經(jīng)敏川

技術(shù)論壇

(新疆電力設(shè)計(jì)院，烏魯木齊 830000)

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木扎特河阿合布隆水電站壓力前池的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

經(jīng)敏川

技術(shù)論壇

(新疆電力設(shè)計(jì)院，烏魯木齊 830000)

摘要：水電站壓力前池的功能主要有：將引來(lái)的水均勻地分配給各壓力水管；當(dāng)水輪機(jī)引用流量迅速改變，在壓力水管中產(chǎn)生水擊時(shí)，水擊波受前池自由水面的反射，使水擊波僅限制在壓力水管中而不致引起過(guò)大的水擊壓力；當(dāng)壓力水管流量變化時(shí)，前池中也就立即相應(yīng)出現(xiàn)涌波或落波，而設(shè)于前池的側(cè)堰可以限制涌波的升高，前池的水體又可減小落波，因而可以減少非恒定流對(duì)引水渠道的不利影響；便于清除由引水渠道進(jìn)入的污物、泥沙、浮冰等，以減少對(duì)水輪機(jī)的影響。

關(guān)鍵詞：水電站；壓力前池；功能；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工程應(yīng)用

1概況

阿合布隆水電站地處拜城縣境內(nèi)，為徑流引水式電站，工程由引水渠首、引水渠、壓力前池、壓力管道、廠房、尾水渠、泄水陡坡、升壓站及生活區(qū)等部分組成。該水電站從木扎特河總干渠引水，設(shè)計(jì)流量45 m3/s，設(shè)計(jì)水頭40.6 m，通過(guò)3.47 km的渠道輸水至前池。河流泥沙主要來(lái)自汛期，多年平均含沙量2.88 kg/m3，經(jīng)過(guò)阿合布隆渠首排沙后，進(jìn)入引水渠的平均含沙量為0.425 kg/m3。該地區(qū)屬大陸性溫帶干旱氣候，多年平均氣溫為7.4 ℃，7月最熱平均氣溫為19.4 ℃，1月平均最冷氣溫為-10.8 ℃，最低氣溫的季節(jié)也有5.43 m3/s的流量，因此電站冬季也可以發(fā)電。

前池作為樞紐建筑物，主要承擔(dān)停機(jī)泄水、汛期排沙、運(yùn)行期清污、冬季排冰、壓力管進(jìn)水等功能，是保證電站順暢運(yùn)行的核心。

2壓力前池在阿合布隆水電站的應(yīng)用

2.1　前池工程布置

根據(jù)工程總體布置，采用正面引水發(fā)電，側(cè)向泄水排冰、排沙，閘門控制進(jìn)水方式，前池由以下各部分組成：

1)池身及漸變段：前池設(shè)漸變段(擴(kuò)散段)將引水渠道加寬加深，以保證壓力水管進(jìn)口水流平順，水頭損失小，不產(chǎn)生旋渦。

2)壓力水管進(jìn)口：采用岸塔式進(jìn)水口，閘門控制。

3)泄水道：采用側(cè)堰溢流，將多余的水量泄放至下游。

4)攔污柵、清污機(jī)、排砂廊道及排冰道等設(shè)施：用于攔阻及清除雜物，排除泥沙和冰凌。

前池平面布置及剖面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。

2.2　前池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1連接段

前池連接段長(zhǎng)24 m，底寬11.2 m，渠深4~5.08 m，縱坡i=1/2 000，引渠末端與前池連接處底板高程1 780.312 m。底板厚0.4 m，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。底板座落在砂礫石基礎(chǔ)上，兩側(cè)外邊墻均填筑而成，填筑頂寬0.5 m，填筑外邊坡1∶1.5，所有結(jié)構(gòu)縫及伸縮縫均采用兩道P651型止水橡皮。

2.2.2排冰閘及分水閘

本工程采用側(cè)向排冰、排砂、正面引水發(fā)電的布置形式，排冰閘與分水閘呈90°，排冰閘與引水渠布置在同一軸線上，排冰閘閘后與泄水側(cè)堰共同接寬5 m的矩形斷面泄水槽。

排冰閘采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共2孔，底板高程1 780.882 m，設(shè)檢修門和舌辨門各一道，檢修門孔口尺寸3.6 m×5.0 m，采用平板鋼閘門；舌辨門孔口尺寸3.6×5.0 m。分水閘也采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共1孔，底板高程1 776.732 m，設(shè)平板鋼閘門，門孔口尺寸1.5×1.3 m。

圖1壓力前池平面圖

圖2　壓力前池結(jié)構(gòu)圖

2.2.3前室

前室與一段縱坡為1/2000的梯形渠相連，前室長(zhǎng)49.5 m，寬11.2～15 m，水深6.84～9.19 m，前室邊墻和底板采用分離式結(jié)構(gòu)，邊墻為重力式擋土墻。底板厚0.4 mC25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。前室底板座落在砂礫石填方基礎(chǔ)上，一側(cè)外邊墻充當(dāng)溢流堰，堰長(zhǎng)49.5 m，采用實(shí)用堰，堰高6.99～9.34 m，為重力式擋土墻混凝土結(jié)構(gòu)，堰頂高程1 783.72 m，堰上水頭0.65 m，設(shè)計(jì)溢流45 m3/s。所有結(jié)構(gòu)縫及伸縮縫均采用651型止水橡皮。

