吳相倫

（大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西石泉，725200）

石泉水電站水庫泄流方式對消力戽的影響

吳相倫

（大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西石泉，725200）

根據(jù)石泉水庫泄流方式，分析高速水流對石泉中孔消力戽和表孔消力戽空蝕影響，統(tǒng)計最近一次消力戽大修后泄流對消力戽的影響，并在洪水過后及時抽水檢查，進行驗證，將石泉消力戽的運行注意事項和損壞規(guī)律總結(jié)出來，指導(dǎo)今后的運行。

消力戽；石泉水庫；空蝕；影響

1 工程概況

石泉水電站位于陜西省石泉縣境內(nèi)的漢江上,是漢江上游最早建成的一座大（Ⅱ）型水電站，建于20世紀70年代初期。壩址以上控制流域面積23 400 km2，多年平均流量342 m3/s，設(shè)計洪峰流量21 500 m3/s。原電站裝機容量3×4.5萬kW，多年來平均發(fā)電量6.06億kW·h。石泉二期擴機工程利用原電站大壩在左岸開鑿引水隧洞，一洞兩機，在左岸邊布置廠房，2×4.5萬kW發(fā)電機組于2000年建成發(fā)電，目前石泉電站總裝機容量達5×4.5萬kW。水庫正常蓄水位410.00 m時，相應(yīng)庫容3.98億m3（2011年3月實測庫容為2.738億m3），為季調(diào)節(jié)水庫，死水位400.00 m，汛期限制水位405.00 m，設(shè)計洪水位410.29 m，校核洪水位415.21 m（2012年大壩定檢洪水復(fù)核水位）。

大壩為混凝土空腹重力壩，最大壩高65 m，壩頂長度353 m，壩基巖石為石英片巖。表孔4個，中孔5個，排沙孔2個，非常溢洪道1個，其中4個表孔和5個中孔消能方式主要以消力戽消能為主，也是國內(nèi)第一座采用消力戽消能的水電站。消力戽消能是利用泄水建筑物出流部分造成具有一定反戽半徑和較大挑角所形成的挑坎（亦稱戽斗），在下游尾水淹沒挑坎的條件下，使從建筑物下泄的高速水流在戽斗內(nèi)產(chǎn)生激烈的表面旋滾，并通過戽后的涌浪及底部旋滾獲得較大消能效果，但在泄洪過程中，不確定因素太多，特別是高速水流形成的空蝕對戽斗表面的沖刷磨損更嚴重，下文重點就石泉電站泄洪過程對表孔和中孔消力戽的影響進行探索。

2 水庫泄流方式

（1）當(dāng)預(yù)報入庫流量在3 000 m3/s以下時，以發(fā)電調(diào)度為主；當(dāng)庫水位在400～405 m時，控制下泄流量不大于入庫流量；當(dāng)庫水位在405 m左右時，控制下泄流量等于入庫流量。

（2）當(dāng)預(yù)報入庫流量在3000m3/s以上、10000m3/s以下時，以泥沙調(diào)度為主；水位在400 m左右運行，控制下泄流量小于入庫洪峰流量。

（3）當(dāng)預(yù)報入庫流量在10 000 m3/s以上時，以防洪調(diào)度為主。

（4）當(dāng)入庫流量等于或大于13 700 m3/s、且?guī)焖灰殉^405 m時，除小表孔外所有閘門全開。

（5）當(dāng)入庫流量等于或大于16 300 m3/s時，所有閘門全開，大壩呈自由泄流狀態(tài)。

3 消力戽歷年維修情況簡介

石泉電站消力戽自1986年汛前改造大修完成后，運行兩年，于1988年1月進行了第一次抽水檢查和局部維修，經(jīng)過9年運行后，于1997年進行了第二次大修。第二次大修處理環(huán)氧砂漿抹面891.68 m2，環(huán)氧膠液抹面1 361.35 m2；環(huán)氧砂漿抹面最大剝落厚度20 mm，非常溢洪道導(dǎo)墻混凝土最大沖蝕深度500 mm，露筋面積約3 m2。2009年進行抽水檢查，沖蝕、脫落面積達860.42 m2。2010年11月1日再次對消力戽進行第三次大修。

