卡群電站壓力前池防冰塞設(shè)計與試驗(yàn)研究

嚴(yán)躍成

新疆地處我國西北高寒地區(qū),冬季氣候寒冷,河道冰凍嚴(yán)重,冰凍期長達(dá)四個月之久。冬季引水式電站的冰凍與冰害問題是影響電站能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。而合理的設(shè)計和運(yùn)行管理正是解決冰凍問題的有效途徑。本文結(jié)合新疆卡群電站前池冬季輸排冰運(yùn)行的水工模型試驗(yàn),對引水式電站冬季輸排冰運(yùn)行條件和電站前池布局的合理性進(jìn)行探討研究。

1 卡群電站工程設(shè)計概況

卡群水電站是新疆境內(nèi)葉爾羌河西岸輸水總干渠上的一座中小型電站,裝機(jī)容量為3×7 000 kW,單機(jī)引用流量17.1 m3/s,電站引水渠設(shè)計流量為60 m3/s,冬季引用流量28 m3/s,電站冬季運(yùn)行時采用輸排冰運(yùn)行方式。輸冰運(yùn)行時使用兩臺機(jī)組,單機(jī)流量為14 m3/s,全部流量與水中的軟冰凌均用于發(fā)電;排冰運(yùn)行時使用一臺機(jī)組,單機(jī)流量為17.1 m3/s,剩余10.9 m3/s流量用來排冰,發(fā)電水與排冰水的比例為 1∶0.64。

壓力前池是引水式水電站冰害處理的最后一道防線,卡群電站前池原設(shè)計水力排冰方案采用正面排冰、側(cè)面引水方式,并在排冰閘前布置了長度為52 m的緩流渠段(也稱連接渠),斷面采用與排冰閘同寬的矩形渠道,進(jìn)水閘中心線與渠道中心線夾角為58°。原設(shè)計布置見圖1?？紤]到渠首有處理部分冰凌的能力,設(shè)計預(yù)估進(jìn)入電站引渠的冰流量約為0.4 m3/s～0.63 m3/s。

2 壓力前池防冰塞試驗(yàn)研究

2.1 正面排冰、側(cè)面引水試驗(yàn)研究方案

按原設(shè)計正面排冰、側(cè)面引水方案進(jìn)行試驗(yàn),前池模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計為正態(tài)整體模型,幾何比例為1∶20,冰的模擬采用工業(yè)石蠟內(nèi)摻20%的松香,使其達(dá)到天然冰的密度。試驗(yàn)結(jié)果表明,冬季引水流量為28 m3/s時,引渠的平均流速為1.4 m/s,大于輸冰流速,故大河進(jìn)入引渠的浮冰能順利輸移到連接渠。而連接渠內(nèi)由于水深增加、流速降低,平均流速為0.62 m/s,加之側(cè)向引水發(fā)電,主流與排冰水流分離,排冰閘前平均流速僅為0.56 m/s,小于排冰流速。另外,排冰閘的中墩采用頭部呈半圓形、寬度為3.4 m的厚型墩(占閘前水面寬度的1/3),增大了冰凌過閘的阻力,所以浮冰輸移至連接渠內(nèi)便形成表面冰塞,冰塞的前緣一直向上游推進(jìn)到連接渠與引渠交接處,此處流速較大,冰凌沿冰塞體的前緣下潛,最終當(dāng)浮冰厚度超過前池入口處導(dǎo)冰伐的深度時,冰凌進(jìn)入前池構(gòu)成危害。

卡群電站原設(shè)計方案符合《規(guī)范》要求,設(shè)置了緩流渠段(連接渠)使水流能平緩地進(jìn)入前池,但運(yùn)行時仍然出現(xiàn)冰塞現(xiàn)象。筆者認(rèn)為,《規(guī)范》中強(qiáng)調(diào)了以緩流改善流態(tài)的進(jìn)水條件,而沒有提及控制流速不小于輸排冰流速的條件。工程中常有壓力前池排冰受阻的問題,其原因之一就是緩流渠段流速過低,這也是卡群電站前池發(fā)生冰塞的主要原因。

