三江口水電站壓力前池改造優(yōu)化模型試驗(yàn)研究

（1、三峽電力職業(yè)學(xué)院 建筑與管理學(xué)院，湖北 宜昌 443000 2、中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650033）

摘 要：由于上游起調(diào)節(jié)作用的茄子山“龍頭”水庫及各梯級(jí)電站已陸續(xù)開發(fā)運(yùn)行，為云南省三江口水電站增加引用流量擴(kuò)大裝機(jī)容量提供了可行的條件。為了實(shí)現(xiàn)這一擴(kuò)容目標(biāo)，需要對(duì)壓力前池進(jìn)行改造。文章通過模型試驗(yàn)對(duì)改造前后泥沙淤積形態(tài)進(jìn)行分析研究，提出了較良的符合水力學(xué)條件的改造方案，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容增加經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。文章對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：壓力前池；改造；泥沙淤積；模型試驗(yàn)

1 工程概況

云南省三江口水電站位于怒江、蘇帕河及天寧河交匯處，為高水頭徑流式開發(fā)，于1993年底建成發(fā)電。由于上游起調(diào)節(jié)作用的茄子山“龍頭”水庫及各梯級(jí)電站已開發(fā)運(yùn)行，因此為三江口水電站引用流量從16m3/s增至32m3/s擴(kuò)機(jī)2×16MW創(chuàng)造了可行的條件。為了實(shí)現(xiàn)這一擴(kuò)容目標(biāo)，需要對(duì)壓力前池改造前后泥沙淤積形態(tài)進(jìn)行模型試驗(yàn)并加以分析研究，提出優(yōu)良的符合水力學(xué)條件的改造方案，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容增加經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

2 水力學(xué)泥沙模型的建立

為保證原型、模型水力學(xué)相似，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)為1：20的正態(tài)定床模型。因原前池泥沙淤積中95%以上粒徑均小于0.1mm，因此前池原型泥沙沉速按層流公式（斯托克斯公式）：

通過沉降比尺？姿？棕=？姿v=4.472計(jì)算得原型沙粒徑及沉速與模型沙（精煤粉）粒徑及沉速關(guān)系見表1。實(shí)際采用的模型沙為曲靖恩洪精煤粉，由于模型沙偏粗，試驗(yàn)成果應(yīng)用于原型后，其沖沙效果將好于模型沖沙效果。

3 擴(kuò)建前前池存在問題及其原因分析

由于原前池泥沙淤積嚴(yán)重，一方面造成了只能停機(jī)清理淤積泥沙的局面；另一方面部分泥沙進(jìn)入水輪機(jī)，引起水輪機(jī)組的嚴(yán)重磨損。因此原前池泥沙淤積形態(tài)的模型是否合理可靠是有效改造前池的關(guān)鍵。為了保證模型試驗(yàn)成果的相似性與研究成果的科學(xué)有效性，先對(duì)三江口水電站前池?cái)U(kuò)建前的基本體型（見圖1）進(jìn)行了淤沙試驗(yàn)，驗(yàn)證原、模型淤沙的相似性。

試驗(yàn)按隧洞來水及電站引用流量均為16m3/s，電站進(jìn)水室前為正常蓄水位858.00m，隧洞來水含沙濃度為1kg/m3，原沖沙閘關(guān)閉進(jìn)行模型試驗(yàn)。

水流進(jìn)入前池后，主流偏向右側(cè)，在前池左側(cè)大范圍（約占前池?cái)嗝娴娜种挾龋┬纬纱蠡亓鲄^(qū)；在壓力鋼管進(jìn)水室前的靜水坑左右兩側(cè)也各有一小回流區(qū)；沖沙閘前的回流很弱，似靜水。斷面流速分布與表面流態(tài)基本一致。從前池水流分布可以清楚地看到在前池進(jìn)口平面轉(zhuǎn)彎段末的流速斷面，由于受彎道水流影響較大，右側(cè)最大流速為1.08m/s，左側(cè)最大回流流速為0.69m/s；流速通過前池上游段調(diào)整至進(jìn)水室前的斷面，右側(cè)最大流速為0.81m/s，左側(cè)最大回流流速為0.44m/s，前池右側(cè)流速仍為左側(cè)流速的近兩倍。

