四川省某水電站發(fā)電效益優(yōu)化水工模型試驗(yàn)研究

王 斌,包中進(jìn),屠興剛,徐 崗

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

隨著水利工程的不斷發(fā)展,優(yōu)勢(shì)資源日趨減少,中低水頭的徑流式電站已逐步成為水電開發(fā)的重點(diǎn)。對(duì)于徑流式水電站而言,燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組研究已經(jīng)較為成熟,應(yīng)用非常普遍,因此在水電站的設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí),側(cè)重點(diǎn)往往在于建筑物布置的合理性,特別是電站進(jìn)水口以及下游尾水渠等建筑物的布置方式,對(duì)減小水頭損失、提高發(fā)電水頭及改善電站效益具有直觀顯著的效用[1-2]。

本文以四川省某水電站為例,通過物理模型試驗(yàn),觀測(cè)了電站上、下游的水流流態(tài)及水面線,探索電站進(jìn)水口及尾水渠布置方式對(duì)于改善電站效益的作用。

1 工程概況

該水電站工程任務(wù)為發(fā)電和旅游。水庫正常蓄水位為1 079.50 m,相應(yīng)庫容為130萬m3,電站為河床式電站,設(shè)計(jì)水頭為6.16 m,采用2臺(tái)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組,電站滿負(fù)荷發(fā)電流量320 m3/s,裝機(jī)容量為2×8.5 MW。建筑物沿壩軸線從左至右依次為13孔泄洪閘、1孔沖砂閘、2臺(tái)機(jī)組廠房壩段和安裝間(見圖1)。

圖1 工程平面布置示意圖

電站尾水渠位于閘下河道右岸,明渠總長約1 000 m,底寬約66 m,現(xiàn)狀渠底平均高程為1 070.50 m左右,較主河道平均底高程1 072.00 m低,為防止泄洪時(shí)主河道內(nèi)的泥沙進(jìn)入尾水渠內(nèi),設(shè)計(jì)在尾水渠左側(cè)設(shè)置混凝土直立擋墻。當(dāng)汛期來流量超過900 m3/s時(shí),尾水渠參與河道行洪。

電站自投入運(yùn)行以來,存在上游進(jìn)水口水頭損失較大、攔污柵前發(fā)生吸氣漩渦以及下游尾水位明顯較高等現(xiàn)象。在發(fā)電流量250 m3/s工況下,庫區(qū)至攔污柵前的水位差為0.21m,尾水位較設(shè)計(jì)值高0.72 m以上,經(jīng)估算,電站發(fā)電水頭僅為設(shè)計(jì)值的84%,年發(fā)電收益降低了約350萬元,已明顯影響到電站效益的正常發(fā)揮[3]。

2 研究方法及模型驗(yàn)證

根據(jù)對(duì)象特點(diǎn)及研究目的,本文采用正態(tài)水工模型開展研究,模型幾何比尺為1∶35。模型上游模擬至庫區(qū)樁號(hào)0+320m附近,下游模擬至樁號(hào)1+500 m附近(尾水渠出口以下330 m左右),全長約1 820 m。建筑物則模擬了電站流道及進(jìn)出水口、攔沙坎、沖沙閘及其臨近的8孔泄洪閘室[4]。

考慮尾水渠河床原型糙率約為0.031,因此物理模型糙率采用梅花型加糙法處理,驗(yàn)證工況流量為250m3/s,驗(yàn)證結(jié)果見圖2。由圖2可知,尾水渠水位整體與實(shí)測(cè)資料吻合較好,試驗(yàn)成果可用于電站效益優(yōu)化分析。

圖2 尾水渠水面線驗(yàn)證圖

3 電站尾水渠布置優(yōu)化

由于實(shí)測(cè)電站流量250 m3/s工況時(shí),電站尾水池水位為1 073.22m,較設(shè)計(jì)計(jì)算值高了0.72 m,是影響電站效益的主要因素,為此,試驗(yàn)首先針對(duì)尾水渠開展了優(yōu)化布置研究。

3.1 現(xiàn)狀布置方案

現(xiàn)狀工況尾水渠試驗(yàn)實(shí)況見圖3,結(jié)合圖2可知,電站滿發(fā)流量320 m3/s時(shí),出水口至樁號(hào)0+900 m附近水面較為平緩,水面平均比降約為0.07%,水流在尾水渠前段壅高明顯,局部河段擋墻頂存在側(cè)向溢流,樁號(hào)0+650 m斷面的渠道平均流速約1.6m/s。而樁號(hào)0+900m以下河段的水面線比降則增至0.24%,水流在尾水渠末端明顯擴(kuò)散,流態(tài)較急,樁號(hào)1+168m斷面平均流速約3.1 m/s。尾水渠以下河道開始全斷面過水,水面逐步恢復(fù)平緩,平均比降約為0.09%。

