)壓室。本文主要介紹壓力管道的水錘計算。

2.3.1 上游調(diào)壓室設(shè)置判定

設(shè)置上游調(diào)壓室的條件，作初步判別即：

式中Tw為壓力水道中水流慣性時間常數(shù)（s）；Li為引水系統(tǒng)各分段的長度（m）；Vi為各分段內(nèi)相應(yīng)的流速（m/s）；Hp設(shè)計水頭（m）；［Tw］為Tw的允許值，取為4s。

經(jīng)計算，Tw＝3.39s，小于允許值，故本工程不設(shè)置調(diào)壓室。

2.3.2 壓力管道水錘計算

本階段主要計算末端壓力鋼管的水錘壓力以確定壓力管道最高及最低壓力線。

2.3.2.1 壓力管道水錘波的傳播速度

式中ε為水的彈性模量，ε=2.1×104（kg/cm2）；E為管壁的彈性模量，E鋼=2.1×106（kg/cm2）；D為壓力管道的內(nèi)徑（mm）；δ為管壁厚度（mm）。

經(jīng)計算，α＝790.45m/s。

2.3.2.2 判別水錘壓力型式

2L/α＝0.56s＜τs＝5s，即壓力水管中發(fā)生間接水錘。經(jīng)計算水管的最大流速為3.77m/s。壓力管道兩特性常數(shù)包括管道系數(shù)ρ和管道斷面系數(shù)σ。

式中H為水電站靜水頭（m）；V為管道中水流流速（m/s）；Ts為導(dǎo)葉關(guān)閉時間，取Ts=10s。

經(jīng)計算，ρ＝6.08，σ＝0.34。本工程產(chǎn)生水錘為間接水錘中的末相水錘。

2.3.2.3 水錘壓力及其分布計算

經(jīng)計算，壓力管道末端最大設(shè)計水頭為35.19m。

2.4 尾水池及尾水渠道水力計算

尾水池末端設(shè)一高1.228m，寬21.40m實用堰，以便尾水池內(nèi)尾水與下游尾水渠道內(nèi)水流能較好銜接。

尾水渠道為一孔5.5m×4.3m無壓箱涵，經(jīng)計算，不同流量尾水池及尾水渠道進口水位見表2。

3 結(jié)語

（1）水面線推求可采用簡化方法進行計算，計算精度可以滿足工程設(shè)計要求。

（2）側(cè)堰段的水流為復(fù)雜的三維流動，用一維流水力學(xué)方法進行計算，只能得到近似的結(jié)果。

（3）對重要工程或條件復(fù)雜的布置宜進行水工模型試驗，以驗證水力設(shè)計的合理性，并根據(jù)水工模型試驗結(jié)果對工程設(shè)計進行優(yōu)化。

表2 不同流量尾水池及尾水渠道進口水位

［1］吳持恭.水力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1982.

［2］李煒.水力計算手冊［K］.北京：中國水利水電出版社，2006.

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Hydrodynamic Design of Canal-head Hydropower Station of Tianjin Trunk Line in Mid-route of South-North Water Transfer

WANG Cheng1,KANG Li2,WANG Ying-qian2

（1.Tianjin Municipal Water-Conservancy Survey and Design Institute,Tianjin 300204，China）
2.Hebei Research Institute of Investigation and Design of Water Conservancy and Hydropower,Tianjin 300250，China）

This article mostly introduces the hydrodynamic design of Canal-head Hydropower Station of Tianjin trunk line. The design use the structural style of“the steep slope section and stilling pool”to join the lower river,it can enhance the security of water delivery in steep slope section,and make the general dispose more reasonable.

South-North water transfer;Tianjin trunk line;Canal-head Hydropower Station;hydrodynamic design

TV222

A

1672-9900（2012）03-0060-03

2012-04-12

王程（1983-），男（漢族），湖北益陽人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計工作，（Tel）13821225166。