李春雨

（中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長春 130021）

貯灰場(chǎng)是火力發(fā)電廠的重要組成部分，其設(shè)計(jì)合理與否直接影響工程造價(jià)、機(jī)組安全運(yùn)行及所在地的環(huán)境保護(hù)等。七臺(tái)河發(fā)電廠的貯灰場(chǎng)位于七臺(tái)河市新市區(qū)正南，電廠的西南方向，距離電廠約16 km 的左家溝“U”形狹長山谷。灰場(chǎng)溝谷較開闊平坦，溝谷長約5km，縱向坡度1%～2%，溝口壩址處最低點(diǎn)自然地面高程為216.00m，兩側(cè)分水嶺高程在400.00m 以上，相對(duì)高差近200m，庫區(qū)容量很大。當(dāng)筑壩達(dá)到280.00 m 高程時(shí)，其庫容可達(dá)7 400×104m3。貯灰場(chǎng)流域面積大，洪水量大，貯灰場(chǎng)排水系統(tǒng)由排水豎井和排水管道組成的井管式排水系統(tǒng)，兼做貯灰場(chǎng)排洪系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)及排水井與排水管的匹配十分重要。

1 貯灰場(chǎng)的水文條件

貯灰場(chǎng)水文條件包括貯灰場(chǎng)流域地形、各頻率設(shè)計(jì)暴雨洪水、洪水過程等。貯灰場(chǎng)流域地形參數(shù)為流域面積32.3km2、河長9.85km、比降12.8‰，各頻率設(shè)計(jì)暴雨洪水結(jié)果見表1；貯灰場(chǎng)的洪水過程曲線見圖1。

灰場(chǎng)壩體按一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水頻率為1.0%，校核洪水頻率為0.2%?；覉?chǎng)排洪與排水系統(tǒng)采用井管式排水系統(tǒng)。設(shè)計(jì)壩高260.00m，貯灰限制標(biāo)高為256.70m。

表1 設(shè)計(jì)貯灰場(chǎng)各頻率暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)

圖1 貯灰場(chǎng)的洪水過程曲線

2 貯灰場(chǎng)內(nèi)水位與排水系統(tǒng)泄流量的關(guān)系

貯灰場(chǎng)內(nèi)水位較低時(shí)，排水井中的水位亦較低，排水井上為薄壁堰自由溢流，而排水管中為明渠流。當(dāng)貯灰場(chǎng)內(nèi)水位較高時(shí)，排水井中的水位亦較高，從薄壁堰上下泄的水舌被排水井中的水體淹沒，這時(shí)的薄壁堰為淹沒溢流，而排水管中為有壓管流。排水井上由薄壁堰自由溢流向淹沒溢流過渡時(shí)的孔流時(shí)間短暫。排水豎井進(jìn)流量按照薄壁堰自由溢流的界限流量計(jì)算［1］，見式（1）、（2）、（3）。

式中：QY為流量；m為流量系數(shù)；H為作用水頭；LY為溢流堰長度。

式中：δ為堰頂寬度；HY為溢流堰泄流水頭。排水管的泄流量Q按式（4）計(jì)算［1］。

式中：A為排水管過水?dāng)嗝?；μ為系?shù)。

式中：λ為沿程水頭損失系數(shù)；L為排水管長度；d為排水管管徑；ζ為局部水頭損失系數(shù)。

復(fù)核現(xiàn)有排水系統(tǒng)：排水井內(nèi)徑為3m，排水管直徑為1.8m。經(jīng)計(jì)算得出以下流量［2］關(guān)系式（6）、（7）。