以上結(jié)果表明,尾水渠左側(cè)擋墻高度以及渠道內(nèi)的過水?dāng)嗝媸侵萍s尾水渠順暢出流的關(guān)鍵因素,受現(xiàn)狀條件限制以及為了防止行洪時(shí)主河道泥沙進(jìn)入尾水渠內(nèi),試驗(yàn)提出了在尾水渠左側(cè)擋墻開孔分流、尾水渠底高程疏浚及開孔疏浚相結(jié)合的3種優(yōu)化布置方案。

圖3 現(xiàn)狀工況尾水渠試驗(yàn)實(shí)況圖

3.2 優(yōu)化布置方案

3.2.1 擋墻開孔方案

擋墻開孔方案是指在電站尾水池以下75 m位置的擋墻上開孔,為保持擋墻穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)安全,采用每間隔5 m開1孔的方案,每孔寬度亦為5 m,孔底高程1 071.50 m,試驗(yàn)分別對(duì)開5孔總25 m方案、10孔總50 m方案以及15孔總75 m三個(gè)方案進(jìn)行了觀測(cè),此時(shí),主河道水位約為1 072.05 m。試驗(yàn)實(shí)況見圖4,沿程水面線見圖5。

圖4 尾水渠開孔方案試驗(yàn)實(shí)況圖

由圖5可知,開孔分流能夠較為有效地降低電站尾水池內(nèi)的水位。開孔后,尾水渠內(nèi)水流流態(tài)與現(xiàn)狀工況基本相似,孔口位置水流基本為自由出流。在電站滿發(fā)流量工況時(shí),開孔 25,50,75 m的孔口分流量約 25%,29%,43%,尾水池內(nèi)(電站出口位置,下同)的水位分別降低了約0.42,0.60,0.70 m,降為1 073.07,1 072.90,1 072.79 m。但3種尾水渠擋墻開孔分流方案未能使電站尾水達(dá)到設(shè)計(jì)水位1 072.50 m。

圖5 尾水渠開孔方案沿程水面線圖

3.2.2 尾水渠底高程疏浚方案

根據(jù)實(shí)測(cè)地形資料,現(xiàn)狀尾水渠樁號(hào)0+168.45～0+288.45 m底高程為1 069.50 m,樁號(hào)0+300.94～1+396.20 m底高程約為1 070.50 m。因此,疏浚方案起始位置選在0+288.45 m斷面,并按縱向底坡1∶500疏浚至樁號(hào)1+230.00 m?？紤]到渠道左側(cè)擋墻基礎(chǔ)安全及右側(cè)景觀柱的穩(wěn)定,疏浚開挖位置與擋墻、景觀柱間各預(yù)留了一定的安全距離。試驗(yàn)地形高程及水面線見圖6。

試驗(yàn)結(jié)果表明,疏浚后尾水渠內(nèi)水位降低較為明顯,雖然水面線仍較為平緩,但由于過水?dāng)嗝娴脑龃?渠道內(nèi)流態(tài)整體有所改善,水面無明顯跌落現(xiàn)象。電站滿發(fā)流量時(shí),尾水池水位較現(xiàn)狀工況降低了0.81 m,降為1 072.69 m,但仍未達(dá)到設(shè)計(jì)水位1 072.50 m。

圖6 尾水渠疏浚方案沿程地形及水面線圖

3.2.3 尾水渠疏浚兼開孔方案

為進(jìn)一步降低電站尾水池內(nèi)水位,試驗(yàn)在尾水渠疏浚方案基礎(chǔ)上,對(duì)尾水池左側(cè)擋墻進(jìn)行開孔分流研究?？紤]到疏浚后尾水渠內(nèi)水位已有所降低,渠道內(nèi)外水位差減少,開孔效果有所減弱,現(xiàn)將孔底高程由方案1開孔25 m時(shí)的1 071.50 m降為1 071.00 m,開孔起始位置由樁號(hào)0+243.4 m位置上移至尾水池左側(cè)樁號(hào)0+086.00 m斷面,開孔寬度及間距仍為5 m。為防止汛期主河道泥沙進(jìn)入電站尾水池內(nèi),擬采用閘門控制對(duì)分流孔進(jìn)行管理。試驗(yàn)分別觀測(cè)了開2孔共10 m寬、4孔20 m寬及6孔30 m寬3組方案。試驗(yàn)水面線見圖7。

