□ 羅景弘
底流式消能工程一般比較常見于低水頭水閘結(jié)構(gòu),我們在進(jìn)行該型式消力池設(shè)計時,確定消力池尺寸的控制條件情況是比較復(fù)雜的,它與水閘上、下水位差,過閘單寬流量、下游水深、閘門開啟方式,閘門開啟速度和下游水位能否迅速抬高等因素有關(guān),還與啟閉機(jī)的選擇有關(guān)。如果我們能設(shè)計一種合理的、簡便易操作的閘門操作型式,則有可能大大節(jié)省消能工程的工程量。
某水電站閘壩為該電站的主要擋、泄水建筑物,閘壩設(shè)有15孔閘孔,單孔凈寬12m,正常工作水頭為6.5m,水頭6.10m, 堰面是寬頂堰型式,在閘門全部打開或閘門開度超過e/H=0.65時, 水流呈寬頂堰型式過流, 在閘門相對開度為e/H=0.65時,水流呈閘孔出流型式。原設(shè)計采用4臺移動式啟閉機(jī)控制水閘調(diào)度。
由于該樞紐是低水頭工程,且堰頂高程較低( 河床平均高程為7.78m,堰頂高程為8.20m), 當(dāng)上游水位為正常蓄水位△14.5m時,閘門在任何開度下控泄流量,下游水深都不具備形成面流的條件。因此,閘壩確定選用底流消能的方式。
閘壩的運行方式必須滿足整個樞紐的運行條件。根據(jù)分析,有如下四種情況:
(一)當(dāng)天然來水小于機(jī)組引用發(fā)電流量時, 全部來水用于發(fā)電,閘壩閘門不開啟。
(二)當(dāng)天然來水超過引用發(fā)電流量時, 多余部分由閘壩宣泄。
(三)當(dāng)天然流量大于1 000m3/s時,停止發(fā)電,閘門全開泄洪。
(四)當(dāng)電站可能出現(xiàn)突然停機(jī)事故, 為確保下游不至斷水停航和不至使上游水位上升而造成閘門漫頂,必須緊急開啟閘門,放泄當(dāng)時的發(fā)電流量。
表一
根據(jù)表一知,當(dāng)單孔閘門開啟時,消力池的控制尺寸為4×25.5m。如此規(guī)模的消力池不但工程量大,而且施工非常困難,因為整個閘壩和消力池都是建在沙基上的,多深挖1米, 都會使圍堰和防滲的工程量大幅度增加,那么,如何才能使消力池尺寸盡可能地減少呢?
對表一進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),閘門開啟的高度越小,則消力池的深度越淺,長度也越小,但下泄流量也相應(yīng)地減少。通過對整個樞紐運行調(diào)度情況及江河流量~水位關(guān)系曲線進(jìn)行分析,當(dāng)天然來水流量超過1 000m3/s時,電站閘下水位將達(dá)到10.88m以上,這時電站不發(fā)電,全部水量都由閘壩宣泄。我們假如將閘壩閘門全部都開啟e/H=0.1的開度, 此時整個閘壩的下泄流量將接近1 000m3/s的流量,而此時下游水位將會迅速地抬高,增加下游水深,對消力池的影響亦會隨下泄流量的增加而減少。此時,再將閘門開度加大,宣泄1 000m3/s或更大的流量,消力池的結(jié)構(gòu)也不會受到破壞。通過對閘壩閘門統(tǒng)一開度、不同孔數(shù)泄洪的水力計算得出:當(dāng)所有閘門開度都統(tǒng)一為e=0.1H的情況下,閘壩閘門開9孔以上,下泄水流將發(fā)生淹沒式水躍。這一結(jié)果證實了我們的假設(shè)。由此我們可以得出一個思路,可以選取閘門一定開度所對應(yīng)的消力池長度和深度為控制條件,通過閘門的靈活調(diào)度來同時滿足樞紐泄流和消力池功能。經(jīng)過一系列典型的泄流工況進(jìn)行的水力計算,我們得出各種情況下消能的尺寸,如表二:
表二
我們確定取消力池長為16.5m,池 深2.2m(相 應(yīng) 開 度e/H=0.1,e=0.65m),然后再按各種可能出現(xiàn)的正常工況進(jìn)行復(fù)核計算.
水電站二臺(發(fā)電)機(jī)組正常運行時攔河閘壩、閘門開啟調(diào)度表,見表三。
表三
當(dāng)Q>1 000m3/s時,全部閘門均勻開啟,各閘門開度差不得大于0.65m。
另外,我們又根據(jù)幾種可能出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)組非正常運行工況進(jìn)行了閘門開啟調(diào)度計算,得出結(jié)論如下:
(一)當(dāng)天然來水Q來小于水輪機(jī)組相應(yīng)80%保證出力時的83m3/s時,出現(xiàn)事故突然停機(jī)(此工況為最不利工況),閘壩必須同時開啟4扇閘門,至下泄流量等于當(dāng)時發(fā)電流量時止,閘門最大開啟度為0.25m。
(二)當(dāng)83m3/s≤Q來<178m3/s(單機(jī)滿載發(fā)電額定流量)時,出現(xiàn)事故突然停機(jī),4臺啟閉機(jī)同時開啟閘門,至開度0.25m時止,啟閉機(jī)移動開啟另4扇閘門,8扇閘門開啟度不大于0.25m。
(三)當(dāng)178m3/s≤Q來<356m3/s(兩臺機(jī)滿載發(fā)電額定流量)時, 4臺啟閉機(jī)同時操作開啟閘門,至開度0.55m時止,啟閉機(jī)移動開啟另4扇閘門,即8扇閘門開啟度不大于0.55m。
(四)當(dāng)356m3/s≤Q來<600m3/s時,4臺啟閉機(jī)同時開啟,至閘門開度0.65m時,停止開啟,啟閉機(jī)移動開啟另4扇閘門,閘門開啟度不大于0.65m。
(五)當(dāng)600m3/s≤Q來<1 000m3/s時,閘門開啟度不大于1.30米(開度差不大于0.65m)。
按綏江河典型洪水過程線,來水流量由400m3/s漸變到1 000m3/s時差為5小時以上;由1 000m3/s漸變到P10%、P5%、P3.33%。洪峰流量時差均超過17小時,同時綏江干流沿線設(shè)有完善的洪水測報系統(tǒng),洪峰由上游古水站傳播到壩址需16小時,故上述調(diào)度方式可滿足運行要求。
上述消力池尺寸經(jīng)省水利科學(xué)研究院水工模型試驗驗證,在增加消力齒及消力墩后,池深修改為2.0m,池長為16.5m, 射流過渡段7.39m。另外經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟(jì)比較, 電站閘壩閘門啟閉機(jī)最后選用15 臺固定式啟閉機(jī)而取消原4臺移動式啟閉機(jī)方案,使得閘壩閘門調(diào)度運行更靈活,效率更高,電站建成試運行后,我們通過規(guī)范閘壩閘門調(diào)度方式, 閘壩使用至今效果良好。