哈峽加爾水電站泄水陡坡模型試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計

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哈峽加爾水電站泄水陡坡模型試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計

何若飛

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院， 新疆 烏魯木齊830000)

【摘要】泄水陡坡在壓力前池中占據(jù)較重要位置，其布置形式應(yīng)滿足地形、地質(zhì)及排冰泄水等要求。哈峽加爾水電站位于天山西部北坡，冬季寒冷積雪較深，壓力前池采用正向排冰側(cè)向分層引水的布置形式，泄水陡坡采用三級消力池消能，并結(jié)合懸柵輔助消能工，消能效果顯著，滿足設(shè)計要求。

【關(guān)鍵詞】泄水陡坡；模型試驗(yàn)；消力池；懸柵消能

1工程概述

哈峽加爾水電站地處天山西部北坡，該流域夏季氣候較濕潤、溫和，降雨豐沛，冬季寒冷積雪較深，阿克芽孜河是一條冰川融水補(bǔ)給比重較大的河流，徑流量年際變化比較穩(wěn)定。電站裝機(jī)容量80MW，發(fā)電引水流量110.8m3/s，保證出力5.3MW，多年平均發(fā)電量2.191億kW·h。電站工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。電站包括攔河樞紐、引水渠、前池及壓力管道、廠房、尾水渠、排洪及交叉建筑物。

2基本資料

前池采用正向排冰、側(cè)向分層引水布置形式。前池主要由前室、進(jìn)水室、泄水閘及泄水陡坡等建筑物組成。

前室分為彎道段和陡坡段。彎道段中心線轉(zhuǎn)彎角90°，轉(zhuǎn)彎半徑24.50m，底寬漸變寬度10~12.2m，前室陡坡段，長15m，縱坡i=1/5.0，底寬12.2m。右側(cè)設(shè)置WES堰，堰高3.5m，堰后接8m寬泄槽，并設(shè)置1∶4陡坡與消力池相接，消力池長20m、高5.8m。

前室后為進(jìn)水室，寬12.2m。進(jìn)水室底寬由12.2m漸變?yōu)?.5m，漸變段長8.0m，由5.5m×5.5m的方形斷面漸變?yōu)橹睆綖?.5m的圓形孔口斷面，后與壓力鋼管連接。

泄水陡坡高度相差較大(可達(dá)87m)，對陡坡的流速及消能效果提出了較高要求。在設(shè)計前期，分別對一級消力池、二級消力池及三級消力池進(jìn)行了理論計算，由于該水電站地處嚴(yán)寒地區(qū)，冬季溫度較低，考慮到電站冬季運(yùn)行期間發(fā)電流量較小，陡坡內(nèi)水深較小且容易結(jié)冰，因此不推薦采用臺階消能方式。

泄水陡坡布置于泄水閘后，全長484.64m，主要由漸變段、緩坡段、陡槽段、消力池及尾部渠道段組成。除尾部渠道段采用梯形斷面外，其余部位均采用矩形槽斷面。泄水閘凈寬10m、長15m。漸變段長30m，縱坡為i=1/500，底寬由10.0m漸變至4.0m。緩坡段長114.358，縱坡1/500，與陡槽采用渥奇曲面連接。陡槽段全長335.23m，均采用整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土型式，陡槽設(shè)置三級消力池，一、二級消力池接縱坡為1/3的陡坡，池長20m，坎高2m，底寬4m；三級消力池前陡坡縱坡為1/2.844，進(jìn)入三級消力池前設(shè)置了漸變擴(kuò)散段，擴(kuò)散段長30m，底寬由4.0m漸變至8.0m，高差7.853m。消力池長45m，深3.5m，墻高8.5m。泄水陡坡平面布置及縱剖面如圖1所示。尾部渠道段長256.262m，縱坡i=1/264.188，首部漸變段長30m，寬度由8m矩形槽漸變?yōu)?.5m梯形渠道，邊坡為1∶2。

圖1　泄水陡坡布置圖

3水工模型試驗(yàn)?zāi)康?/p>

泄水陡坡從前池排冰閘接出，經(jīng)1/500緩坡轉(zhuǎn)彎段后，進(jìn)入陡坡泄槽段，經(jīng)三級消力池消能后投入尾水渠。由于受地形限制消力池的布置及尺寸較為緊密，其水力特性及消能機(jī)理均較為復(fù)雜，從前池泄水排冰閘至陡坡泄槽末端落差近87m，在這種高水頭、高流速的情況下，為保證建筑物安全，需要通過模型試驗(yàn)來驗(yàn)證該泄水陡坡體型設(shè)計的合理性，并對三級消力池的消能效果以及對下游尾水渠的沖刷情況進(jìn)行論證。

4水工模型設(shè)計

該模型試驗(yàn)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，采用單體模型，幾何比尺選定為λL=35。模型范圍包括泄水排冰閘、WES堰及堰后消力池至泄水陡坡第三級消力池后300m尾水渠。

5水工模型試驗(yàn)結(jié)果及優(yōu)化

原設(shè)計方案中泄水排冰閘后接1/500緩坡段，致使泄水排冰閘不滿足泄流要求。在設(shè)計水位情況下，由于閘孔出口呈淹沒出流狀態(tài)，使泄水陡坡過流能力偏低，因此將原1/500緩坡改為1/100陡坡。WES堰后原設(shè)計方案為長20m的消力池，在設(shè)計水位下該消力池根本起不到消能作用，故將其后段直接改為1/21的斜坡，連接至泄水陡坡。