4 高速水流對消力戽空蝕影響

泄洪閘門開啟后，洪水在下泄過程中，空氣會大量滲入水流中，形成水氣混合物，這種混合物能加強消能作用，減輕水流對消力戽的沖擊力，但在高速水流下不確定因素太多，往往不是單純對消力戽消能的增加，而是形成空蝕，對消力戽的破壞力更大，特別是消力戽戽面年久失修，凹凸不平，這種情況形成的空蝕更為頻繁，對消力戽的破壞更大。判斷空蝕往往以空穴數(shù)σ進行判斷。

式中：p及v為水流未受到邊界局部變化影響處的絕對壓強及平均流速（理論情況下）；pv為蒸汽壓強；ρ為水的密度。

根據(jù)公式（1），絕對壓強越低，空穴數(shù)越小，發(fā)生空穴的可能性就愈大。當(dāng)σ值降至某一數(shù)值σi時即開始發(fā)生空穴，這個空穴數(shù)σi叫初生空穴。初生空穴數(shù)的大小隨邊界條件而異，對于某種邊界輪廓，初生空穴數(shù)是一個固定數(shù)值，通?？捎稍囼?zāi)Ｐ涂傻?。根?jù)水力學(xué)模型試驗的相似原理，石泉消力戽初生空穴數(shù)σi可取2.4，絕對壓強H2O，查得25℃蒸汽壓強為=0.323 m H2O，g= 9.8m/s2。根據(jù)公式（1）計算中孔和表孔空穴數(shù)見表1。

根據(jù)表1計算結(jié)果，中孔閘門只有在死水位400 m左右運行時開啟才會產(chǎn)生空蝕，形成對消力戽的影響。根據(jù)石泉水庫運行規(guī)則，除了在進行水庫排沙時，一般不會在400 m左右開啟中孔運行；表孔在任何水位運行下都產(chǎn)生空穴，特別是在低水位的情況下，空穴數(shù)遠遠大于初生空穴數(shù)，空蝕對消力戽的影響更加明顯。

表1 中孔、表孔在不同庫水位運行情況下對應(yīng)的空穴數(shù)Table 1 Cavitation numbers of middle and surface outlet under different reservoir water level

5 2011～2014年泄洪閘門運行情況統(tǒng)計

2010年11月份完成對所有消力戽大修后，經(jīng)過4年泄洪考驗，中孔及表孔閘門運行時間見表2。

6 2014年消力戽檢查情況

經(jīng)過4年的泄洪運行，2014年11月份組織專業(yè)人員對中孔及表孔消力戽進行水下檢查。檢查發(fā)現(xiàn)運行頻率較高的表孔1、表孔2戽面出現(xiàn)了損壞。

6.1 檢查方法

（1）本次水下檢查工程采用管供式空氣潛水進行水下目視檢查。潛水員配備管供式空氣潛水裝具、水下照明設(shè)備、水下攝像機、潛水電話和水下測量工具，水下攝像機通過攝像電纜與水面監(jiān)視器連接，確保檢查過程中水面監(jiān)控和水下檢查工作的同步。

表2 2011～2014年泄洪閘門運行情況統(tǒng)計表Table 2 Statistics of sluice gate operation from 2011 to 2014

（2）潛水員入水后，按照預(yù)先制定的行動路線，對指定的消力戽結(jié)構(gòu)進行檢查，憑借目視、觸摸等手段進行直觀判斷，并使用儀器、工具進行測量，同時將水下作業(yè)情況及數(shù)據(jù)通過攝像機和潛水電話傳輸給水面監(jiān)控人員。

（3）水面技術(shù)人員通過監(jiān)視器屏幕圖像與潛水員電話聯(lián)系，可對水下情況進行及時、直觀、準確的判斷，指揮潛水員對空蝕情況進行更詳細檢查，并完成水下圖像和聲音信號的錄制，形成永久性記錄資料。

