水庫泄洪洞和發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行水力特性分析

強(qiáng)麗峰

（遼寧省柴河水庫管理局，遼寧鐵嶺112000）

水庫泄洪洞和發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行水力特性分析

強(qiáng)麗峰

（遼寧省柴河水庫管理局，遼寧鐵嶺112000）

在一定水庫水位、庫容情況下，考慮到復(fù)雜水力狀況以及復(fù)雜的地理、地質(zhì)條件，在已建泄洪洞的基礎(chǔ)上，后期增加開挖一發(fā)電支洞，目的在于既能滿足泄洪灌溉又能滿足電站支洞的正常供水發(fā)電，實(shí)現(xiàn)后洞與前洞的聯(lián)合調(diào)度。通過水工模型試驗(yàn)的方法，利用原有泄洪洞與后加發(fā)電支洞供水調(diào)配的關(guān)系，研究不同工況條件下，各支洞供水流量，下游流速分布等水力特性問題，為雙洞布置的水力特性和輸水保證提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并確定了解決方案。

柴河水庫；泄洪洞；雙洞布置；水力特性；模型試驗(yàn)

1 工程概況

柴河是遼河中游較大支流之一。柴河水庫是以防洪灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚的綜合性水利樞紐工程。水庫按百年一遇洪水設(shè)計(jì)。萬年一遇洪水校核。最大壩高39.7 m，最大庫容為5.6億m3。泄洪洞位于大壩左岸。洞全長328 m。由進(jìn)口喇叭段、閘門段、漸變段、圓洞段組成。泄洪道進(jìn)口由樁號(hào)0+024.0 m至漸變段末端樁號(hào)0+060.0 m，為水平段。洞身由樁號(hào)0+060 m至0+217.36 m，底坡i=0.006 35。分岔段為水平段，由樁號(hào)0+246.28 m至0+344.0 m，底坡為i=0.005 12。從進(jìn)口到0+ 217.36 m，泄洪洞和發(fā)電洞合一。從0+217.36 m始，發(fā)電洞以35°角從右側(cè)與主洞分岔。發(fā)電洞全長129.0 m。

電站裝有3 200 W的機(jī)組2臺(tái)。總裝機(jī)容量為6 400 W。在發(fā)電洞支岔的右側(cè)還分出一直徑為0.61 m的泄水管，流量為1.0 m3/s，以供給工業(yè)供水。因水庫來水的不穩(wěn)定性，若布置兩條不同洞徑輸水支洞，直接影響洞內(nèi)水流流態(tài)及流速分布，進(jìn)而影響到輸水保證率，關(guān)系到電站機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定和發(fā)電效益。

對(duì)比選擇數(shù)學(xué)模型與物理模型研究方法。數(shù)學(xué)模型對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和水流條件分析時(shí)，邊界條件的假設(shè)難以與實(shí)際符合完好，采用水工物理模型試驗(yàn)的方法研究雙洞布置后，水力特性和輸水保證。

2 模型試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

水工模型試驗(yàn)解決如下問題：

1）出口明槽段、平臺(tái)擴(kuò)散段、渥奇段、靜水池的合理布置形式及尾水渠的水流流態(tài)和流速分布。

2）泄洪洞弧形閘門全開及局部開啟的泄量關(guān)系曲線。

3）泄洪灌溉對(duì)發(fā)電影響試驗(yàn)。

2.2 模型設(shè)計(jì)與制作

鑒于泄洪洞水流運(yùn)動(dòng)的主要作用力為重力。故按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。選用長度比尺為1∶40，全部管道模型均采用有機(jī)玻璃制作。尾渠用1∶3的水泥砂漿抹制。尾渠末端裝有寬40 cm的矩形量水堰進(jìn)行泄洪流量量測(cè)。電站支洞末端的蝸殼、水輪機(jī)和尾水管難以模擬，只在支洞末端裝有兩個(gè)球形閥門，以控制發(fā)電水頭進(jìn)行水錘壓力試驗(yàn)。在電站尾渠上接三角量水堰進(jìn)行發(fā)電流量量測(cè)。

3 泄洪洞出口靜水池消能試驗(yàn)

3.1 原布置試驗(yàn)及存在的問題

泄洪洞出口與寬4.1 m，長30 m的明槽段相連接。為減少入槽單寬流量，增大傅汝德數(shù)，提高效能效率，樁號(hào)0+396 m至0+416 m為平臺(tái)擴(kuò)散段。樁號(hào)0+416 m至0+436 m為渥奇段。渥奇段末端與寬17.1 m、長為40 m、深為4.5 m的矩形靜水池相連接。分別進(jìn)行了校核水位115.0 m，設(shè)計(jì)水位111.3 m，正常高水位108.0 m，防洪限制水位104.0 m的試驗(yàn)觀測(cè)，結(jié)論敘述如下：