2.2.4進(jìn)水室

進(jìn)水室長(zhǎng)23 m，寬17 m，底板高程1 776.38 m，頂高程為1 785.39 m，采用三孔進(jìn)水，單機(jī)單管運(yùn)行方式。每孔設(shè)一道攔污柵，采用回轉(zhuǎn)式清污機(jī)清除污物，進(jìn)水室采用C25鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，攔污柵段底板厚度2.0 m，邊墩及中墩厚1.0 m，孔口尺寸4.5×9.01 m，清污機(jī)后接一道排污道，后接泄水陡坡。壓力管道進(jìn)水孔口尺寸2.5×2.5 m。為保證機(jī)組正常運(yùn)行，在進(jìn)水室底板下設(shè)排沙廊道，廊道底高程1 774.38 m，比進(jìn)水室底高程低2.0 m。排砂廊道采用正向引水，側(cè)向排砂，泥砂進(jìn)入排砂廊道，經(jīng)沖沙閘進(jìn)入泄水陡坡。沖砂閘底板高程1 774.38 m，閘頂高程1 785.39 m，正向共設(shè)3孔進(jìn)水孔，進(jìn)口孔口尺寸為1.5×0.8 m，沖砂閘設(shè)在進(jìn)水室右側(cè)，長(zhǎng)4.5 m，寬5.6 m，設(shè)一道檢修閘門和一道工作門，閘孔尺寸1.5×0.8 m，均采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.3　前池水力計(jì)算

2.3.1側(cè)堰堰頂高程的確定

根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T 205—97)，側(cè)堰的堰頂高程略高于設(shè)計(jì)流量下水電站正常運(yùn)行的水面高程△h=0.1 m~0.2 m,本工程取△h=0.15 m。正常水位為1 783.57 m，因此堰頂高程為1 783.72 m。

2.3.2側(cè)堰堰頂長(zhǎng)度、堰上平均水頭的確定

以水電站突然丟棄全部負(fù)荷待水流穩(wěn)定后全部流量從側(cè)堰溢出為控制工況，計(jì)算側(cè)堰泄流能力按下列公式確定：

根據(jù)側(cè)堰公式：

(1)

式中：Q為流量，45 m3/s；ML為流量系數(shù)，取為0.384；H0為堰頂水頭，取0.65m。

計(jì)算得溢流堰總長(zhǎng)為49.5 m。

2.3.3壓力前池特征水位的確定

1)前池正常水位Z正常

根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》，以設(shè)計(jì)流量下水電站正常運(yùn)行的水位作為前池的正常水位。

Z正常=渠末渠底高程+渠道正常水深=1 783.57 m

(2)

2)前池最高水位Z最高

1.2.1 樣品采集 于2014年5月(初花期)在各樣地隨機(jī)采集5份植株、根際土壤和田間土壤，8月(成熟期)田間收集種子，并清選。分別裝于自封袋，標(biāo)記，冰桶冷藏條件下帶回實(shí)驗(yàn)室。

前池和引水渠內(nèi)的最高水位按設(shè)計(jì)流量下正常運(yùn)行時(shí)，水電站突然甩全部負(fù)荷時(shí)的最高涌波水位確定。側(cè)堰作為控制泄流建筑物，對(duì)涌波起到控制作用，其控制工況是：水電站甩滿負(fù)荷待水流穩(wěn)定后(涌波已消失)，全部流量從側(cè)堰益處時(shí)，將恒定流時(shí)的堰上水頭乘以1.2的系數(shù)，這時(shí)的水位定為最高涌波水位。

Z最高=堰頂高程△+1.2H堰

Z最高=1784.259m

(3)

3)前池最低水位Z最低

水電站突然增加負(fù)荷前前池的起始水位Z0減去突然曾荷時(shí)的最低涌波△hmax。起始水位Z0可取溢流堰頂高程，最低涌波△hmax按一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行突增到三臺(tái)機(jī)組即發(fā)電流量由10.0 m3/s突然增大到45 m3/s時(shí)的前池水位降落。

另一情況是設(shè)計(jì)頻率枯水期的最小發(fā)電流量，渠道正常運(yùn)行時(shí)的工況，同時(shí)最低運(yùn)行水位應(yīng)保證規(guī)范所要求的最小淹沒(méi)深度。

引水渠道中產(chǎn)生落波時(shí)，波的傳播速度Cn和涌波高度ζn按一下兩式聯(lián)立求解：

△Qn=CnBn'ξn

(4)

式中：△Qn為行進(jìn)波流量變化量；35 m3/s；Cn為波速,1.54m/s;Bn'為過(guò)水?dāng)嗝嬖诎氩ㄌ幍捻攲?；ξn為涌波高度。

波的傳播速度的公式為：

(5)

通過(guò)試算，得出起始斷面的涌波高度為1.51m。

電站進(jìn)水口最小淹沒(méi)深度計(jì)算公式為：

(6)

