KEG水利樞紐發(fā)電引水系統(tǒng)分層取水進(jìn)水口型式的探討

王紅帥

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

根據(jù)發(fā)電洞進(jìn)水口淹沒深度的要求，進(jìn)水口底板高程位置較低，位于死水位以下，水庫高水位運行且表孔泄洪機會較少的情況下，夏季下泄水溫比天然河道水溫低，冬季下泄水溫比天然河道水溫高。自然河流水溫與大型水庫的水溫垂向分層和下泄水溫有明顯差別，庫區(qū)和壩下河流的環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)受到不利影響?，F(xiàn)有技術(shù)主要從水庫調(diào)度和下泄水流溫度控制等方式來調(diào)節(jié)下泄水溫，以實現(xiàn)下游生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和恢復(fù)。分層取水是確保水電開發(fā)與自然環(huán)境和諧發(fā)展的有效工程措施之一。

1 工程概況

KEG水利樞紐位于河道中游河段，作為該流域控制性水利樞紐工程，建設(shè)任務(wù)為：主要任務(wù)為灌溉，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電。水庫總庫容1.24億m3，電站總裝機容量24MW，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型。

發(fā)電引水洞布置在河床右岸，閘井采用岸塔式。由進(jìn)口引渠、閘井段、洞身段、壓力鋼管段、岔管和支管等組成，設(shè)計引水流量46.8m3/s，最大水頭87.8m，系統(tǒng)總長599.679m。

水庫蓄水后，壩前水深約49m。庫區(qū)水溫隨著水深深度變化，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，為了減緩下游水生生態(tài)在水庫蓄水后因水溫分層而受到不利影響，應(yīng)在經(jīng)常過水的發(fā)電引水洞進(jìn)口閘井段設(shè)置分層引水口。

2 進(jìn)水口分層取水布置方案

分層取水口型式有疊梁門分層取水口和多層取水口兩種型式：多層取水進(jìn)水口沿豎向按取水高度分別設(shè)幾個進(jìn)口，每個進(jìn)水口都能滿足過流能力，根據(jù)水位控制閘門的運行，取表層水；疊梁門分層取水是在傳統(tǒng)的岸塔式閘井上增加一道疊梁門及其啟閉設(shè)備，根據(jù)水庫水位變化情況，調(diào)整疊梁門的數(shù)量，擋住中下層低溫水，保證水庫表層水通過疊梁門頂部孔口進(jìn)入引水道，保證取表層水。

2.1 多層取水口布置及設(shè)計

垂直布置上、中、下層三個進(jìn)水口。下層進(jìn)水口底高程與閘井底板高程相同為0m。中層進(jìn)水口底板高程距下層19m，上層進(jìn)水口底板高程距下層39m。閘井段上游至下游依次布置有清污機、攔污柵段、事故門井段和豎井段組成，閘井總長度40.0m。詳細(xì)布置如圖1所示。

圖1 進(jìn)口閘井縱剖面圖

2.2 疊梁門分層取水口布置及設(shè)計

進(jìn)水口閘井為岸塔式，閘井段長27m，寬17.0～9.6m，底板高程為0m。進(jìn)口設(shè)清污機抓斗門槽和攔污柵各一道，在疊梁門下游布置疊梁門門庫。詳細(xì)布置如圖2所示。

圖2 進(jìn)口閘井縱剖面圖

2.3 進(jìn)水口分層取水方案比較

從地形地質(zhì)條件，工程布置，施工條件，運行管理及投資等方面進(jìn)行綜合比較，具體比選內(nèi)容見表1。

表1 發(fā)電洞進(jìn)水口方案比較表

由以上對比結(jié)果可知：疊梁門進(jìn)水口能夠適應(yīng)水位的大幅變動，具有布置簡單、運行靈活、可靠性好、維修方便等技術(shù)特點，在國外工程中得到了較多運用。我國目前已經(jīng)建成的錦屏一級、糯扎渡、光照、溪洛渡、黃登，以及在建中的兩河口、雙江口等多個大型水電工程都采用了這種布置型式。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容及方法

本工程已通過生態(tài)環(huán)境部批準(zhǔn)。根據(jù)環(huán)評批復(fù)“嚴(yán)格落實分層取水措施。參考水工模型試驗，針對疊梁門分層取水措施設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，建立相關(guān)運行機制”的要求。本工程采用水工模型試驗與三維數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

3.1 進(jìn)口閘井流場三維數(shù)值模擬計算研究

針對進(jìn)口閘井局部流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬計算，論證現(xiàn)布置方案的合理性。根據(jù)進(jìn)水口布置可知，當(dāng)疊梁門高度大于24m時，疊梁門與門庫前置墻之間形成進(jìn)水通道，其間距影響流速，本次設(shè)計間距為3m，分別對2m和4m兩種工況進(jìn)行研究，并對進(jìn)口閘井水流流態(tài)與漩渦特性進(jìn)行研究。計算結(jié)果表明：

(1)當(dāng)疊梁門門頂水頭在3～23m條件下運行時，水位低于疊梁門門庫底板高程，疊梁門門庫對進(jìn)口流速無影響，流速主要與孔口寬度有關(guān)，本工程孔口寬5m，2孔，流速為0.84m/s，滿足規(guī)范要求，未形成有害漩渦。