1）明槽段、平臺(tái)擴(kuò)散段、以及渥奇段：在放水試驗(yàn)中，觀察到明槽水流流態(tài)較好。當(dāng)水流經(jīng)過明槽段進(jìn)入擴(kuò)散段后，由于高速水流對(duì)邊界條件的改變極為敏感，從兩側(cè)擴(kuò)散點(diǎn)起，激起兩道折沖波，使擴(kuò)散后的邊界水深偏淺。當(dāng)遇百年設(shè)計(jì)洪水時(shí)，在0+402 m斷面，中間高出兩側(cè)1.0 m左右。相反的，從0+404 m斷面至渥奇段末端一段兩側(cè)隆起。百年設(shè)計(jì)洪水時(shí)兩側(cè)與中央高差為0.46 m。兩側(cè)表底平均流速16.6 m/s，中間表底平均流速為19.3 m/s。

據(jù)上分析，雖然存在折沖波的干擾，但總的來看干擾幅度不大，單寬流量基本均勻。明槽段、平臺(tái)擴(kuò)散段及渥奇段水流情況基本滿足要求。

2）當(dāng)模型施放校核流量時(shí)，水流經(jīng)渥奇段入靜水池，由于靜水池兩側(cè)邊墻突然收縮，使兩側(cè)水流頂沖邊墻，反射后水股跳齊，形成水冠。另外，由于消能容積不足，在池內(nèi)產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，躍首離消力池起點(diǎn)16 m左右。由于效能效果不佳，使尾渠水面波動(dòng)較大，當(dāng)百年洪水時(shí)波峰與波谷高差0.82 m。正常水位和防洪限制水位泄流時(shí)效能效果尚好，但尾渠仍有波動(dòng)。

3.2 修改布置試驗(yàn)與終結(jié)方案的選擇

原布置試驗(yàn)結(jié)果表明，消力池存在的主要問題是消力池容積不足，擬采用加消力坎，降低和加寬消力池等措施。其結(jié)果分述如下：

1）加消力坎方案。試驗(yàn)結(jié)果表明：雖然消除了遠(yuǎn)驅(qū)水躍，但仍在池內(nèi)產(chǎn)生不穩(wěn)定水躍。當(dāng)水流頂沖消力坎時(shí)，在坎頂處產(chǎn)生局部擁高。過坎后造成明顯跌落，產(chǎn)生二次水躍。效能效果不佳，不宜采用。

2）降低消力池底高程方案。

在保持消力池的長度和寬度不變的情況下，將原設(shè)計(jì)池底高程由69.5 m降到68.5 m和67.5m二種情況，分別進(jìn)行修改試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果兩種池底高程均在池內(nèi)產(chǎn)生淹沒水躍。與原設(shè)計(jì)相比效能效果有所改善。但是，由于消力池寬度不夠，在消力池兩側(cè)產(chǎn)生縱向回流。由于水躍波動(dòng)比較激烈，使尾渠水面波動(dòng)仍較嚴(yán)重，不利工程安全。

3）擴(kuò)散式消力池方案。根據(jù)地質(zhì)地形等情況，模型修改中進(jìn)行了不同擴(kuò)散角度的比較試驗(yàn)。將平面矩形消力池按原設(shè)計(jì)邊墻角度擴(kuò)散。從渥奇段末端一直擴(kuò)散到消力池末端。寬度為30.1 m。這時(shí)在池內(nèi)產(chǎn)生淹沒式水躍，消除了原設(shè)計(jì)由于消能不充分而在尾渠產(chǎn)生的水面波動(dòng)，水流流態(tài)好。

綜上所述，采用池底高程為68.5 m的擴(kuò)散式消力池作為工程最后的選定方案。

4 泄流能力試驗(yàn)

模型在泄洪洞出口弧形閘門全開和局部開啟的情況下，進(jìn)行了庫水位與泄流量的關(guān)系試驗(yàn)。

根據(jù)模型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按公式：

式中：μ——流量系數(shù)；A——泄洪洞出口斷面面積，m2；h——工作水頭，m；Q——流量，m3/s。

算得流量系數(shù)值為0.64～0.69。隨著水位的增高而加大。當(dāng)水位上升到108.2 m以后，流量系數(shù)近于常數(shù)等于0.69。而總水頭損失系數(shù)，隨著庫水位的增高而減少，當(dāng)庫水位上升到108.2 m以后也為一常數(shù)為1.11。模型實(shí)測(cè)流量較原設(shè)計(jì)偏小3.13%～4.6%，主要原因是模型試驗(yàn)管道各段總水頭損失系數(shù)，大于設(shè)計(jì)所取各段總水頭損失系數(shù)。當(dāng)泄洪洞進(jìn)口加攔污柵后泄流量又較不加攔污柵時(shí)少4%～6%。