淤積形態(tài)與回流形態(tài)相對(duì)應(yīng)，進(jìn)入前池的較粗顆粒泥沙以推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的方式沿前池的右側(cè)進(jìn)入進(jìn)水室前的靜水坑內(nèi)，較細(xì)的顆粒以懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的方式大量在左側(cè)回流區(qū)淤積。該試驗(yàn)成果與電站原型前池泥沙淤積對(duì)照，其區(qū)域及形態(tài)完全吻合。

4 擴(kuò)建后前池泥沙淤積形態(tài)模型試驗(yàn)研究及成果

為了改變上述泥沙淤積狀況，必須借增容擴(kuò)建之機(jī)，對(duì)原前池進(jìn)行改造。因增加的容量將達(dá)到100%，故首先應(yīng)增建與原進(jìn)水室相同的進(jìn)水室，然后再對(duì)原前池進(jìn)行改造。

在實(shí)際的工程樞紐中，前池周邊除了高山就是陡坡，若擴(kuò)大前池容積則工程量很大，因此，應(yīng)盡量在不擴(kuò)大前池容積條件下對(duì)原前池進(jìn)行改造。經(jīng)過多次試驗(yàn)研究，最終確定了在前池進(jìn)口段，部分底板向下挖；在原前池底板上新建中隔墻的推薦體型。具體方案如下：（1）在樁號(hào)池左0+020.730m與池右0+013.130m之間建一橫向擋水墻（擋墻上游簡稱配水池），擋水墻頂高程為858.60m，并在墻寬的1/4與3/4處各設(shè)寬3.5m，高3.2m的閘門（為1#、2#閘門）來調(diào)節(jié)前池左右兩廂的流量，以保證左右兩廂流量的均衡及沖沙用。（2）在樁號(hào)池左0+016.720m、隔0+000.000m處至池左0+89.610m、隔0+072.51m處設(shè)一縱向中隔墻，將前池分為左右兩廂，在左右兩廂的中隔墻頂部每相隔1m增設(shè)2m×0.4m（寬×高）的疊梁門，底高程857.60m，隔墻頂高程858.60m。正常運(yùn)行時(shí)，提起疊梁中隔墻兩側(cè)水面連通，來調(diào)節(jié)前池左右兩廂的流量，以保證左右兩廂流量的均衡及沖沙用。（3）在原沖沙閘右側(cè)增設(shè)一道側(cè)堰，側(cè)堰長35m，堰頂高程為正常蓄水位858.00m。模型試驗(yàn)表明：配水池水流翻滾，僅在彎道凸岸及兩導(dǎo)墻下游側(cè)有淤積；左廂主要淤積在中偏右側(cè)；右?guī)覀?cè)淤積較左側(cè)多；但淤積量較左廂有所減少；中隔墻兩側(cè)幾乎無淤積。前池總淤積僅為來沙的19%左右。

5 結(jié)束語

（1）模型試驗(yàn)研究是在電站經(jīng)十多年運(yùn)行、前池受多種邊界條件的約束和投資限制的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，原前池的流態(tài)必然受泥沙淤積，且淤積后難以沖走的限制。擴(kuò)建后以引用阿鳩田電站尾水為主，水質(zhì)含沙狀況大為好轉(zhuǎn)，尤其是壓力前池?cái)U(kuò)建后運(yùn)行情況良好，電站可連續(xù)運(yùn)行，徹底解決了以往停機(jī)人工清淤的問題，徹底避免了停機(jī)損失和人工工時(shí)費(fèi)。

（2）左廂沖沙時(shí)，水流可從右?guī)M(jìn)入，滿足兩臺(tái)機(jī)發(fā)電的要求，改變了原來前池清淤必須全停機(jī)的狀況，增加了經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，右?guī)麤_淤的時(shí)間短，又增加了經(jīng)濟(jì)效益。

（3）該水力學(xué)模型試驗(yàn)研究成果已應(yīng)用于三江口水電站擴(kuò)建工程實(shí)踐中，擴(kuò)建后工程已投入了使用，壓力前池未出現(xiàn)泥沙淤積與沖沙困難情況。改變了原水輪機(jī)泥沙磨蝕嚴(yán)重，每年必須大修，更換水輪機(jī)過流部件的問題。水力學(xué)模型試驗(yàn)研究成果達(dá)到了預(yù)期的目的，得到業(yè)主方好評(píng)。