3 貯灰場(chǎng)排水系統(tǒng)排水能力復(fù)核

該灰場(chǎng)壩體設(shè)計(jì)的等級(jí)按一級(jí)［3］設(shè)計(jì)，洪水頻率Ps＝1.0%，校核洪水頻率Pj＝0.2%?；覉?chǎng)排洪與排水系統(tǒng)結(jié)合，采用井管式排水系統(tǒng)，選定排水井直徑為3 000mm，排水管直徑為1 800mm。

a.設(shè)計(jì)洪水頻率Ps＝1.0%工況，貯灰場(chǎng)內(nèi)水位與排水系統(tǒng)泄流量的關(guān)系計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 Ps＝1.0%工況貯灰場(chǎng)內(nèi)水位與排水系統(tǒng)泄流量的關(guān)系

b.校核洪水頻率Pj＝0.2%工況，貯灰場(chǎng)內(nèi)水位與排水系統(tǒng)泄流量關(guān)系計(jì)算結(jié)果見表3。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出：對(duì)于設(shè)計(jì)洪水頻率Ps＝1.0%工況，在洪水歷時(shí)時(shí)段內(nèi)，排水系統(tǒng)可以排泄掉105.21×104m3，接近1/3洪水量?；覉?chǎng)內(nèi)最大洪水位為257.89m，可以調(diào)解洪水深度約330 mm。對(duì)于校核洪水頻率Pj＝0.2%工況，在洪水歷時(shí)時(shí)段內(nèi)，排水系統(tǒng)可以排泄掉114.99×104m3，接近1/4的洪水量?；覉?chǎng)內(nèi)最大洪水位為258.52m，可以調(diào)解洪水深度約500mm。

計(jì)算結(jié)果表明：灰場(chǎng)內(nèi)的水位高度對(duì)下泄流量影響較小，排水系統(tǒng)的泄洪能力受制于排水管的管徑。貯灰場(chǎng)內(nèi)的大部分洪水仍將蓄存在灰場(chǎng)內(nèi)，設(shè)計(jì)中需要留有足夠的蓄洪庫容。

4 排水豎井與排水管的匹配選擇分析

各種井徑和管徑排水系統(tǒng)的泄洪能力計(jì)算［4－5］結(jié)果見表4。

對(duì)表4中計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，排水豎井與排水管道匹配具有如下關(guān)系。

a.排水豎井直徑為2.5m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為1.4m、1.6m、1.8m；排水豎井直徑為3.0 m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為1.6m、1.8m、2.0m；排水豎井直徑為4.0m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為2.2m；排水豎井直徑為5.0m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為2.4m、2.6m；排水豎井直徑為6.0m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為2.6m。以上這些排水豎井與排水管直徑匹配。無論是排泄設(shè)計(jì)洪水還是校核洪水，在全部洪水歷時(shí)內(nèi)，當(dāng)灰場(chǎng)內(nèi)的洪水水位達(dá)到一定高度時(shí)，排水系統(tǒng)的泄洪過程是由堰流過渡轉(zhuǎn)換成管流狀態(tài)，最大泄量由排水管道斷面控制。排水豎井與排水管道匹配合理。

b.排水豎井直徑為3.0 m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為2.0m、2.4m；排水豎井直徑為4.0m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為2.4m、2.6m；排水豎井直徑為5.0m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為3.0m；排水豎井直徑為6.0m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為3.0m。以上這些排水豎井與排水管直徑匹配，當(dāng)排泄設(shè)計(jì)洪水時(shí)為堰流控制，即在全部洪水歷時(shí)內(nèi)，排水豎井的進(jìn)流量達(dá)不到排水管道的最大泄量。由于堰上水頭高度小，排水豎井的進(jìn)流量就小，排水管道始終不能形成壓力流；當(dāng)排泄校核洪水時(shí)為管流控制。由于洪水量增大致使堰上水頭高度增加，排水豎井的進(jìn)流量加大，排水系統(tǒng)的泄洪過程是由堰流過渡轉(zhuǎn)換成管流狀態(tài)，最大泄量由排水管道斷面控制。排水豎井與排水管道匹配一般。

