喀群一級(jí)水電站壓力前池排冰排沙設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

崔 忠，石 嵚

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

喀群一級(jí)水電站是葉爾羌河西岸輸水總干渠上的引水式水電站，位于新疆莎車縣喀群鄉(xiāng)境內(nèi)?？θ阂患?jí)水電站引水渠設(shè)計(jì)流量為60 m3/s，加大引水流量為70 m3/s，電站裝機(jī)容量為21 MW，保證出力12.2 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.53億kW·h。電站由進(jìn)水閘、引水渠、壓力前池、泄水陡坡、壓力鋼管、廠房、尾水渠及附屬建筑物組成。

葉爾羌河是一條多泥沙、多冰凌河流；多年平均含沙量4.44 kg/m3，年平均輸沙量2870萬(wàn)t，7～8月是葉河的洪水期，也是渠道來(lái)沙的高峰期，加上渠道沿途設(shè)有兩個(gè)納洪口，沙情非常嚴(yán)重。最大冰流量6.3 m3/s，冰期101 d，每年11 月至次年3 月，是葉爾羌河的行凌期，由于渠首無(wú)法排冰，大河冰凌全部進(jìn)入13 km 長(zhǎng)的電站引水渠，冬季電站運(yùn)行方式采取輸冰運(yùn)行。

2 壓力前池排冰排沙設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

2.1 原設(shè)計(jì)方案布置

壓力前池是引水式水電站防冰、排沙的最后一道防線，電站壓力前池采用正面排冰、排沙，側(cè)面引水方式布置，并在排冰、排沙閘前布置了長(zhǎng)度為52 m 的緩流渠段（連接渠），斷面采用與排冰閘同寬的矩形渠道，進(jìn)水閘中心線與渠道中心線夾角為58°，在進(jìn)水室前端底板設(shè)一道圓形斷面排沙渦管。原設(shè)計(jì)布置見(jiàn)圖1。

圖1 喀群一級(jí)水電站前池原設(shè)計(jì)布置圖

2.1.1 原設(shè)計(jì)模型排冰試驗(yàn)

喀群一級(jí)水電站冬季引用流量28 m3/s，電站冬季運(yùn)行時(shí)采用輸排冰運(yùn)行方式。輸冰運(yùn)行時(shí)使用兩臺(tái)機(jī)組，單機(jī)流量為14 m3/s，全部流量與水中的軟冰凌均用于發(fā)電；排冰運(yùn)行時(shí)使用一臺(tái)機(jī)組，單機(jī)流量為17.1 m3/s，剩余10.9 m3/s流量用來(lái)排冰，發(fā)電水與排冰水的比例為1∶0.64。

試驗(yàn)結(jié)果表明，冬季引水流量為28 m3/s 時(shí)，引水渠的平均流速為1.4 m/s，大于輸冰流速，故大河進(jìn)入引水渠的浮冰能順利輸移到連接渠。而連接渠內(nèi)由于水深增加、流速降低，平均流速為0.62 m/s，加之側(cè)向引水發(fā)電，主流與排冰水流分離，排冰閘前平均流速僅為0.56 m/s，小于排冰流速。另外，排冰閘的中墩采用頭部呈半圓形、寬度為3.4 m 的厚型墩（占閘前水面寬度的1/3），增大了冰凌過(guò)閘的阻力，所以浮冰輸移至連接渠內(nèi)便形成表面冰塞，冰塞的前緣一直向上游推進(jìn)到連接渠與引水渠交接處，此處流速較大，冰凌沿冰塞體的前緣下潛，最終當(dāng)浮冰厚度超過(guò)前池入口處導(dǎo)冰伐的深度時(shí)，冰凌進(jìn)入前池構(gòu)成危害。

2.1.2 原設(shè)計(jì)模型排沙試驗(yàn)

進(jìn)入電站引渠的泥沙以懸移質(zhì)為主。原設(shè)計(jì)前池排沙有兩個(gè)通道，一是排冰閘兼做排沙閘，二是在前室底板設(shè)一道排沙渦管。試驗(yàn)按汛期月平均含沙量投放泥沙，含沙量4.03～5.87 kg/m3。經(jīng)測(cè)試，引渠來(lái)水70 m3/s 時(shí)，水中泥沙一部分沉積在連接渠內(nèi)，一部分進(jìn)入前室。