泄水陡坡共布設(shè)三級消力池，使高差近87m的陡坡流速大大降低，消能效果顯著。經(jīng)過模型試驗(yàn)觀測，三級消力池內(nèi)分別都有不同程度的波浪翻滾，池內(nèi)水流較紊亂，流態(tài)較差。第三級消力池尤為明顯，當(dāng)下泄流量達(dá)到校核泄量時，消力池內(nèi)水流翻滾更為劇烈，形成的波浪也較大，有的還會翻出消力池邊墻外側(cè)。為解決這一問題，借鑒國內(nèi)外各個水電站、水庫等輔助消能工設(shè)施，最終確定使用懸柵消能設(shè)施以增大消能率，改善水流流態(tài)。這種輔助消能工簡單易行，適用范圍較廣，在許多水電站及水庫等泄水建筑物中應(yīng)用較為普遍，且消能效果顯著。

5.1　泄水陡坡流速

泄水排冰閘后陡槽坡度改為1/100后，彎道流速較原1/500坡度時有所增大，但依然滿足設(shè)計要求，優(yōu)化后的流速及水深見表1。

表1　泄水陡坡各段流速及水深

布置一級消力池，流速較大，根本達(dá)不到所需要的消能效果；在陡坡中間增加一級消力池，流速有明顯降低的趨勢，但消能效果并不是很明顯，且需要的消力池尺寸較大，也不符合地形的布置要求；在陡坡段中間增設(shè)兩級消力池后流速可大大降低，經(jīng)過模型試驗(yàn)測算，最大流速為20.74m/s，最大流速發(fā)生在二級消力池進(jìn)口圓弧段位置，最大水深為8.23m，滿足設(shè)計要求，可見消能效果明顯。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明陡坡各段流速均在允許范圍內(nèi)，其流速及水深見表2。

表2　泄水陡坡各段流速及水深

5.2　輔助消能工設(shè)計

通過模型試驗(yàn)觀察，消力池使用懸柵消能設(shè)施后，池內(nèi)水流狀態(tài)有明顯改善，流態(tài)較平穩(wěn)，未出現(xiàn)翻滾劇烈的波浪，即使在校核泄量時池內(nèi)水流也不會出現(xiàn)翻出邊墻的現(xiàn)象，可滿足設(shè)計預(yù)期的要求。消力池內(nèi)增加懸柵前后的流速及水深見表3。由表3可見，增加懸柵后的池內(nèi)流速有明顯降低，水深增加。

表3　增加懸柵前后消力池流速及水深

經(jīng)模型試驗(yàn)觀察比較后，最終確定一、二級消力池懸柵尺寸為250mm×400mm，布設(shè)兩排，呈梅花形布置，距底板1.05m處布設(shè)第一層懸柵，第一層與第二層間隔1.4m，各懸柵間距1.85m；第三級消力池懸柵尺寸為300mm×500mm，布設(shè)兩排，呈矩形布置，距底板1.2m處布設(shè)第一層懸柵，第一層與第二層間隔1.3m，各懸柵間距0.8m。懸柵結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

考慮到消力池凈寬較大，在設(shè)計施工中將懸柵做成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部配置φ12鋼筋，懸柵外部包裹6mm厚的鋼板，內(nèi)部預(yù)埋鋼筋與外部鋼板焊接。懸柵鋼板需進(jìn)行噴砂除銹處理，并涂抹防銹漆，與混凝土接觸面涂強(qiáng)力膠水泥以達(dá)到貼合緊密的要求。

圖2　懸柵布置圖

6結(jié)語

針對嚴(yán)寒地區(qū)且冬季有發(fā)電運(yùn)行要求的水電站，泄水陡坡消能設(shè)施的布置較為困難，應(yīng)綜合考慮各方面的因素，并結(jié)合模型試驗(yàn)研究，不適于采用臺階消能的泄水陡坡可考慮采用多級消能的方式。懸柵輔助消能工在消能過程中能起到較為重要的作用，可改變水流流態(tài)，解決水流翻滾劇烈等難題，且效果顯著，可供其他工程參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]董玉蓮，劉亞坤，等.彎曲溢洪道多級跌水與底流復(fù)合消能研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2013(5).

[2]楊文莉.對泄水槽中消力池的消能改造探析[J].水利建設(shè)與管理,2014(8).

[3]趙斌.關(guān)于水閘消力池深度計算的探討[J].中國水能及電氣化,2011(6).

Optimization design of sluice abrupt slope model test in Haxiajiaer

Hydropower Station

HE Ruofei

(XinjiangWaterConservancyandHydropowerSurveyDesignInstitute,Urumqi830000,China)

Abstract:Sluice abrupt slope is important in pressure forebay. Its layout form should meet the topography, geology and ice-water drainage requirements, etc. Haxiajiaer Hydropower Station is located in north slope on the west of Tianshan Mountain. It is cold in winter with deeper snows. Layout mode of positive direction ice discharge and side direction water diversion in layers is adopted for the pressure forebay. Three-level stilling basin is adopted in the sluice abrupt slope for energy dissipation. Suspended grid is combined for auxiliary energy dissipation. The energy dissipation effect is remarkable, which can meet the design requirements.

Key words:sluice abrupt slope; model test; stilling basin; suspended grid energy dissipation

中圖分類號：TV65

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1673-8241(2016)01-0060-04

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.017