高陂水電站上游進(jìn)水渠水力特性試驗研究

黃智敏，付　波，陸漢柱，陳卓英，鐘勇明

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635； 2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣州 510635)

低水頭水閘樞紐的電站進(jìn)水渠布置涉及電站發(fā)電效益、泄水閘運行流態(tài)、工程投資等因素。以往在電站上游進(jìn)水渠設(shè)計布置中，對其工程前期投資的因素考慮較多，因而忽略了其長遠(yuǎn)的發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益，電站進(jìn)水渠與樞紐泄水閘分隔的導(dǎo)流墻、進(jìn)水渠進(jìn)口上游攔沙坎、攔截漂浮物設(shè)施等體型和布置較為單一和常規(guī)[1,2]，往往會造成進(jìn)水渠段的流態(tài)不佳、水頭損失較大，并且會影響樞紐工程泄水閘等正常運行。

近年來，經(jīng)過水力模型試驗研究，廣東省清遠(yuǎn)水利樞紐、連州市龍船廠航電樞紐等水電站上游進(jìn)水渠導(dǎo)流墻、攔沙坎、攔漂排等修改為較新穎的多孔攔污柵閘孔布置形式[3,4]，工程建成運行之后，效果良好，電站的發(fā)電效益明顯提高，并展現(xiàn)出十分良好應(yīng)用的前景。本文介紹韓江高陂水利樞紐電站上游進(jìn)水渠水力模型試驗研究成果，供類似工程設(shè)計參考。

1　工程概況

高陂水利樞紐工程為Ⅱ等大(Ⅱ)型工程，樞紐主要建筑物由泄水閘、電站、船閘、魚道、擋水壩以及兩岸連接建筑物等組成(見圖1)。樞紐正常蓄水位為38.0 m，發(fā)電最低運行水位為30.0 m。

圖1　高陂水利樞紐工程平面布置示意圖(單位：m)Fig.1 Plan layout diagram of the water control project

高陂水電站為低水頭河床式電站，布置在壩址河道的右岸，電站從右往左與魚道、排漂閘孔、泄水閘等連接，壩址處河道較彎曲。電站安裝4臺貫流式燈泡機(jī)組，單機(jī)額定容量25 MW，總裝機(jī)容量為100 MW，多年平均發(fā)電量40 142.3 萬kWh。電站運行的上游水位為正常蓄水位38.0 m，電站滿發(fā)流量為1 361.8 m3/s，發(fā)電運行最大水頭為13.5 m、最小水頭為2.5 m。

電站上游進(jìn)水渠試驗是在高陂水利樞紐水工整體模型上進(jìn)行，模型為1∶85的正態(tài)模型[5]。

2　電站進(jìn)水渠設(shè)計初擬方案試驗

2.1　設(shè)計初擬方案布置

(1)電站上游進(jìn)水渠寬度為88 m，電站進(jìn)水口底板高程為9.22 m，進(jìn)水口底板上游以坡度1∶5斜坡段連接上游河床面(高程26.0 m)；

(2)進(jìn)水渠左側(cè)實體導(dǎo)墻頂高程為39.0 m、長度為107 m，攔沙坎布置在進(jìn)水渠的進(jìn)口斷面，攔沙坎頂高程27.2 m(見圖2)。

圖2　電站設(shè)計初擬方案平面布置示意圖(單位：m)Fig.2 Plan diagram of initial scheme of the station design

2.2　設(shè)計初擬方案運行試驗

2.2.1樞紐工程運行方式

根據(jù)工程設(shè)計資料，樞紐工程運行方式為[5]：

(1) 當(dāng)壩址處來水流量Qp≤1 361.8 m3/s(電站滿發(fā)流量)時，在滿足下游生態(tài)用水的條件下，泄水閘閘門關(guān)閉，水庫蓄水至正常蓄水位38.0 m，滿足電站發(fā)電要求。

(2) 當(dāng)壩址處來水流量Qp為：1 361.8 m3/s

(3) 當(dāng)壩址處來水流量Qp>6 700 m3/s時，電站停機(jī)，泄水閘全部開啟泄洪，以確保工程的安全運行。

2.2.2電站單獨運行試驗

電站4臺機(jī)組滿發(fā)運行(閘上游水位Z=38.0 m、Q=1 361.8 m3/s)的試驗表明(見圖3)：

圖3　初擬方案進(jìn)水渠流態(tài)和流速分布示意圖(單位：m/s)Fig.3 Diagram of flow regime and velocity of the initial scheme