首先打開(kāi)排冰排沙閘，調(diào)節(jié)沖沙流量為18.7 m3/s，這時(shí)電站仍維持3臺(tái)機(jī)發(fā)電，當(dāng)排沙閘打開(kāi)瞬間，排沙效果最好，閘室附近的泥沙順利排往下游。但其影響只到閘墩前1.5～2.0 m遠(yuǎn)，此范圍上游淤積的泥沙仍無(wú)法被水流帶走。如果采用連續(xù)沖沙方式，可使淤積在連接渠中的泥沙向下游推進(jìn)，但同時(shí)泥沙的淤積高度也會(huì)超過(guò)電站前池進(jìn)口的導(dǎo)沙坎，泥沙更大量地進(jìn)入前池。進(jìn)入前池的泥沙，隨著水流流速的降低，逐漸地淤積在前池的底部，泥沙淤高的同時(shí)也會(huì)隨水流向前推進(jìn)，當(dāng)進(jìn)水閘前的排沙渦管內(nèi)淤積了大量泥沙時(shí)，開(kāi)啟位于前室沖沙廊道的閘門，閘門開(kāi)啟的瞬間，能將沖沙閘前某一范圍內(nèi)的泥沙迅速?zèng)_走。在影響范圍內(nèi)渦管內(nèi)能形成螺旋流。據(jù)觀測(cè)，渦管排沙的影響長(zhǎng)度約6 m，占渦管總長(zhǎng)度的1/3，其余2/3段內(nèi)淤積的泥沙仍無(wú)法排除。

試驗(yàn)結(jié)果表明，電站排沙系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在一定問(wèn)題，無(wú)論是排沙閘還是排沙渦管，都不能有效排除淤積在前室及連接渠內(nèi)的泥沙。

2.2 修改方案一模型排冰試驗(yàn)情況

針對(duì)原設(shè)計(jì)存在的排冰問(wèn)題，對(duì)前池布置進(jìn)行了如下修改：將連接渠的寬度由原來(lái)的10.4 m改為8.0 m；將排冰閘的中墩取消，使排冰孔由兩孔變?yōu)橐豢祝粚⑴っ骈L(zhǎng)度由原來(lái)的25.0 m 改為37.5 m。修改的目的是減小連接渠的過(guò)流斷面，提高輸排冰流速，減小連接渠阻冰影響。經(jīng)試驗(yàn)觀測(cè)，修改后的連接渠水流流速較原方案有所提高，冬季運(yùn)行時(shí)連接渠流速達(dá)到0.96～1.12 m/s。但主流轉(zhuǎn)彎后，排冰閘前的流速明顯減小，排冰閘前表面流速為0.66 m/s。水流在前池產(chǎn)生大范圍的回流區(qū)。該方案的流速模擬排冰試驗(yàn)結(jié)果表明，此方案的排冰效果雖好于原設(shè)計(jì)情況，但仍沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其原因是連接渠縮窄后，渠道的單寬冰流量增加，即浮冰的厚度增加，所需的渠道輸冰臨界流速也要增加，雖然該方案連接渠的平均流速已較原設(shè)計(jì)時(shí)有所提高，但還未達(dá)到輸冰臨界流速。當(dāng)渠道來(lái)冰量達(dá)到0.40 m3/s 時(shí)，在引渠與連接渠的變化斷面首先發(fā)生表面冰塞，當(dāng)冰流量為0.15 m3/s 時(shí)，冰塞發(fā)生在排冰閘前的低流速區(qū)，且浮冰由此向上游發(fā)展。經(jīng)試驗(yàn)，該方案排冰運(yùn)行時(shí)能保證冰凌順暢排走的最大冰流量為0.10 m3/s，排冰用水量為10.9 m3/s，冰水比達(dá)到1∶109。

