水庫泄洪洞和發(fā)電聯(lián)合運行水力特性分析

強麗峰

（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)合運行水力特性分析

強麗峰

（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，實現(xiàn)后洞與前洞的聯(lián)合調(diào)度。通過水工模型試驗的方法，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

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。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。由進口喇叭段、閘門段、漸變段、圓洞段組成。泄洪道進口由樁號0+024.0 m至漸變段末端樁號0+060.0 m，為水平段。洞身由樁號0+060 m至0+217.36 m，底坡i=0.006 35。分岔段為水平段，由樁號0+246.28 m至0+344.0 m，底坡為i=0.005 12。從進口到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的機組2臺。總裝機容量為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，進而影響到輸水保證率，關(guān)系到電站機組運行的穩(wěn)定和發(fā)電效益。

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

2 模型試驗內(nèi)容

2.1 試驗?zāi)康?/p>

水工模型試驗解決如下問題：

1）出口明槽段、平臺擴散段、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）泄洪灌溉對發(fā)電影響試驗。

2.2 模型設(shè)計與制作

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

3 泄洪洞出口靜水池消能試驗

3.1 原布置試驗及存在的問題

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0+396 m至0+416 m為平臺擴散段。樁號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。分別進行了校核水位115.0 m，設(shè)計水位111.3 m，正常高水位108.0 m，防洪限制水位104.0 m的試驗觀測，結(jié)論敘述如下：

1）明槽段、平臺擴散段、以及渥奇段：在放水試驗中，觀察到明槽水流流態(tài)較好。當(dāng)水流經(jīng)過明槽段進入擴散段后，由于高速水流對邊界條件的改變極為敏感，從兩側(cè)擴散點起，激起兩道折沖波，使擴散后的邊界水深偏淺。當(dāng)遇百年設(shè)計洪水時，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)計洪水時兩側(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、平臺擴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，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16 m左右。由于效能效果不佳，使尾渠水面波動較大，當(dāng)百年洪水時波峰與波谷高差0.82 m。正常水位和防洪限制水位泄流時效能效果尚好，但尾渠仍有波動。

3.2 修改布置試驗與終結(jié)方案的選擇

原布置試驗結(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，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)計池底高程由69.5 m降到68.5 m和67.5m二種情況，分別進行修改試驗。試驗結(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。由于水躍波動比較激烈，使尾渠水面波動仍較嚴(yán)重，不利工程安全。

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

綜上所述，采用池底高程為68.5 m的擴散式消力池作為工程最后的選定方案。

4 泄流能力試驗

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

根據(jù)模型實測數(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。模型實測流量較原設(shè)計偏小3.13%～4.6%，主要原因是模型試驗管道各段總水頭損失系數(shù)，大于設(shè)計所取各段總水頭損失系數(shù)。當(dāng)泄洪洞進口加攔污柵后泄流量又較不加攔污柵時少4%～6%。

5 泄洪灌溉對發(fā)電的影響試驗

5.1 泄洪對發(fā)電的影響試驗

通過試驗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。

試驗時，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)正各機組尾門，使由水輪機高程算起的凈水頭等于電站設(shè)計水頭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，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。共進行了5組試驗，以庫水位109.4，110.4，112.25，113.9，116 m繪制泄洪時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，繪制單獨泄洪與泄洪發(fā)電同時運轉(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，泄洪洞與發(fā)電洞同時運轉(zhuǎn)情況下，泄洪洞泄量比單獨泄洪的大，這主要是因為2種情況下岔管水頭損失不同的緣故。

5.2 灌溉對發(fā)電的影響試驗

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

由于模型未做蝸殼，水輪機和尾水管，而這幾部分的水頭損失也很難計算，因而試驗時水頭是按水輪機安裝高程算起的凈水頭控制的。所以運用這部分試驗成果時，應(yīng)根據(jù)實際情況對機組出力加以修改。試驗時放入模型總流量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。并進行了4組試驗，成果，見表1。

表1 灌溉總流量150 m3/s時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)試驗得出如下結(jié)論：

1）根據(jù)試驗結(jié)果，將二級消力池高程由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）試驗結(jié)果表明，模型實測流量較原設(shè)計小3.1%～4.6%，進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，泄洪和灌溉時均可發(fā)電。泄洪時保證發(fā)電額定出力的泄量限值合理。灌溉放水時，發(fā)電站以額定出力運行時的庫水位限值也合理。

5）分岔段局部損失系數(shù)選取正確與否對二洞合一的泄洪洞水力計算影響重大。但因分岔段水流復(fù)雜，影響因素較多，加之模型實測精度有限，所以模型測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