通過原設(shè)計方案試驗(yàn)研究,筆者有以下幾點(diǎn)體會:

1)排冰閘前的緩流渠段,設(shè)計流速一定要大于臨界輸排冰流速,對于冰凌呈整片連續(xù)帶狀沿水面流動的情況,臨界輸冰流速可采用前蘇聯(lián)專家波達(dá)波夫的半經(jīng)驗(yàn)公式計算:VK=0.057?其中,VK為臨界輸冰流速;C為渠道的謝才系數(shù);h′為浮冰厚度;d為冰凌顆粒直徑。2)如采用側(cè)向引水,當(dāng)主流分離后,排冰水流的流速仍要滿足大于排冰要求。3)多孔排冰閘的中墩不宜設(shè)計成厚型墩,它對排冰有較大的阻力作用。中墩宜設(shè)計成頭部為流線型的薄型墩,以盡可能保持原有水面寬度為好。

總之,正向排冰側(cè)向引水方式的前池布局,一定要保證排冰閘前全程的水流流速不小于輸排冰流速,否則,連接渠內(nèi)還會因流速過小而發(fā)生冰塞,使排冰閘失去排冰效果。

2.2 正向排冰、正向引水試驗(yàn)研究方案

對原設(shè)計進(jìn)行修改,修改設(shè)計方案按《規(guī)范》8.2.2的要求:“首選正向排冰布置方式,并采用正向雙層式結(jié)構(gòu)布置形式”。考慮盡量使主流方向與冰凌運(yùn)動方向一致,所以修改方案選用了正向排冰、正向進(jìn)水后水流再轉(zhuǎn)向的布置方式,該方案也可以看成是正向雙層式結(jié)構(gòu)布置形式,見圖 2。

該試驗(yàn)結(jié)果表明,冰流量較小時(小于0.25 m3/s)冰凌尚可通過排冰閘,冰流量達(dá)到設(shè)計值時(0.4 m3/s～0.64 m3/s),浮冰在閘前扭坡段形成表面冰塞,冰塞體向上游發(fā)展延伸至引渠末端,上游冰凌在此處下潛,使冰塞體逐漸加厚,最終導(dǎo)致冰凌進(jìn)入前池。分析冰塞的原因,主要是排冰閘下層進(jìn)入前池的水流受左岸弧形導(dǎo)墻的頂托,左岸水流發(fā)生逆行,在排冰閘前形成大范圍的回流區(qū),回流寬度占水面總寬度的1/3,回流區(qū)流速小,易發(fā)生冰塞;另一原因是閘前緩流渠水深加大,流速降低,平均流速低于1 m/s,小于排冰流速,故形成冰塞體。

再次對卡群電站前池進(jìn)行修改,采用地區(qū)設(shè)計方案,仍然采用正向排冰、正向進(jìn)水雙層式結(jié)構(gòu)布置形式,它的特點(diǎn)是設(shè)置了裝配式隔板,使前池分為上下兩層,冬季使用上層池身斷面以提高流速,夏季將隔板翻起,以滿足前池調(diào)節(jié)庫容要求。該方案排冰閘與壓力管進(jìn)水閘重疊設(shè)置,排冰閘采用反向舌瓣門,見圖3。

