何江濤

(新疆電力設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830000)

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奎屯河十級水電站壓力前池設(shè)計(jì)

何江濤

(新疆電力設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830000)

壓力前池作為水電站有效運(yùn)行的重要建筑物之一，其設(shè)計(jì)的合理與否對水電站安全有著直接影響。以奎屯河十級水電站為研究對象，首先對壓力前池進(jìn)行了系統(tǒng)的敘述，隨后通過方案比選獲得了適宜的壓力前池設(shè)計(jì)方案，并對其相關(guān)參數(shù)與主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作出分析。圖2幅。

水電站；壓力前池；設(shè)計(jì)；方案比選

1 概 述

1.1 壓力前池介紹

壓力前池是設(shè)置在水電站引水渠與壓力管之間的連接建筑，在小型水電站中極為常見。通過壓力前池不僅可以增強(qiáng)水電站發(fā)電水流的壓力，提升發(fā)電效果，還可以有效隔絕出水流中攜帶的各類雜物，避免其進(jìn)入發(fā)電機(jī)，造成安全事故，同時也可以有效降低水流流動時的波動?？偟膩碚f，壓力前池極大地便利了發(fā)電站的發(fā)電準(zhǔn)備工作。

1.2 壓力前池的構(gòu)成

(1)前室與進(jìn)水室。前室是位于渠道與進(jìn)水室之間的建筑構(gòu)造物，有一定的水流調(diào)節(jié)作用，避免因前室空間的突然增大而引起水流流速的激增出現(xiàn)漩渦。進(jìn)水室是前室后方具有一定寬度與深度的空間(大于渠道寬、深)，有一定的蓄水功能。

(2)壓力墻。位于壓力前池的進(jìn)水口，是1堵閘墻，有一定的攔截效果。

(3)泄水建筑。目前常用的是側(cè)堰與虹吸式泄水道，兩者各有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，需依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

(4)排冰、排沙、排污建筑。這些建筑物主要是針對水流中攜帶的冰凌、泥沙、污物等會危害發(fā)電安全的雜物設(shè)置，具體設(shè)置需依據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境狀況予以決定。

2 工程概況

奎屯河十級水電站是1座引水式水電站，電站自奎屯河總干渠5+934樁號處引水，發(fā)電后尾水渠投總干渠7+950處，設(shè)計(jì)水頭24.9 m，設(shè)計(jì)保證率80%，設(shè)計(jì)流量26.4 m3/s，裝機(jī)容量3×1 850 kW，年發(fā)電量2 029萬kW·h。

奎屯河位于東經(jīng)84°44′～84°50′，北緯44°10′～44°51′之間，發(fā)源于依連哈比爾尕山的西段，屬高山融冰、融雪及降雨補(bǔ)給類型的內(nèi)陸河流，河道全長320 km。根據(jù)奎屯河新渠首站徑流資料分析，多年平均流量19.5 m3/s，多年平均徑流總量6.17億 m3,徑流年際變化不大，年內(nèi)分配不均，徑流主要集中在6～8月，枯水期在2～4月。此外，奎屯河屬于多泥沙河流，泥沙來源主要是流域內(nèi)水流對河道的沖蝕及季節(jié)性積雪融化和降水匯流過程中對匯流面的侵蝕。根據(jù)分析，懸移質(zhì)年均含沙量1.187 kg/m3，多年平均輸沙量77.62萬t。鑒于此，該水電站需同時考慮前池的排冰與排沙效果，壓力前池的設(shè)計(jì)也就顯得尤為重要。

3 設(shè)計(jì)方案比選

依據(jù)奎屯河十級水電站周邊地質(zhì)環(huán)境資料，針對其壓力前池?cái)M定了2種設(shè)計(jì)方案。

(1)方案1。壓力前池正面引水發(fā)電，側(cè)面溢流、排沙、排冰(見圖1)。正面設(shè)置閘門進(jìn)行引水，井水室結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，同時前池的側(cè)墻可兼做溢流堰，能有效減少前池的長度。不足：引水閘門冬季的開關(guān)極為不便；止水效果有限，當(dāng)電站不發(fā)電時，斷流會由于止水的不嚴(yán)而不徹底；通過側(cè)墻進(jìn)行排沙作業(yè)效果不佳。成本估算：通過計(jì)算，方案1大致需花費(fèi)255萬元。

圖1 方案1壓力前池結(jié)構(gòu)示意

(2)方案2。壓力前池正面溢流、排沙、排冰，側(cè)面引水發(fā)電(見圖2)。進(jìn)水口采用虹吸式進(jìn)水，不僅避免了冬季運(yùn)行不便現(xiàn)象的出現(xiàn)，還可有效徹底地進(jìn)行斷流作業(yè)，同時采用正面排冰、排沙，應(yīng)用效果極佳。不足：進(jìn)水口采用虹吸式，其施工極為繁瑣，施工周期較長。成本估算：通過計(jì)算，方案2大致需花費(fèi)162萬元。

圖2 方案2壓力前池結(jié)構(gòu)示意

通過對經(jīng)濟(jì)效益、施工技術(shù)、施工周期等多種因素的綜合比較分析，最終選擇了方案2。

4 相關(guān)參數(shù)計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 水力計(jì)算

(1) 正常水位確定。以設(shè)計(jì)流量為標(biāo)準(zhǔn)，由于該電站壓力前池為非自動調(diào)節(jié)渠道，故前池水位同引水渠水位相同，經(jīng)測算為638 m。