(1) 上游河道水流進(jìn)入電站進(jìn)水渠時，受進(jìn)水渠左導(dǎo)墻(頂高程39.0 m)阻水的影響，進(jìn)水渠進(jìn)口斷面左側(cè)水流斜向進(jìn)入進(jìn)水渠內(nèi)，進(jìn)水渠內(nèi)中下游段左側(cè)約1/3過水?dāng)嗝鏋榛亓鲄^(qū)，回流流速較大值約1 m/s，增大了進(jìn)水渠與其上游河道的水位差，增加了進(jìn)水渠段的水頭損失。

(2)上游攔沙坎布置在進(jìn)水渠的進(jìn)口斷面(攔沙坎頂高程為27.2 m)，減小了進(jìn)水渠進(jìn)口斷面的過水面積，攔沙坎頂入流流速達(dá)約1.9～2.4 m/s，進(jìn)水渠上游河道至電站進(jìn)水口前沿的水位落差為0.47 m，水頭損失值較大。

2.2.3泄水閘閘門全開運行試驗

由于泄水閘閘址區(qū)域河道彎曲且上游進(jìn)水渠左導(dǎo)墻設(shè)置較長和較高，在電站停機(jī)、泄水閘泄流運行時(Qp>6 700 m3/s)，閘上游河道右岸區(qū)域來流受到進(jìn)水渠左導(dǎo)墻阻水作用，進(jìn)水渠左導(dǎo)墻上游端頭部產(chǎn)生較明顯的壅水和繞流，泄水閘右端18～19號閘孔及排漂閘前沿上游區(qū)域形成較明顯的回流區(qū)，明顯減小了泄水閘右端閘孔的入流流速(見圖4)。如在20年一遇洪水頻率流量(P=5%，Q=12 930 m3/s)泄流運行時，右端18～19號閘孔的入流流速只約為各閘孔入流平均流速的40%～50%，泄水閘上、下游河道水位差ΔZ=0.38 m>0.3 m，泄水閘泄流能力不能滿足設(shè)計的要求。

圖4　初擬方案泄水閘運行右端閘孔流態(tài)示意圖Fig.4 Flow regime diagram of right side gate hole of the initial plan

3　上游進(jìn)水渠修改方案試驗

3.1　修改思路

為了改善電站進(jìn)水渠運行流態(tài)、減小進(jìn)水渠段水頭損失，并滿足泄水閘泄流能力的要求，上游進(jìn)水渠修改思路為：①降低進(jìn)水渠左導(dǎo)墻的高程或縮短其長度；②將進(jìn)水渠實體左導(dǎo)墻修改為過水的攔污閘孔；③將攔沙坎往進(jìn)水渠上游移動，增大攔沙坎的過流斷面積。

3.2　修改方案布置

參考已有的工程研究成果和運行[3,4,6]，將進(jìn)水渠左導(dǎo)墻修改為10孔攔污柵閘孔，其總長度112 m；其下游段1～4號閘孔進(jìn)口底部高程為33.5 m，上游段5～10號閘孔進(jìn)口底部高程為29.0 m，各攔污柵閘孔凈寬為7.5 m，中墩厚為2.0 和3.0 m(見圖5)。

攔沙坎布置在進(jìn)水渠左側(cè)攔污柵閘孔的上游，其軸線與閘壩軸線呈55°夾角。攔沙坎頂布置15孔攔污柵閘孔，單孔閘凈寬10 m，閘進(jìn)口底部高程為27.0 m，各閘孔的中墩厚為2.0 m和3.0 m(見圖5)。

圖5　進(jìn)水渠修改方案布置示意圖(單位：m)Fig.5 Diagram of modification scheme of the inler channel

3.3　修改方案試驗

(1)電站4臺機(jī)組滿發(fā)運行時，進(jìn)水渠各攔污柵閘孔入流較平順，左側(cè)1～4號閘孔入流流速約1.3～1.5 m/s(中心垂線平均流速，下同)，5～10號閘孔入流流速約1.5～1.0 m/s；斜向攔沙坎頂?shù)臄r污柵閘孔(11～25號)入流流速約1.0～0.3 m/s，由其下游端閘孔(11號)往上游端閘孔(25號)逐漸減??；進(jìn)水渠內(nèi)水流較平順，進(jìn)水渠段的水位落差為0.09 m(見圖6)。