(2)當(dāng)疊梁門高度大于24m時，疊梁門與門庫前置墻形成進(jìn)水通道，流速與疊梁門與門庫前置墻間距有關(guān)：設(shè)計間距為3m，其流速為1.07m/s，未出現(xiàn)漩渦；當(dāng)間距取2m時，流速為1.47m/s，出現(xiàn)小范圍漩渦；當(dāng)間距取4m時，流速為1.06m/s，未出現(xiàn)漩渦。間距減小流速增大，出現(xiàn)漩渦，故流速不宜大于1.2m/s。

3.2 進(jìn)口閘井大比尺水工模型試驗研究

建立模型比尺為1∶25的進(jìn)口閘井水工模型，模擬部分庫區(qū)與進(jìn)口閘井，模型按重力相似律設(shè)計，進(jìn)口閘井采用有機玻璃模型制作。論證現(xiàn)布置方案的合理性，并研究疊梁門門頂不同水頭的情況下，進(jìn)水口閘井水流流態(tài)漩渦和流速等，試驗結(jié)果表明：

(1)疊梁門門頂水頭6～9m時，疊梁門斷面平均流速試驗值為0.47～0.84m/s，最大值為1.27m/s，攔污柵斷面平均流速為0.21～0.40m/s，最大流速為0.87m/s；疊梁門門頂水頭3～6m時，疊梁門斷面平均流速試驗值為0.75～1.56m/s，最大值為1.79m/s，攔污柵斷面平均流速為0.23～0.47m/s，最大流速為1.17m/s。

(2)各運行工況下，攔污柵斷面最大流速為1.17m/s，小于1.2m/s，依據(jù)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分層取水進(jìn)水口滿足設(shè)計規(guī)范要求。

(3)試驗觀察結(jié)果表明，當(dāng)疊梁門門頂水頭為3～9m之間變化時，各運行工況下進(jìn)水室內(nèi)水面平穩(wěn)，均無漩渦出現(xiàn)。

3.3 進(jìn)口閘井下泄水溫數(shù)值模擬研究

通過建立三維水溫-水動力數(shù)學(xué)模型，對進(jìn)口閘井下泄水溫進(jìn)行了預(yù)測分析，計算結(jié)果表明：

(1)疊梁門分層取水較底孔下泄水溫升高明顯，最大升溫分別為2.69℃(25%)、2.71℃(50%)和2.79℃(90%)，25%、50%和90%來水頻率均出現(xiàn)在4月。

(2)采用疊梁門分層取水后，下泄水溫較天然河道水溫仍普遍較低，最大溫差分別為-0.35℃(25%)、-0.73℃(50%)和1.96℃(90%)，其中25%、50%來水頻率均出現(xiàn)在4月，90%來水頻率出現(xiàn)在5月。

(3)當(dāng)疊梁門門頂水頭為3～9m時，疊梁門節(jié)高改變對下泄水溫影響不明顯。本工程疊梁門門頂水頭取6～9m，下游河道段水溫恢復(fù)后能夠滿足魚類產(chǎn)卵所需水溫條件，同時基本滿足灌溉水溫需求。

4 疊梁門運行調(diào)度方案探討

4.1 水庫調(diào)度運行方式

水庫運行方式需根據(jù)綜合利用任務(wù)的要求進(jìn)行擬定：在滿足河道生態(tài)基流下泄流量要求的基礎(chǔ)上，每年6月中旬至8月上旬水庫水位降至死水位排沙運行；8月中下旬，水庫蓄水，運行控制水庫水位不高于汛期限制水位；9月份開始汛期結(jié)束，為解決灌區(qū)春灌缺水問題，水庫在滿足下游各業(yè)用水的前提下，可蓄水至正常蓄水位。按照上述擬定的水庫運行方式，本工程可滿足灌溉、防洪、兼顧發(fā)電等綜合利用要求。

4.2 疊梁門運行調(diào)度方案

由上文工程整體運行調(diào)度方案可知，4月份水庫水位調(diào)度范圍為22.6～40.0m，5月份水庫水位調(diào)度范圍為0～40m，即疊梁門運行調(diào)度需結(jié)合水位變化制定，具體見表2。

表2 疊梁門運行調(diào)度方案

5 結(jié)論

(1)疊梁門進(jìn)水口型式實現(xiàn)表層取水，適應(yīng)水位的大幅變動，滿足下游生態(tài)環(huán)境要求。具有工程投資低、布置簡單、運行靈活、可靠性好、維修方便等技術(shù)特點。比多層進(jìn)水口型式更優(yōu)。

(2)下泄水溫與疊梁門門頂水頭有密切關(guān)系，在滿足疊梁門運行靈活的同時，保證疊梁門運行中取得較好的分層取水效果。

(3)疊梁門門庫位于疊梁門下游時，在門庫高程范圍內(nèi)，進(jìn)口流速受疊梁門與門庫前置墻間距的影響，后續(xù)設(shè)計應(yīng)重點考慮。

(4)疊梁門門頂水頭對下游進(jìn)水室水流流態(tài)影響較大，保證疊梁門下游進(jìn)水室水面平穩(wěn)無漩渦出現(xiàn)，滿足安全運行條件。