引水式電站尾水渠設(shè)計(jì)探討

吳世元，趙 峰

（中國葛洲壩集團(tuán)股份有限公司勘測設(shè)計(jì)院，武漢 430223）

在電站設(shè)計(jì)中，一般盡可能降低尾水，以最大限度利用發(fā)電水頭，增加機(jī)組出力，從而增加發(fā)電［2-3］。在電站投產(chǎn)運(yùn)行后，若下游渠道淤積，可適當(dāng)清淤；若下游渠道沖刷掏空，尾水位降低，電站常處于不利運(yùn)行狀態(tài)［4］，需要相應(yīng)提出許多補(bǔ)救措施［1］。 因此，電站設(shè)計(jì)希望尾水位不因下游渠道的沖刷而降低。且引水式電站的廠房一般和大壩相距較遠(yuǎn)，廠房尾水和上游大壩溢流流量相互疊加，電站尾水渠水位不完全受水輪機(jī)發(fā)電流量控制，這對計(jì)算尾水渠的特征水位帶來一定困難。

以新疆塔吉克二級電站為例，提出了計(jì)算尾水渠特征水位的方法，并解決了電站尾水因下游渠道沖刷而降低的問題。

1 工程概況

塔吉克二級水電站位于皮山縣垴阿巴提塔吉克民族鄉(xiāng)境內(nèi)，為兩壩址（康艾孜河上及阿克肖河上）一廠址（兩河匯流處），兩廠房合建的引水式電站。采用無壓引水隧洞，經(jīng)前池接壓力鋼管，鋼管交匯于廠房內(nèi)。電站采用混流臥式水輪機(jī)組，各裝3臺機(jī)（2大1小）?？蛋魏右畽C(jī)組設(shè)計(jì)流量：15.5×（6.46+6.46+2.58）m3/s； 阿克肖河引水機(jī)組裝機(jī)容量：16.2×（6.48+6.48+3.24）m3/s；電站廠房位于康艾孜河及阿克肖河交匯處，尾水排入下游河道。

2 電站尾水渠布置

電站廠房位于康艾孜河及阿克肖河交匯處河灘，尾水接尾水渠排入下游河道。尾水渠與電站廠房縱向平行。為提高發(fā)電能力，尾水渠渠底出口基本與下游河道平齊。

3 特征尾水位常規(guī)計(jì)算方法弊端

3.1 兩種特征尾水位常規(guī)計(jì)算

（1）尾水渠與下游河道距離較長（>1km），且下游水位較低，尾水渠相對較高，尾水渠內(nèi)水位不受下游河道頂托。一般直接按照明渠均勻流計(jì)算尾水渠內(nèi)水位。

（2）尾水渠與下游河道距離較近，尾水渠內(nèi)水位受下游河道頂托，先按照下游河道常年枯水位確定尾水渠最低運(yùn)行水位。然后由電站滿發(fā)流量，根據(jù)下游河道水位流量關(guān)系，確定電站最高尾水位。

3.2 弊端

尾水渠與下游河道距離較近，尾水渠內(nèi)水位受下游河道頂托。當(dāng)下游河道沖刷嚴(yán)重時(shí)，最低尾水位小于設(shè)計(jì)值，電站常處于不利運(yùn)行狀態(tài)［4］；當(dāng)上游擋水建筑物溢流與電站發(fā)電尾水流量疊加時(shí)，會使實(shí)際最高尾水位大于設(shè)計(jì)最高尾水位，減小機(jī)組發(fā)電量。

4 采用有坎寬頂堰后特征尾水位計(jì)算

4.1 最低尾水位確定

廠房最低尾水位對應(yīng)的最小流量根據(jù)水輪機(jī)運(yùn)行方式確定，本工程實(shí)際為兩個(gè)電站廠房（各裝3臺機(jī)）合建，由于兩個(gè)電站運(yùn)行方式較為獨(dú)立，可以按照其中一廠房內(nèi)裝機(jī)3臺來確定，根據(jù)水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊［6］，取較小的1臺機(jī)組的額定流量（康艾孜小機(jī)組滿發(fā)）Qmin=2.58m3/s。