試驗(yàn)表明,疏浚兼開孔后,電站尾水流態(tài)基本沒有改變,且由于尾水池內(nèi)水位與外側(cè)主河道水位1 072.05 m較為接近,孔口流態(tài)基本為淹沒出流,過流能力相對(duì)較低。

電站滿發(fā)工況時(shí),疏浚兼開孔10 m、疏浚兼開孔20 m及疏浚兼開孔30m孔口分流流量分別為9%,17%,26%;尾水池內(nèi)的水位較現(xiàn)狀工況分別降低了約0.88,0.94,1.02 m,僅疏浚方案分別降低了0.07,0.14,0.21 m,尾水池內(nèi)水位達(dá)到1 072.62,1072.55,1 072.48 m。因此,在電站滿發(fā)工況時(shí),疏浚兼開孔10m、疏浚兼開孔20 m方案尾水位仍略高于設(shè)計(jì)水位1 072.50 m,疏浚兼開孔30 m方案則能夠達(dá)到設(shè)計(jì)水位要求。

圖7 尾水渠疏浚兼開孔方案沿程水面線圖

4 電站進(jìn)水口布置優(yōu)化

從現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn),電站上游進(jìn)水口存在繞流、水面跌落以及攔污柵前發(fā)生吸氣漩渦等現(xiàn)象,進(jìn)水口附近存在約0.21 m的水頭損失,影響了電站出力。其次,吸氣漩渦還容易引起機(jī)組氣蝕破壞、結(jié)構(gòu)物振動(dòng)及攔污柵被漂浮物損壞等危害,從而影響機(jī)組出力及電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因此,試驗(yàn)首先在電站攔污柵前分別增加了2道消渦橫梁,間距約為3 m,通過橫梁破壞了漩渦的形成條件,從而保證了前池水流流態(tài)的穩(wěn)定。消渦后,庫區(qū)至攔污柵前的水頭損失降低為0.15 m,消渦梁試驗(yàn)照片見圖8～9。

另外,現(xiàn)狀攔沙坎高1 074.0 m,寬90.0m;連接的進(jìn)口導(dǎo)墻長35.0 m,高1 079.5 m,進(jìn)水口水面流態(tài)有一定繞流及跌落。為增加電站進(jìn)水口攔沙坎的過流斷面,改善進(jìn)水口流態(tài),試驗(yàn)分別將沖沙閘左側(cè)導(dǎo)墻超過攔沙坎高程部分縮短了1/3,2/3,1(見圖10)。試驗(yàn)結(jié)果表明,導(dǎo)墻縮短后,庫區(qū)至電站前池水頭損失分別降低為0.15,0.08,0.07m,因此,推薦將導(dǎo)墻縮短2/3。

圖8 攔污柵前消渦前試驗(yàn)實(shí)況圖

圖9 攔污柵前消渦梁試驗(yàn)實(shí)況圖

圖10 電站進(jìn)水口導(dǎo)墻優(yōu)化示意圖

5 結(jié) 語

發(fā)電水頭是徑流式水電站保證出力的關(guān)鍵因素之一,本文通過物理模型試驗(yàn),對(duì)四川某電站上游進(jìn)水口及下游尾水渠進(jìn)行了優(yōu)化改造。

試驗(yàn)結(jié)果表明,在電站滿發(fā)工況時(shí),電站上游進(jìn)水口水頭損失減少了0.13 m,下游尾水位最大降低了1.02 m,相當(dāng)于增加了1.15m發(fā)電水頭,較設(shè)計(jì)水頭效益提高了約18.6%,相當(dāng)于400萬元左右的年收益。因此,此次研究取得了預(yù)期效果,研究方法及優(yōu)化措施可為其它中低水頭徑流式電站設(shè)計(jì)及改造提供參考。

[1]包中進(jìn),徐崗.提高徑流式電站發(fā)電效益的技術(shù)探討[J].浙江水利科技,2007(6):16-18.

[2]肇磊.降低尾水位提高發(fā)電效益 [J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2007(5):107-109.

[3]王斌.攀枝花市米易縣城南水電站電站進(jìn)出口優(yōu)化布置水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.

[4]中華人民共和國水利部.SL 155—95模型試驗(yàn)規(guī)程 (水工常規(guī))[S].北京:中國水利水電出版社,1995.