6.2 檢查結(jié)果

6.2.1 3號、4號表孔消力戽及導(dǎo)墻檢查結(jié)果

檢查發(fā)現(xiàn)3號、4號表孔消力戽底板光滑平整，有2mm厚附著物；左右岸導(dǎo)墻完好，未發(fā)現(xiàn)任何破壞。

6.2.2 1號、2號表孔消力戽及導(dǎo)墻檢查結(jié)果

檢查發(fā)現(xiàn)1號、2號表孔消力戽底板有1處沖刷破壞，其余部分光滑平整，有1 mm厚附著物；右岸導(dǎo)墻與戽底板交界處有1處沖刷破壞，左岸導(dǎo)墻完好。

消力戽底板沖刷：1號、2號表孔消力戽底板，在壩下0+62.69、壩右0+200.54發(fā)現(xiàn)一處沖刷破壞，其上下游長29 cm，左右岸長22 cm，破壞最大深度14 cm，粗骨料裸露。

導(dǎo)墻沖刷：2號表孔消力戽右岸導(dǎo)墻與消力戽底板交界處，在壩下0+65.50發(fā)現(xiàn)一處沖刷破壞，其上下游長14 cm，高19 cm，破壞最大深度10 cm，粗骨料裸露。

6.2.3 4號、5號中孔消力戽及導(dǎo)墻檢查結(jié)果

檢查發(fā)現(xiàn)4號、5號中孔消力戽底板光滑平整，有1 mm厚附著物；左右岸導(dǎo)墻完好，未發(fā)現(xiàn)破壞。

6.2.4 1號、2號、3號中孔消力戽及導(dǎo)墻檢查結(jié)果

檢查發(fā)現(xiàn)1號、2號、3號中孔消力戽底板光滑平整，有3 mm厚附著物；左右岸導(dǎo)墻完好，未發(fā)現(xiàn)破壞。

7 結(jié)語

通過經(jīng)驗公式結(jié)合石泉水庫運行實況，統(tǒng)計分析得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)表1計算的結(jié)果，表孔比中孔戽面更容易遭到破壞，在最近一次抽水檢查中得到了驗證。

（2）為了減輕高速水流對戽面的侵蝕作用，應(yīng)該避免在低水位時開啟閘門泄洪。

（3）在相同因素下，泄洪時優(yōu)先考慮中孔泄洪，減輕空蝕對戽面的破壞。

（4）根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計方法可得，不考慮外界因素的情況下，表孔消力戽運行時間超過400 h，戽面即開始出現(xiàn)不同程度損壞，若考慮庫水位、氣溫、壓強等外界因素，可能會有所不同，建議建立長期監(jiān)測機制，以更清楚掌握具體的戽面所能承受的時間。 ■

[1]吳持恭.水力學(xué)·下冊[M].北京:高等教育出版社,2008.

[2]郭錫春.石泉水電站消力戽運行情況[J].水力發(fā)電學(xué)報, 2001(2):106-112.

[3]陳益琨,何璟.石泉水電站技術(shù)設(shè)計報告[R].1978.

作者郵箱：tooble@126.com

Influence of discharge modes on bucket dissipater of Shiquan reservoir

by WU Xiang-lun
Datang Shiquan Hydropower Plant

According to discharge modes of Shiquan reservoir,cavitation of high-speed flow on bucket dissipater of middle and surface outlet were studied.As well,influence of discharge and flood on bucket dissipater after the recent overhaul was researched.This paper summarized the operation points for at?tention and damage law of bucket dissipater of Shiquan reservoir,worthy reference in future operation.

bucket dissipater;Shiquan reservoir;cavitation;influence

TV653

B

1671-1092（2016）05-0025-03

2016-08-25

吳相倫（1984-），男，陜西鎮(zhèn)安人，工程師，目前任大唐石泉水力發(fā)電廠檢修公司主任工程師。