廠房最低尾水位取實(shí)測常年枯水位2340.40m，由圖1可知，電站尾水渠末端設(shè)寬頂堰，考慮堰上下游水位差0.1m［7］，渠內(nèi)最低尾水位取2340.50m。

圖1 斜坡式進(jìn)口的寬頂堰

4.2 有坎寬頂堰設(shè)計(jì)

為平順過流，并減少水頭損失，采用斜坡式進(jìn)口的寬頂堰，如圖1［5］。

上游尾水渠內(nèi)渠底高程取平均渠底高程2337.73m，渠內(nèi)水位取尾水位2334.50m，H+P=2334.50-2337.73=2.78m，根據(jù)已知的流量計(jì)算上游行進(jìn)流速，上游傾角θ取30°，先假定上游坎高P，并查《水力計(jì)算手冊》表3-2-1［5］計(jì)算相應(yīng)的流量系數(shù)m，再根據(jù)堰流公式計(jì)算過流能力，直到計(jì)算出的Q等于已知Qmin=2.58m3/s為止。由此計(jì)算出上游坎高P=2.54m，相應(yīng)的上游堰頂高程為2337.73+2.54=2340.27m。設(shè)計(jì)引水渠末端寬頂堰斷面如圖2。

圖2 尾水渠末端寬頂堰斷面

4.3 最高尾水位確定

最高尾水位對應(yīng)的最大發(fā)電流量為所有機(jī)組滿發(fā)，Qmax=15.5+16.2=31.70m3/s。采用已設(shè)計(jì)的寬頂堰，假定堰上水深H，并查表《水力計(jì)算手冊》3-2-1［5］計(jì)算相應(yīng)的流量系數(shù)m，再根據(jù)堰流公式（此時(shí)，下游水位通常較低，不考慮淹沒σ=1.0）計(jì)算過流能力，直到計(jì)算出的Q等于已知Qmax=31.70m3/s為止。由此計(jì)算出堰上水深H=1.23m，相應(yīng)的尾水渠內(nèi)最高尾水位為2340.27+1.23=2341.50m。

5 計(jì)算方法對比

采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，不利于充分發(fā)揮機(jī)組的最大出力效率。

尾水渠后增設(shè)有坎寬頂堰，當(dāng)電站尾水渠下游渠道沖刷時(shí)，電站的最低尾水位也不會發(fā)生變化，從而保證了電站的運(yùn)行［4］；而電站的最高尾水位也不會因?yàn)橄掠吻浪唤档投档?，從而保證了水輪機(jī)的有效出力。

6 結(jié)語

（1）很多電站只是在下游渠道沖刷較大時(shí)，才在下游設(shè)計(jì)雍水堰［4］。本文以新疆塔吉克二級水電站尾水渠設(shè)計(jì)為例，未雨綢繆地設(shè)置了雍水堰，并給出了具體設(shè)計(jì)方法。

（2）在尾水渠末端修建的寬14m的寬頂堰，解決了工程實(shí)際中遇到的相關(guān)問題，且工程量極小，有利于相關(guān)設(shè)計(jì)人員借鑒。

［1］陳野鷹.水口電站尾水位下降治理技術(shù)及壅土堰設(shè)計(jì)［J］.水電能源科學(xué)， 2010， 28（8）：113-114.

［2］肇磊.降低尾水位提高發(fā)電效益［J］.農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2007，27（5）：107-109.

［3］梁福林.梯級水電站降低尾水位增加發(fā)電效益研究［J］.水電能源科學(xué)， 2010， 28（8）：123-126.

［4］林家洋.淺談尾水位降低對機(jī)組運(yùn)行安全性的影響［J］.福建電力與電工， 2008， 28（4）：41-43.

［5］武漢大學(xué)水利水電學(xué)院.水力計(jì)算手冊（第二版）［K］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［6］水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊（水力機(jī)械）［K］.北京：水利電力出版社，1983.

［7］SL 265—2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.