表3 Pj＝0.2%工況貯灰場(chǎng)內(nèi)水位與排水系統(tǒng)泄流量

表4 各種井徑和管徑排水系統(tǒng)的泄洪能力計(jì)算結(jié)果

c.排水豎井直徑為3.0m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為2.6m；排水豎井直徑為4.0m，對(duì)應(yīng)匹配的排水管直徑為3.0m。以上這些排水豎井與排水管直徑匹配，無論是排泄設(shè)計(jì)洪水還是校核洪水均為堰流控制，說明排水豎井的直徑偏小，排水管道直徑偏大，排水系統(tǒng)的泄洪能力較差，井管匹配不合理。即在全部洪水歷時(shí)內(nèi)，排水豎井的進(jìn)流量達(dá)不到排水管道的最大泄量，即排水管道始終不能形成壓力流。排水豎井與排水管道匹配較差。

d.從表4可以看出，所有匹配工況庫內(nèi)的洪水位相差均較小，其主要原因是貯灰場(chǎng)的面積較大，導(dǎo)致灰場(chǎng)內(nèi)水深變化較小。

e.排水系統(tǒng)的泄洪水量與排水豎井和排水管的直徑有關(guān)，直徑越大，其總的泄洪水量越大；同時(shí)也與水流流態(tài)有關(guān)，當(dāng)為堰流控制時(shí)，排泄水量受排水豎井的進(jìn)流能力控制，排水管管徑的繼續(xù)增加并不能加大下泄流量。例如：在設(shè)計(jì)洪水工況，排水豎井直徑為3m 時(shí)，對(duì)于直徑大于2.2m 排水管其最大泄流量是相同的。本工程排水系統(tǒng)選用排水井直徑為3 000mm，排水管直徑為1 800mm 是合適的。

5 結(jié)語

對(duì)于山谷貯灰場(chǎng)，排水系統(tǒng)的設(shè)置與灰場(chǎng)區(qū)域的地形、匯水面積、洪水總量以及規(guī)劃壩體高度的總體穩(wěn)定等因素有關(guān)。合理選擇排水系統(tǒng)的排水井與排水管直徑，可以有效排放洪水，同時(shí)降低貯灰場(chǎng)的筑壩高度，降低工程造價(jià)。

排水豎井與排水管的合理匹配應(yīng)該滿足：在全部洪水歷時(shí)內(nèi)，排水系統(tǒng)的泄洪過程是由堰流轉(zhuǎn)換成管流狀態(tài)，最大泄量由排水管道斷面控制；分析庫內(nèi)水位變化，灰場(chǎng)內(nèi)的最高洪水位相差接近，泄水量接近，井管斷面尺寸最?。换覉?chǎng)內(nèi)存洪量越小，排洪時(shí)間越短，排洪能力越強(qiáng)；加大排水系統(tǒng)的排洪能力可以降低灰場(chǎng)內(nèi)的最高洪水位，減小蓄洪庫容。降低筑壩高度，減小壩體工程量；但加強(qiáng)排水系統(tǒng)泄洪能力時(shí)，排水系統(tǒng)工程量也增加，設(shè)計(jì)中需要合理選擇排水系統(tǒng)的井管匹配以及泄洪能力，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定；山谷貯灰場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有一定的蓄洪庫容，排水井的直徑一般選擇為2.5～3.0m，排水管直徑選擇為1.4～1.8 m 為宜。當(dāng)洪水量較大時(shí)，需要通過對(duì)排水豎井與排水管道進(jìn)行多種規(guī)格匹配計(jì)算，選擇合適的排水豎井與排水管道直徑。

［1］ 《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》編寫組.尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料［M］.北京：冶金工業(yè)出版社出版，1978.

［2］ 崔莉，楊景芳.七臺(tái)河電廠貯灰場(chǎng)排洪系統(tǒng)水力模型試驗(yàn)研究［R］.大連：大連理工大學(xué)，1997.

［3］ 張英.工程流體力學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［4］ DL/T 5339—2006火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ 李煒，徐孝平.水力學(xué)［M］.武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，2000.