豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)在遼寧恒仁水電站的應用

劉永良

(遼寧省大連水文局，遼寧大連 116203)

水電站技術(shù)

豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)在遼寧恒仁水電站的應用

劉永良

(遼寧省大連水文局，遼寧大連 116203)

豎井旋流消能是一種新型水力消能技術(shù)，能夠克服大型水電站導流洞常出現(xiàn)的霧化、空蝕破壞、水力沖蝕等有害現(xiàn)象，也可作為維持環(huán)境生態(tài)流量的有利措施應用于水電站工程建設(shè)中。本文結(jié)合遼寧恒仁水電站豎井旋流內(nèi)消能工的設(shè)計施工實踐與經(jīng)驗，對該技術(shù)應用的布置方案、設(shè)計要素、參數(shù)選擇、水力計算等進行簡要分析研究。

豎井旋流；水力消能；應用

1 工程概況

遼寧省恒仁水電站位于鴨綠江干流中國最大支流渾江的中游，水電站大壩主體為混凝土單支墩大頭壩，最大壩高78.50m，常年蓄水位495.00～515.00m，共裝有3臺混流式水輪發(fā)電機組，機型分別為HL662-LJ-410和HL702-LJ-410，裝機容量分別為2×7.5萬kW和1×7.25萬kW。水庫庫容2.97億m3。恒仁水電站是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等的電站工程。

為了滿足下游的生態(tài)環(huán)境需水量，保護生態(tài)環(huán)境發(fā)展，需要保證一定量的輸水，根據(jù)環(huán)境影響報告書關(guān)于生態(tài)流量的規(guī)定，要求壩址下游生態(tài)流量不得低于4.5m3/s。

2 工程布置方案選擇

為減少電站控制水流對江河流域帶來的諸多不利影響，考慮對工程導流洞進行改造，施工一條泄水隧洞通過消能豎井與導流洞相連［1］。豎井旋流式內(nèi)消能工是利用豎井內(nèi)的導流葉片使水流在井內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而消除大部分能量的一種新型措施。消能后水流僅保留小部分能量傳遞至下游，避免下游出現(xiàn)超高速水流。這對改善大壩下游流態(tài)，保護岸坡穩(wěn)定，減少建筑物的沖刷破壞具有積極作用。該措施能夠適應深山峽谷地帶進水口和導流洞存在較大高差的情況，并且進水口和出水口可以圍繞豎井軸線靈活布置，是高壩導流洞改建生態(tài)泄流通道的最佳方案［2］。該消能技術(shù)對工程地質(zhì)條件適應性強，消能效果好，具有良好的水力特性和抗霧化能力，工程成本低［3］。豎井旋流消能工示意圖如下。

豎井旋流消能工示意圖

3 主要構(gòu)筑物設(shè)計

主要構(gòu)筑物包括有壓短進水口、無壓力引水道、豎井段、水平旋流發(fā)生段、水平旋流段、通氣孔、水墊塘段和退水（導流）洞。

3.1 進水口設(shè)置

采用開敞式進水口，布置在導流洞上方左側(cè)，與電站引渠相接，進水口采用頂部設(shè)閘門控制的圓弧形實用堰型式。下游堰面曲線采用半徑為17m的1/4圓弧曲線，上游堰面曲線半徑為10m，堰高4m。堰頂布置12m×16m（寬×高）的平板事故檢修閘門和平板工作閘門各1扇。水位在設(shè)計洪水位時，泄洪量為1120m3/s。進口堰閘段順水流方向長39m，寬度從進口的12m減縮至豎井中心線處的9m，并與豎井圓形斷面相切，側(cè)墻收縮角1∶12。堰閘段基礎(chǔ)坐落于古全風化花崗巖上，為提高基礎(chǔ)巖石的承載能力，對基礎(chǔ)進行8m深的固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔間排距3m。

3.2 豎井

豎井是泄洪水流的過流通道，該工程豎井高度為46m，圓形斷面直徑為9m，采用混凝土襯砌，厚度1.50m。豎井圍巖巖體采用注漿+錨桿進行支護，固結(jié)灌漿孔孔深5m，間排距3m，井壁錨桿直徑22mm，長度3.50m，間排距1.50m，并布置隨機錨桿，直徑32mm，長度8m。

3.3 旋流發(fā)生裝置（起旋器段）

豎井下出口與水平洞切向進流段之間的豎直段設(shè)置水平旋流發(fā)生裝置，總高度為2.78m。斷面由直徑9m的圓形收縮為9m×4.50m的矩形。斷面末端為豎井與水平旋流渦室段的轉(zhuǎn)彎接口，水平段為圓形斷面，斷面直徑為10.50m。連接弧面采用1/4橢圓曲線與水平段切線光滑連接，曲線方程為：X2/15+Y2/8 =1，連接段采用20mm襯砌鋼板，同時設(shè)置了加勁環(huán)、止推環(huán)等固定裝置［4］。

3.4 通氣孔

為使水在旋流過程中充分摻氣，從而增加消能率和減小沖蝕，需要在水平旋流段前設(shè)通氣孔。通氣孔上端進氣口位于堰閘頂部，與大氣相通。按照水工模型試驗數(shù)據(jù)計算，通氣孔設(shè)計通氣量為470m3/s，依照規(guī)定孔內(nèi)風速不大于60m/s，通氣孔面積應為8.60m2，斷面直徑3.40m［5］。通氣孔與豎井分別布置，開挖孔徑4.50m，混凝土襯砌0.6 0m，孔壁采用錨桿注漿加固。