2.3 修改方案二模型試驗(yàn)情況

針對(duì)修改方案一排冰運(yùn)行中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)再次對(duì)方案進(jìn)行了修改?？紤]到應(yīng)使水流的主流方向與冰凌運(yùn)動(dòng)的方向一致，這樣可以集中全部水能將冰凌推到排冰閘前，將連接渠的寬度改為12.0 m，并使排冰閘的寬度與連接渠相等，并將排冰閘位置移到上游前池分水口之前，并在閘后設(shè)隔板將水分成上下兩股；上層為排冰道，下層為進(jìn)水道；將扭面長(zhǎng)度改為40.0 m，扭面底坡由原來(lái)的1∶14.5 改為1∶16.5；取消前室進(jìn)口底部的擋沙坎，使前池的底高程與連接渠底高程相同。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，排冰閘下層水流受左側(cè)弧形導(dǎo)墻的頂托后，左側(cè)水流發(fā)生逆行，并在排冰閘前形成大范圍的回流區(qū)，回流區(qū)前緣接近扭坡始端，下緣在排冰閘附近，回流寬度占水面總寬度的1/3，回流的存在對(duì)排冰極為不利。

經(jīng)測(cè)量，冬季枯水位運(yùn)行時(shí)（排冰工況），扭面末端左岸的平均流速為0 或負(fù)值，右岸的平均流速為1.0 m3/s，流速分布極不均勻。在排冰閘前兩側(cè)有立軸漩渦。進(jìn)入前池的水流受彎道環(huán)流的影響，主流偏向左岸，前池水流呈順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。設(shè)計(jì)流量下3 臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，排冰閘兩側(cè)也有立軸漩渦。前池水流紊動(dòng)較枯水期運(yùn)行時(shí)還要強(qiáng)烈，前池左岸的底流速為1.65～1.88 m/s，右岸的底流速為0.1～1.16 m/s。

試驗(yàn)結(jié)果表明，冰流量較小時(shí)（小于0.25 m3/s）冰凌尚可通過(guò)排冰閘，冰流量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)（0.40～0.64 m3/s），浮冰在閘前扭坡段形成表面冰塞，冰塞體向上游發(fā)展延伸至引渠末端，上游冰凌在此處下潛，使冰塞體逐漸加厚，最終導(dǎo)致冰凌進(jìn)入前池。分析冰塞的原因，主要是排冰閘下層進(jìn)入前池的水流受左岸弧形導(dǎo)墻的頂托，左岸水流發(fā)生逆行，在排冰閘前形成大范圍的回流區(qū)，回流寬度占水面總寬度的1/3，回流區(qū)流速小，易發(fā)生冰塞；另一原因是閘前緩流渠水深加大，流速降低，平均流速低于1.0 m/s，小于排冰流速，故形成冰塞體。

2.4 修改方案三模型試驗(yàn)情況

修改方案三是在修改方案二的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步改動(dòng)，其布置如圖2 所示，提高排冰閘前流速，將扭面底坡坡度變緩，由1∶16.5改為1∶320，使該處水深減少、流速增大；讓冰凌順利輸移至排冰閘，在接近排冰閘處，再將底坡變陡，改為1∶2 的坡度，再與前池底部相連。修改扭面的目的是減小扭面段及排冰閘前的水深，提高輸冰流速，消除和削弱排冰閘前的回流。針對(duì)原設(shè)計(jì)方案設(shè)在前室底板下圓形斷面排沙渦管排沙效果差的情況，將排沙渦管改為設(shè)在前室底板之上的方形渦管。

圖2 喀群一級(jí)水電站前池修改方案三布置圖

2.4.1 修改方案三排冰試驗(yàn)

排冰試驗(yàn)表明連接渠段水流的流速較方案二有明顯提高。當(dāng)引水渠按冬季28.0 m3的流量引水、一臺(tái)機(jī)發(fā)電，其余水排冰運(yùn)行時(shí)，引渠末端至排冰閘前的水流分布基本均勻，扭坡段左岸雖有回流區(qū)，但回流區(qū)的寬度僅占過(guò)流總寬度的1/8。經(jīng)測(cè)試，連接渠流速明顯提高，扭坡始端的表面流速為1.67 m/s，排冰閘前的表面流速為1.05 m/s，排冰閘坎上由于水流呈自由跌落狀，其流速增大1.2～1.3 m/s。

該方案排冰運(yùn)行時(shí)，閘前流速較高，水流分布均勻，排冰試驗(yàn)時(shí)浮冰輸移能均勻地向前推進(jìn)，整個(gè)排冰道通暢無(wú)阻，可順利排除流速不小于0.6 m3/s的流冰，此時(shí)的冰水比為1∶17。