圖6　修改方案進(jìn)水渠攔污柵閘孔入流流速分布示意圖(單位：m/s)Fig.6 Diagram of the flow velocity of trash rack sluice hole of modification scheme

(2)泄水閘閘門全開泄流時，由于上游斜向攔沙坎攔污柵閘孔(11～25號)的閘墩形成一類似實體導(dǎo)墻，對其上游右岸區(qū)域來流有斜向?qū)Я髯饔茫谂牌l孔和泄水閘18～19號閘孔上游前沿產(chǎn)生回流區(qū)，減小了泄水閘右端閘孔的入流流速。

因此，修改方案進(jìn)水渠布置缺陷為：①左側(cè)1～10號攔污柵閘孔入流流速較大，易吸入污雜物、堵塞柵孔，增大過柵水頭損失，甚至?xí)斐蓶艞l壓彎破壞[7]；②上游斜向攔沙坎攔污柵閘孔(11～25號)的閘墩的斜向?qū)Я髯饔?，降低泄水閘的泄流能力，需優(yōu)化攔沙坎攔污柵閘孔軸線與泄水閘壩軸線的交角；③在魚道的過魚期，魚道上游出口的魚類易從進(jìn)水渠左側(cè)下游端攔污柵閘孔進(jìn)入進(jìn)水渠和電站進(jìn)水口內(nèi)，不利于魚道正常運行。

4　上游進(jìn)水渠推薦方案試驗

4.1　試驗優(yōu)化及推薦方案布置

(1)為了減小上游斜向攔沙坎頂攔污柵閘孔(11～25號)的閘墩對上游右岸區(qū)域水流斜向?qū)Я髯饔?，?jīng)試驗比較后，兼顧泄水閘右端閘孔入流流速和盡量減小斜向攔沙坎頂攔污柵閘孔的長度，確定上游斜向攔沙坎頂攔污柵閘孔軸線與閘壩軸線的較優(yōu)角度為65°(見圖7)。

圖7　電站上游進(jìn)水渠推薦方案平面布置示意圖(單位：m)Fig.7 Diagram of recommended scheme of the inlet channel

(2)上游進(jìn)水渠段內(nèi)的流速由上游往下游電站進(jìn)水口是沿程增大的，為了降低進(jìn)水渠左側(cè)下游端攔污柵閘孔的入流流速、使其各閘孔入流流速較均勻，應(yīng)盡量降低進(jìn)水渠斜坡段下游段(靠電站進(jìn)水口區(qū)域)的流速，使渠內(nèi)上、下游段的流速差值盡量減小。

經(jīng)試驗比較后：①將上游進(jìn)水渠斜坡段坡度由1∶5修改為1∶8，電站進(jìn)口進(jìn)水渠右導(dǎo)墻以4.72°角往上游擴(kuò)寬，以增大進(jìn)水渠的過流斷面；②適當(dāng)增大攔污柵閘孔凈寬，減少其閘孔數(shù)，因此進(jìn)水渠左側(cè)墻布置7孔攔污柵閘孔，斜向攔沙坎頂布置14孔攔污柵閘孔，單孔凈寬均為10 m，1～9號閘孔底高程為29.0 m，其余閘孔(10～21號)底高程為27.0 m (見圖7)。

(3)在進(jìn)水渠左側(cè)1～3號攔污柵閘孔布置活動閘門，兼顧電站發(fā)電運行和過魚期魚道運行的要求。

4.2　推薦方案試驗

4.2.1電站4臺機(jī)組滿發(fā)(Q=1 361.8 m3/s)運行

(1)電站進(jìn)水渠左側(cè)1～7號攔污柵閘孔入流流速約1.1～1.2 m/s(見表1和圖8)，斜向攔沙坎頂攔污柵閘孔(8～21號)入流流速約1.0～0.4 m/s，左側(cè)1～7號攔污柵閘孔入流流速比修改方案相應(yīng)流速減小約20%，有利于攔污柵閘孔的正常運行。

表1　進(jìn)水渠左側(cè)攔污柵閘孔入流平均流速值Tab.1 The inflow velocity average value of the left trash rack sluice hole