3.5 旋流消能段

旋流消能段由原導流洞改造而成，原為12m× 15m矩形斷面，現(xiàn)改造為直徑10.50m的圓形斷面［6］。該段從豎井中心線算起，總長度50m，全長采用20mm鋼板襯砌，洞壁進行固結(jié)灌漿并打錨桿加固處理（注漿深度8m，間排距3m；錨桿直徑φ32mm，間排距1.50m）。

3.6 水墊塘段

水墊塘段長60m，為11m×14m半圓拱形斷面，由導流洞加襯0.50m混凝土改建而成。此處斷面突然擴大，水流在此段又消除一部分剩余能量，水流的旋轉(zhuǎn)流態(tài)得到弱化。水墊塘出口設(shè)2.40m高的挑坎，兩側(cè)洞壁各向內(nèi)收縮2m，這樣可以使進入退水洞的水流更加均勻平順。

3.7 退水洞

水墊塘段收縮斷面后的一段導流洞作為豎井旋流消能工的退水洞，原導流洞按4級臨時建筑物設(shè)計，現(xiàn)根據(jù)設(shè)計要求，將導流洞斷面套襯0.50m，并加設(shè)錨桿、進行固結(jié)灌漿，滿足1級永久建筑物的結(jié)構(gòu)要求。

4 消能率計算

作為消能的主要部分，此處只計算總消能率及其旋流段與水墊塘的消能效率。

4.1 總消能率

該段底板作用總水頭111.90m，導流洞水深7.80m，斷面平均流速12m/s?？偹^損失為111.90_7.80_ 122/2g=96.76m；總消能率為96.76/111.90=0.865，因此總消能率為86.50%。

4.2 旋流洞（有實測壓力和流速值）消能率計算

該段作用水頭107.87m，實測平均合成速度28m/s，壓力水頭19m，水頭損失為107.87_19_ 282/2g=48.91m，另外進水口水頭損失為3.07m，進水口消能率為2.70%，旋流洞消能率為（48.91_ 3.07）/111.9=0.425，即旋流洞消能率為42.50%。

4.3 水墊塘消能率計算

根據(jù)總消能率和前階段效能率可得，最后一段水墊塘的剩余消能率為86.50_2.7_042.50=41.30%，計算減去該段的水頭損失即可。

水墊塘段斷面收縮，該段洞內(nèi)水流接近均勻流態(tài)，長度L=400m，可按照曼寧公式計算水頭損失。水深h=7.80m，流速v=12m/s，水力半徑R= 3.39m，糙率n=0.014，水頭損失為Ln2v2/R4/3=400 ×0.0142×122/3.394/3=2.22m，消能率為41.30%_（2.22/111.9）%=39.30%，即水墊塘的消能率為39.30%。

5 結(jié) 語

本文詳細介紹了豎井水平旋流效能技術(shù)在恒仁水電站的實際應用方法和效果，結(jié)果表明該技術(shù)消能率為86.50%，具有很多技術(shù)優(yōu)勢，可滿足一般工程需求。該技術(shù)豎井進水口布置簡單，井徑較小，且滿足泄流要求；在任何水位和流量下都不會發(fā)生沖蝕現(xiàn)象；在各種水位下未出現(xiàn)周期性壓力脈動現(xiàn)象，不會引發(fā)結(jié)構(gòu)物振動現(xiàn)象；泄洪洞出口流速較低，不會引起下游河床沖刷和霧化現(xiàn)象。

［1］ 楊朝暉，吳守榮，余挺，等.豎井旋流泄洪洞三維數(shù)值模擬研究［J］.四川大學學報（工程科學版），2007（2）：41-46.

［2］ 南洪，賀威.豎井旋流泄洪洞消力井深度對豎井消能率影響的數(shù)值模擬研究［J］.水利與建筑工程學報，2014（5）：133-136.

［3］ 吳鵬，陳胖胖，王軍.豎井水平旋流消能工豎井與起旋室的數(shù)值模擬［J］.合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2011（3）：412-415.

［4］ 方衛(wèi)紅，李學強.溪古水電站豎井旋流溢洪洞設(shè)計與分析［J］.西北水電，2012（4）：41-45.

［5］ 王超，陳立秋，陳俊杰.豎井旋流內(nèi)消能技術(shù)在雙溝水電站的應用［J］.東北水利水電，2015（8）：1-3，11，71.

［6］ 林崇勇.豎井旋流泄洪洞在甲巖水電站的應用［J］.云南水力發(fā)電，2013（5）：26-28.

Applying of Shaft Rotational Flow Internal Energy-dissipation Technology to Liaoning Hengren Hydropower Station

LIU Yongliang
（Liaoning Dalian Hydrographic Office，Dalian 116203，China）

Shaft rotational flow energy dissipation is a new waterpower energy dissipation technology that helps overcome pernicious phenomenon such as pulverization,cavitation erosion,waterpower washout and so forth that usually show up in diversion tunnel of large-scaled hydropower stations.It can also app lied to construction of hydropower projects as conducive measures to maintain environmental and ecological flow.By combining with designing and construction practice and experience of shaft rotational flow internal energy dissipater,this article carries out brief analysis and research on layout plan,designing factors,paramater selection,hydraulic calculation and so forth of application of this technology.

shaft rotational flow;hydraulic power energy dissipation;application

TV653

B

1673-8241（2016）12-0042-03

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.12.011