式中：h為門頂淹沒(méi)深度，m；C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.55；V為閘門斷面流速，1.62 m/s；a為閘門孔口高度，2.5 m。

經(jīng)計(jì)算，最小淹沒(méi)深度h=1.38 m，最低運(yùn)行水位應(yīng)保證規(guī)范所要求的最小淹沒(méi)深度。同時(shí)滿足以上兩個(gè)要求，前池最低水位確定為1 781.56 m。

4)沖砂閘水力計(jì)算

沖砂閘按孔口出流計(jì)算公式這：

(7)

式中：Q為過(guò)閘流量，m3/s；B為閘孔總凈寬，m；h為閘門開(kāi)啟高度，m；μ為孔口流量系數(shù)；δ為淹沒(méi)系數(shù)；ε為垂直收縮系數(shù)。

計(jì)算的孔口高度為1.2。

5)排冰閘過(guò)流能力計(jì)算

根據(jù)閘孔出流計(jì)算公式為：

(8)

式中：Q為流量，m3/s ；σs為淹沒(méi)系數(shù)，取為0.547；μ為無(wú)坎寬頂堰流量系數(shù)，取為0.609；b為閘孔寬，10m；H0為堰頂水頭，取2.5m；he為孔口高度3.6m；計(jì)算得Q=45.4 m3/s。

2.4　前池穩(wěn)定計(jì)算

主要包括抗滑、抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算和地基應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算分為4個(gè)工況：

1)第一工況：完建期。前池內(nèi)無(wú)水，計(jì)算荷載包括前池自重，金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備自重。

2)第二工況：運(yùn)行期。三臺(tái)機(jī)組發(fā)電，前池水深為正常水位1783.57m，計(jì)算荷載包括前池自重、水重、水壓力、揚(yáng)壓力。

3)第三工況：校核期。三臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷，前池水位達(dá)到最高水位1784.25m。計(jì)算荷載包括前池自重、水重、水壓力、揚(yáng)壓力。

4)第四工況：地震工況。三臺(tái)機(jī)組發(fā)電，前池達(dá)到正常水位1783.57m，計(jì)算荷載包括自重、水重、水壓力、揚(yáng)壓力、地震慣性力、地震動(dòng)水壓力。

①根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，驗(yàn)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式：

(9)

式中：k1為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為基礎(chǔ)底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；C為基礎(chǔ)底面與地基之間的抗剪斷黏結(jié)力，kPa；A為底面面積，m2。

②進(jìn)水室基底的應(yīng)力計(jì)算公式

根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和受力情況，基底壓力按下式計(jì)算：

(10)

式中：Pmin、max為進(jìn)水室基底壓力的最大值或最小值，kPa；A為進(jìn)水室基礎(chǔ)底面的面積，m2；∑M為作用在進(jìn)水室上的全部豎向和水平荷載對(duì)基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m； W為進(jìn)水室基礎(chǔ)底面對(duì)該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m2。

③驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式為：

(11)

式中：M抗為抗傾覆力矩；M傾為傾覆力矩。

以上計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1　主要計(jì)算成果匯總表

結(jié)論：通過(guò)計(jì)算分析，抗滑、抗傾覆穩(wěn)定滿足要求，地基應(yīng)力小于地基承載力350 kPa。

3結(jié)語(yǔ)

從工程運(yùn)行1 a的情況看，壓力前池基本達(dá)到了設(shè)計(jì)功能要求，運(yùn)行正常。由于前池上設(shè)有進(jìn)水閘、排冰閘、沖沙閘、撈污機(jī)等重要機(jī)械設(shè)備，需要運(yùn)行管理人員隨時(shí)監(jiān)控，及時(shí)排冰、排沙、清污，觀察前池水位變化及是否有異常情況，特別是在冬季，及時(shí)撈出冰塊及冰雪漂浮物，以免大量冰塊、雪塊進(jìn)入前池下沉而堵塞攔污柵及進(jìn)水口，確保前池安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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Design and Application of Ahabulong Hydropower Station

Pressure Forebay of Muzhate River

JING Min-chuan

(Xinjiang Electric Power Design Institute，Urumqi 830000，China)

Abstract：Major functions of hydropower station pressure forebay are to distribute evenly water converted to pressure pipes，to limit the water hammer wave in a pressure pipe without causing a large water hammer pressure when the flow rate used by turbine is changed rapidly to produce water hammer in the pressure pipes，the water hammer wave is reflected by the free surface of the front pool，to reduce the unfavorable impacts on diversion channel due to unsteady flow when pressure pipe flow changes,corresponding bore or wave down occurs in forebay，and side weir set in forebay may limit the lifting of bore and water body in forebay may reduce wave down，to remove dirt，sand and ice diverted from diversion channel so as to reduce the impacts on turbine.

Key words：hydropower station；pressure forebay；function；structure design；project application

[作者簡(jiǎn)介]經(jīng)敏川(1982-)，男，新疆烏魯木齊人，工程師，從事水利水電工程勘察設(shè)計(jì)工作。

[收稿日期]2015-03-05

中圖分類號(hào)：TV732.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1007-7596(2015)08-0036-04