(2) 最高水位確定。以電站突然甩全部負(fù)荷時的最大涌波高度為準(zhǔn)：

(1)

式中，ξn為涌波高度(m)；Qn為行進(jìn)波流量的變化量(m3)；Cn為波速(m/s)；Bn為過水?dāng)嗝嬖诎氩ㄌ幍捻攲?m)。

經(jīng)過測算，電站突然甩全部負(fù)荷時壓力前池最高水位為642 m。

(3)最低水位確定。最低水位應(yīng)為枯水期正常發(fā)電所需的最小流量，此時水位必須達(dá)到進(jìn)水口最小的淹沒深度要求。經(jīng)實(shí)際測算，前池枯水期最低水位為636 m，水電站進(jìn)水口最小淹沒高度為634 m，前者高于后者，滿足實(shí)際需求。

4.2 虹吸道參數(shù)計(jì)算

進(jìn)水口斷面長寬分別為3 m和2.7 m，斷面面積為8.1 m2。依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)口斷面A1與喉道斷面A0之比為2～2.5，即A0介于3.24～4.05 m2之間，虹吸流道從進(jìn)口斷面到喉道斷面寬度不變，喉道斷面寬b0為2.7 m，則h0介于1.2 ～1.5 m之間，取h0為1.3 m。此外，喉道斷面的底部高層應(yīng)比最大前池水位高15 cm，所以其高度為642.15 m，進(jìn)口斷面和喉道斷面間的水平距離與其高度之比L/P=0.7～0.9，P=6.5 m，L取5 m，圓漸變段長度取6.0 m。

4.3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)前室。初擬前室凈寬8 m，池長50 m，進(jìn)口段設(shè)八字墻銜接，長度16 m，縱坡為1∶4，前室底板縱坡確定為3%。前室末端設(shè)溢流堰，采用“┐┌”型對稱布置，單側(cè)堰長15 m，總長 32 m，堰后接退水排沙閘，閘門采用潛孔閘門，寬×高初擬為1.5 m×2.0 m，設(shè)15 t螺桿式啟閉機(jī)1臺。

(2)進(jìn)水室。進(jìn)口設(shè)擋沙坎，坎高0.92 m；虹吸流道由方變圓，進(jìn)口截面B×H=2.7 m×3.0 m，駝峰處截面B×H=2.7 m×1.25 m，駝峰下游漸變段長6 m，圓管直徑為1.8 m。虹吸流道上部為鋼筋混凝土梁，下部為混凝土、漿砌石填充，兩側(cè)為毛石混凝土重力墻，駝峰頂部設(shè)工作房，內(nèi)設(shè)真空排氣閥。

(3)連接段。確保冰凌漂浮的平順，減少渠道中水流熱量的損失是電站冬季運(yùn)行中的重點(diǎn)之一。依據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，當(dāng)水流流速介于0.8～1.5 m/s之間時，水中的冰處于漂浮前進(jìn)狀態(tài)；而當(dāng)水流流速高于或低于這一區(qū)間時冰凌就會翻滾前進(jìn)或粘結(jié)淤阻渠道，對發(fā)電站的正常發(fā)電產(chǎn)生干擾。鑒于此，連接段與引水渠道的銜接應(yīng)盡量平緩，漸變段長度設(shè)置為30 m，段底高程同渠道尾端底部高程相同，漸變段擴(kuò)散角為4°，底部寬度從8 m逐漸擴(kuò)展到12 m。為確保冰凌可快速通過此段進(jìn)入排冰閘，連接段底部采用1∶1的坡度將水廊道與漸變段連接。

(4)排冰閘。為確保排冰閘在各種條件下均可有效工作，其進(jìn)出口軸線同渠道軸線相重合并使用分層引水的形式，整個排冰閘寬為12 m，上部為舌瓣門，下部為引水渠道。此外，為確保冰閘內(nèi)水流的全部平穩(wěn)下泄，舌瓣門底板入口高程設(shè)置為與渠道尾端底部高程相同。

(5)進(jìn)水廊道。進(jìn)水廊道位于排冰閘底部，進(jìn)口中心線同引水渠道相重疊，出口則以30°的彎道段與前池相連，彎道半徑為52 m；廊道底部寬高分別為12 m和3 m。此外，廊道上部還應(yīng)布設(shè)與排冰閘相連的排冰溢流道，溢流道寬度為12 m，溢流道左側(cè)再布設(shè)長24 m的溢流堰以避免電站停機(jī)時發(fā)生溢流事故。

5 結(jié) 語

奎屯河十級水電站參照相似地區(qū)工程實(shí)踐，通過對比分析，最終確定了正面排冰、排沙，側(cè)面引水發(fā)電的壓力前池設(shè)計(jì)方案。這種布設(shè)方式不僅有效縮減了工程投入成本，還很好地改善了冬季電站引水排冰工作，提升了電站工作效率，避免由于結(jié)冰而影響電站的正常運(yùn)行。水電站建成投產(chǎn)運(yùn)行至今，壓力前池排冰、排沙效果顯著，為發(fā)電站正常、有序運(yùn)行提供了良好的保障。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2014-12-26

何江濤(1980-)，男，工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)與設(shè)計(jì)工作。 E_mail：469250167@qq.com