注：電站發(fā)電流量Q=1 361.8 m3/s。

圖8　電站上游進(jìn)水渠推薦方案運行流態(tài)和流速分布示意圖(單位：m/s)Fig.8 Diagram of flow regime and velocity of the recommended schemt

(2)進(jìn)水渠內(nèi)各斷面流速分布較均勻，電站左端1、2號機(jī)組進(jìn)口前沿水面回流較弱，回流流速約0.2～0.3 m/s；測試的上游進(jìn)水渠段的水位差為0.08 m，水頭損失較小。由估算，當(dāng)電站上游進(jìn)水渠段水位落差值減小0.1 m時，電站的年發(fā)電量可增加約300～400 萬kWh。

(3)進(jìn)水渠左側(cè)和攔沙坎頂設(shè)置了攔污柵閘孔之后，將上游河道垃圾攔截在攔污柵前，并由泄水閘右端排漂閘孔和設(shè)置在攔污柵閘孔頂?shù)那逦蹤C(jī)聯(lián)合清理攔污柵前垃圾。

4.2.2電站停機(jī)、泄水閘泄流運行工況

在各級洪水流量泄流運行時，上游斜向攔沙坎攔污柵閘孔(8～21號)閘墩對上游右岸區(qū)域來流的斜向?qū)Я髯饔妹黠@減弱，泄水閘各閘孔入流流速較均勻；在20年一遇洪水頻率流量(P=5%，Q=12 930 m3/s)泄流運行時，閘上、下游水位差ΔZ=0.29 m<0.3 m，泄流能力滿足設(shè)計的要求。

4.3　電站發(fā)電運行與魚道過魚協(xié)調(diào)

為了兼顧電站發(fā)電運行和過魚期魚道運行要求，進(jìn)水渠攔污柵閘孔調(diào)度運行方式為：

(1)在每年過魚期(3-8月)，1～3號攔污柵閘孔放置活動閘門、不過流，減小魚道上游出口的魚類進(jìn)入電站上游進(jìn)水渠的可能性。1～3號攔污柵閘孔關(guān)閉后，上游進(jìn)水渠流態(tài)和流速分布與21孔攔污柵閘孔全開運行相近，左側(cè)4～7號攔污柵閘孔入流流速略增大，進(jìn)水渠左端1～2號機(jī)組電站進(jìn)口前沿水面回流范圍略增大、回流流速約0.6 m/s，進(jìn)水渠段的水位差(水頭損失)為0.16m(見表1)。

(2)在非過魚期(9月-次年2月)，21孔攔污柵閘孔全部運行，以減小閘孔入流流速和進(jìn)水渠段水頭損失 (見表1)。

綜上所述，由于受樞紐工程布置條件的限制，魚道上游出口位置已確定、無法更改，因此在魚道過魚期和非過魚期，1～3號攔污柵閘孔采用關(guān)閉和開啟的靈活調(diào)度運行方式，較好地解決了電站發(fā)電運行與魚道過魚的矛盾。

5　結(jié)　語

(1)水閘樞紐工程的電站上游進(jìn)水渠布置應(yīng)綜合考慮進(jìn)水渠運行流態(tài)、泄水閘泄流能力、攔污、魚道運行及工程投資等因素，在工程條件許可時，應(yīng)盡量增大進(jìn)水渠四周的入流斷面、降低進(jìn)水渠進(jìn)水斜坡段流速等。

(2)對高陂水利樞紐電站上游進(jìn)水渠布置進(jìn)行了多方案的試驗研究，取消了設(shè)計初擬方案的電站進(jìn)水渠左側(cè)實體導(dǎo)墻，將進(jìn)水渠左導(dǎo)墻和攔沙坎修改為多孔攔污柵閘孔布置，調(diào)整了攔沙坎頂攔污柵閘孔軸線與閘壩軸線的交角，并將進(jìn)水渠進(jìn)水斜坡段坡度由1∶5修改為1∶8、擴(kuò)寬進(jìn)水渠等，明顯改善了其入流條件和運行流態(tài)，滿足了泄水閘泄流能力和魚道運行的要求，并減小了進(jìn)水渠段的水頭損失。

(3)本工程電站進(jìn)水渠推薦方案布置較新穎，雖然其前期工程投資會增大，但其長遠(yuǎn)的發(fā)電效益是非?？捎^的。研究成果得到了工程設(shè)計的采用，可供類似工程設(shè)計參考。

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參考文獻(xiàn)：

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