石泉水電站水庫(kù)泄流方式對(duì)消力戽的影響

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(kù)泄流方式對(duì)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(kù)泄流方式，分析高速水流對(duì)石泉中孔消力戽和表孔消力戽空蝕影響，統(tǒng)計(jì)最近一次消力戽大修后泄流對(duì)消力戽的影響，并在洪水過(guò)后及時(shí)抽水檢查，進(jìn)行驗(yàn)證，將石泉消力戽的運(yùn)行注意事項(xiàng)和損壞規(guī)律總結(jié)出來(lái)，指導(dǎo)今后的運(yùn)行。

消力戽；石泉水庫(kù)；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(jì)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(jì)洪峰流量21 500 m3/s。原電站裝機(jī)容量3×4.5萬(wàn)kW，多年來(lái)平均發(fā)電量6.06億kW·h。石泉二期擴(kuò)機(jī)工程利用原電站大壩在左岸開(kāi)鑿引水隧洞，一洞兩機(jī)，在左岸邊布置廠房，2×4.5萬(wàn)kW發(fā)電機(jī)組于2000年建成發(fā)電，目前石泉電站總裝機(jī)容量達(dá)5×4.5萬(wàn)kW。水庫(kù)正常蓄水位410.00 m時(shí)，相應(yīng)庫(kù)容3.98億m3（2011年3月實(shí)測(cè)庫(kù)容為2.738億m3），為季調(diào)節(jié)水庫(kù)，死水位400.00 m，汛期限制水位405.00 m，設(shè)計(jì)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(zhǎng)度353 m，壩基巖石為石英片巖。表孔4個(gè)，中孔5個(gè)，排沙孔2個(gè)，非常溢洪道1個(gè)，其中4個(gè)表孔和5個(gè)中孔消能方式主要以消力戽消能為主，也是國(guó)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(méi)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(guò)戽后的涌浪及底部旋滾獲得較大消能效果，但在泄洪過(guò)程中，不確定因素太多，特別是高速水流形成的空蝕對(duì)戽斗表面的沖刷磨損更嚴(yán)重，下文重點(diǎn)就石泉電站泄洪過(guò)程對(duì)表孔和中孔消力戽的影響進(jìn)行探索。

2 水庫(kù)泄流方式

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

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

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

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

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

3 消力戽歷年維修情況簡(jiǎn)介

石泉電站消力戽自1986年汛前改造大修完成后，運(yùn)行兩年，于1988年1月進(jìn)行了第一次抽水檢查和局部維修，經(jīng)過(guò)9年運(yùn)行后，于1997年進(jìn)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(jìn)行抽水檢查，沖蝕、脫落面積達(dá)860.42 m2。2010年11月1日再次對(duì)消力戽進(jìn)行第三次大修。

4 高速水流對(duì)消力戽空蝕影響

泄洪閘門開(kāi)啟后，洪水在下泄過(guò)程中，空氣會(huì)大量滲入水流中，形成水氣混合物，這種混合物能加強(qiáng)消能作用，減輕水流對(duì)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(duì)消力戽消能的增加，而是形成空蝕，對(duì)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(duì)消力戽的破壞更大。判斷空蝕往往以空穴數(shù)σ進(jìn)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(duì)壓強(qiáng)及平均流速（理論情況下）；pv為蒸汽壓強(qiáng)；ρ為水的密度。

根據(jù)公式（1），絕對(duì)壓強(qiáng)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(shí)即開(kāi)始發(fā)生空穴，這個(gè)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(duì)于某種邊界輪廓，初生空穴數(shù)是一個(gè)固定數(shù)值，通常可由試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傻?。根?jù)水力學(xué)模型試驗(yàn)的相似原理，石泉消力戽初生空穴數(shù)σi可取2.4，絕對(duì)壓強(qiáng)H2O，查得25℃蒸汽壓強(qiáng)為=0.323 m H2O，g= 9.8m/s2。根據(jù)公式（1）計(jì)算中孔和表孔空穴數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，中孔閘門只有在死水位400 m左右運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟才會(huì)產(chǎn)生空蝕，形成對(duì)消力戽的影響。根據(jù)石泉水庫(kù)運(yùn)行規(guī)則，除了在進(jìn)行水庫(kù)排沙時(shí)，一般不會(huì)在400 m左右開(kāi)啟中孔運(yùn)行；表孔在任何水位運(yùn)行下都產(chǎn)生空穴，特別是在低水位的情況下，空穴數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初生空穴數(shù)，空蝕對(duì)消力戽的影響更加明顯。

表1 中孔、表孔在不同庫(kù)水位運(yùn)行情況下對(duì)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(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

2010年11月份完成對(duì)所有消力戽大修后，經(jīng)過(guò)4年泄洪考驗(yàn)，中孔及表孔閘門運(yùn)行時(shí)間見(jiàn)表2。

6 2014年消力戽檢查情況

經(jīng)過(guò)4年的泄洪運(yùn)行，2014年11月份組織專業(yè)人員對(duì)中孔及表孔消力戽進(jìn)行水下檢查。檢查發(fā)現(xiàn)運(yùn)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(jìn)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(jī)、潛水電話和水下測(cè)量工具，水下攝像機(jī)通過(guò)攝像電纜與水面監(jiān)視器連接，確保檢查過(guò)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(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)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(dòng)路線，對(duì)指定的消力戽結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，憑借目視、觸摸等手段進(jìn)行直觀判斷，并使用儀器、工具進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)將水下作業(yè)情況及數(shù)據(jù)通過(guò)攝像機(jī)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(guò)監(jiān)視器屏幕圖像與潛水員電話聯(lián)系，可對(duì)水下情況進(jìn)行及時(shí)、直觀、準(zhǔn)確的判斷，指揮潛水員對(duì)空蝕情況進(jìn)行更詳細(xì)檢查，并完成水下圖像和聲音信號(hào)的錄制，形成永久性記錄資料。

6.2 檢查結(jié)果

6.2.1 3號(hào)、4號(hào)表孔消力戽及導(dǎo)墻檢查結(jié)果

檢查發(fā)現(xiàn)3號(hào)、4號(hào)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(hào)、2號(hào)表孔消力戽及導(dǎo)墻檢查結(jié)果

檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)、2號(hào)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(hào)、2號(hào)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(zhǎng)29 cm，左右岸長(zhǎng)22 cm，破壞最大深度14 cm，粗骨料裸露。

導(dǎo)墻沖刷：2號(hào)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(zhǎng)14 cm，高19 cm，破壞最大深度10 cm，粗骨料裸露。

6.2.3 4號(hào)、5號(hào)中孔消力戽及導(dǎo)墻檢查結(jié)果

檢查發(fā)現(xiàn)4號(hào)、5號(hào)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(hào)、2號(hào)、3號(hào)中孔消力戽及導(dǎo)墻檢查結(jié)果

檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)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(yǔ)

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合石泉水庫(kù)運(yùn)行實(shí)況，統(tǒng)計(jì)分析得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)表1計(jì)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(yàn)證。

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

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

（4）根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法可得，不考慮外界因素的情況下，表孔消力戽運(yùn)行時(shí)間超過(guò)400 h，戽面即開(kāi)始出現(xiàn)不同程度損壞，若考慮庫(kù)水位、氣溫、壓強(qiáng)等外界因素，可能會(huì)有所不同，建議建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)機(jī)制，以更清楚掌握具體的戽面所能承受的時(shí)間。 ■

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

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

[3]陳益琨,何璟.石泉水電站技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)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。