5 泄洪灌溉對(duì)發(fā)電的影響試驗(yàn)

5.1 泄洪對(duì)發(fā)電的影響試驗(yàn)

通過試驗(yàn)主要是要求得出在泄洪情況下保證水電站額定出力的泄量限值，即得出各種庫水位情況下的泄洪洞出口弧形閘門的不同開啟高度。

試驗(yàn)時(shí)，先固定出口弧形閘門開度，放入模型某流量后，查看電站流量，如果小于電站設(shè)計(jì)流量24.0 m3/s，則加大模型總流量。隨著模型總流量的加大，電站流量隨之增加。當(dāng)趨近于24.0 m3/s，再調(diào)正各機(jī)組尾門，使由水輪機(jī)高程算起的凈水頭等于電站設(shè)計(jì)水頭24.7 m。調(diào)正后，當(dāng)經(jīng)過電站的流量和水頭都滿足電站額定出力的要求時(shí)，記下庫水位和總流量，總流量減去發(fā)電流量即為該庫水位下，保證電站額定出力的泄量限值。共進(jìn)行了5組試驗(yàn)，以庫水位109.4，110.4，112.25，113.9，116 m繪制泄洪時(shí)各水位下保證電站額定出力的泄量限值表，以庫水位109.4，110.4，112.0，114.0 m，繪制單獨(dú)泄洪與泄洪發(fā)電同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)之泄量比較表，可以看出，當(dāng)泄洪洞的弧形閘門開度與庫水位一定時(shí)，泄洪洞與發(fā)電洞同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，泄洪洞泄量比單獨(dú)泄洪的大，這主要是因?yàn)?種情況下岔管水頭損失不同的緣故。

5.2 灌溉對(duì)發(fā)電的影響試驗(yàn)

當(dāng)庫水位在108.0 m以下時(shí)，要求灌溉放水150 m3/s。水電站以額定出力的83%，88%，90%。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要求試驗(yàn)來確定庫水位的限值。

由于模型未做蝸殼，水輪機(jī)和尾水管，而這幾部分的水頭損失也很難計(jì)算，因而試驗(yàn)時(shí)水頭是按水輪機(jī)安裝高程算起的凈水頭控制的。所以運(yùn)用這部分試驗(yàn)成果時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)機(jī)組出力加以修改。試驗(yàn)時(shí)放入模型總流量150 m3/s，然后調(diào)整泄洪洞出口弧形閘門開度，使經(jīng)過發(fā)電洞流量和水頭都滿足要求。記下庫水位和弧形閘門開度。并進(jìn)行了4組試驗(yàn)，成果，見表1。

表1 灌溉總流量150 m3/s時(shí)保證電站額定出力最低庫水位限值

6 結(jié)論與建議

根據(jù)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將二級(jí)消力池高程由72.0 m抬高到73.0 m，并在出塘右側(cè)加23 m長的導(dǎo)流墻，左側(cè)從0+481.5 m開始改為1∶2邊坡，出塘流速分布合理。

2）泄洪洞沿程壓力除出口漸變段末端產(chǎn)生0.12 m的負(fù)壓外，均為正壓。不致產(chǎn)生氣蝕破壞。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，模型實(shí)測(cè)流量較原設(shè)計(jì)小3.1%～4.6%，進(jìn)口加攔污柵后泄量又比不加攔污柵減小4%～6%，最終確定流量系數(shù)?值為0.64～0.69。

4）根據(jù)模型試驗(yàn)，泄洪和灌溉時(shí)均可發(fā)電。泄洪時(shí)保證發(fā)電額定出力的泄量限值合理。灌溉放水時(shí)，發(fā)電站以額定出力運(yùn)行時(shí)的庫水位限值也合理。

5）分岔段局部損失系數(shù)選取正確與否對(duì)二洞合一的泄洪洞水力計(jì)算影響重大。但因分岔段水流復(fù)雜，影響因素較多，加之模型實(shí)測(cè)精度有限，所以模型測(cè)得的分岔段的局部損失與流量比關(guān)系曲線圖僅供參考。

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2016-06-27