該試驗(yàn)結(jié)果表明,盡管排冰閘有冰凌輸出,但上游來冰量大于前池排冰量,冰凌在前池累積逐漸形成表面冰塞并向上游推進(jìn),當(dāng)冰塞前緣到達(dá)流速較大的引渠末端時冰凌下潛,使前池的浮冰厚度逐漸增加,最終堵塞攔污柵。分析該方案冰塞的原因:1)當(dāng)冬季單臺機(jī)組運(yùn)行時,造成前池流態(tài)分布不均,有大片的回流區(qū),回流區(qū)表面形成冰塞體;2)排冰槽底過高,排冰閘前水流為淹沒出流,降低了排冰流速;3)進(jìn)水閘室的兩個中墩對排冰產(chǎn)生了阻礙作用。最終的修改方案是將圖2作進(jìn)一步改動,提高閘前流速,將扭面底坡坡度變緩,由1/16.5改為1/320,使該處水深減少、流速增大;讓冰凌順利輸移至排冰閘,在接近排冰閘處,再將底坡變陡,改為1/2的坡度,增加前池水深并減小水體紊動。經(jīng)測試,連接渠流速明顯提高,扭坡始端的表面流速為1.67 m/s,排冰閘前的表面流速為1.05 m/s且斷面流速分布均勻,可順利排除0.6 m3/s的流冰,此時的冰水比為1∶17。

3 防冰塞措施討論

1)對有排冰要求的前池設(shè)計,除按照《規(guī)范》8.2.2要求:“宜首選正向排冰布置方式,并宜采用雙層式結(jié)構(gòu)形式”,還必須使排冰閘前樞紐各段的水流流速不小于排冰流速,并使水流平穩(wěn)進(jìn)入前池。2)對于不同的冰水條件,臨界輸排冰流速是不同的,《規(guī)范》7.3.9中給出了輸排冰流速的下限“輸排冰流速不小于1.1 m/s”。筆者通過試驗(yàn)及原型觀測資料驗(yàn)證,1.1 m/s的輸排冰流速適用于浮冰厚度在20 cm以下的情況,當(dāng)浮冰厚度超過20 cm時,《規(guī)范》中無法定量給出輸排冰流速。3)筆者推薦使用波達(dá)波夫的半經(jīng)驗(yàn)公式來計算臨界輸排冰流速,通過工程實(shí)例驗(yàn)證,該公式的計算值與實(shí)測值相近,該公式適用于明渠均勻流。4)對《規(guī)范》8.2.4中提出的“排冰閘前應(yīng)布置一定長度的緩流渠段”,筆者建議補(bǔ)充:“緩流渠段的水面流速不得小于輸排冰流速”。5)為保證電站前池排冰設(shè)計的有效性,在理論分析的基礎(chǔ)上,對前池樞紐進(jìn)行水工模型試驗(yàn)是必要的。設(shè)計人員除了按照《規(guī)范》要求把握好總體設(shè)計思路外,還應(yīng)對樞紐中的每一渠段局部問題加以思考,如漸變段的邊坡、底坡設(shè)計、緩流渠段設(shè)計、排冰閘墩設(shè)計、前池庫容的形體設(shè)計、泄水排冰槽及陡坡的設(shè)計等問題,還應(yīng)考慮冬季機(jī)組非對稱運(yùn)行時流速分布不均對排冰的影響,盡量保證壓力前池上游順利輸冰、下游順利排冰。

4 結(jié)語

引水式電站冬季輸排冰運(yùn)行的關(guān)鍵因素是流速,其值應(yīng)大于臨界輸冰流速,臨界輸排冰流速值隨浮冰厚度的變化而變化,浮冰厚度越大所需的臨界輸冰流速越大。推薦使用波達(dá)波夫的半經(jīng)驗(yàn)公式計算輸排冰臨界流速;邊界條件也是影響水流流態(tài)乃至輸冰流速的重要因素,為了保證壓力前池,特別是排冰閘前的流態(tài)平穩(wěn),宜采用正向排冰布置形式,排冰閘應(yīng)盡量布置在壓力前池上游,以利于集中水流排冰?？紤]到前池樞紐布局的復(fù)雜性及水流邊界條件的變化,實(shí)際工程中的水流狀態(tài)很難用數(shù)值計算進(jìn)行模擬,為保證工程的安全運(yùn)行,筆者建議通過水工模型試驗(yàn),進(jìn)一步修改和完善設(shè)計方案。

[1] SL 211-2006,水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范[S].

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