2.4.2 修改方案三排沙試驗(yàn)

排沙渦管布置在前池底板之上，底部開(kāi)口與水流流向垂直，斷面為方形。渦管中產(chǎn)生逆時(shí)針螺旋流。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方案渦管中的螺旋流作用強(qiáng)烈，管中的螺旋流能貫通整個(gè)縱斷面，進(jìn)入管中的泥沙在旋滾水流的作用下被迅速排出管外，從而保證了進(jìn)水閘前的門前清。

觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)水位下，沖沙閘無(wú)論是全開(kāi)還是半開(kāi)，均能在管內(nèi)形成較強(qiáng)的螺旋流，當(dāng)管中淤積了大量泥沙時(shí)，在3～4 min 內(nèi)便可將管內(nèi)的泥沙沖盡。如果管中的泥沙沖盡后仍開(kāi)啟沖沙閘運(yùn)行，這時(shí)的沖沙效率是很低的，渦管以外泥沙啟動(dòng)的范圍只有0.5～0.8 m，在此范圍以外的前池流速均佷低，前池底部的平均流速只有0.3～0.4 m/s，泥沙在前池大量淤積，待淤積的泥沙達(dá)到一定厚度時(shí)，前池由于過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，流速相應(yīng)增加，池底的泥沙便被推進(jìn)到排沙管的影響范圍內(nèi)被水流帶走。對(duì)于一些遠(yuǎn)離底板的處于懸浮或躍動(dòng)狀態(tài)的較細(xì)顆粒，會(huì)隨水流向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)入壓力鋼管不為渦管截獲。

3 推薦方案壓力前池布置

兼顧前池配水、排冰排沙最為適宜的方式為正向引水，正向排冰排沙。喀群一級(jí)水電站受地形條件限制，引水渠末端布置在Ⅴ級(jí)階地坎邊緣，前池座落在中更新統(tǒng)密實(shí)的沖積砂卵礫石層上。前池布置為正向排冰泄水，側(cè)向引水發(fā)電。前池-廠房中心線與引水渠中心線呈58°夾角。排冰閘設(shè)于渠道末端，排冰閘后連接段連接排冰閘、泄水陡坡及前室，冬季水流分層運(yùn)行，上層水流排冰，下層水流轉(zhuǎn)58°進(jìn)入前室。連接段底板以1∶3.18的坡度和前室底板相連，平面上不做擴(kuò)散。前室長(zhǎng)8.993 m，寬13.500 m，排沙渦管處于前室末端，利用渦管逆時(shí)針螺旋流將進(jìn)水室前的泥沙沖走，沖沙廊道出口位于泄水陡坡上。進(jìn)水室底板比前室底板高1.7 m，除常規(guī)布置外，進(jìn)水室喇叭口段還設(shè)有排冰、排污側(cè)槽及3 孔開(kāi)敞式平板閘門。平板閘門頂、排冰舌瓣門頂，排冰閘后連接段右邊墻頂高程均比正常蓄水位高7 cm，電站棄負(fù)荷時(shí)兼做自動(dòng)溢流堰。

漸變段長(zhǎng)40.0 m，斷面由梯形漸變至矩型，底寬由3.0 m 漸變至12.0 m，設(shè)計(jì)底坡1∶3000，同引水渠。該設(shè)計(jì)可使?jié)u變段冬季水面寬度接近引水渠水面寬，盡量消除因流道改變引起的阻冰因素。該段末端斷面平均流速可達(dá)0.84 m/s，即可使部分下潛冰凌浮起，又不至于引起冰凌在該處淤塞而平穩(wěn)通過(guò)排冰閘，夏季該斷面平均流速為1.38 m/s，不會(huì)造成泥沙淤積。

4 結(jié)語(yǔ)

喀群一級(jí)水電站前池原設(shè)計(jì)排冰閘位于前室下游，排冰閘軸線與引水渠軸線重合，渠道、前室及排冰閘之間設(shè)有矩形連接渠，屬于正向排冰型式，但冬季水流進(jìn)入連接渠時(shí)，流速下降，經(jīng)前室分流發(fā)電，流速進(jìn)一步降低，造成冰凌淤塞，排冰不利。經(jīng)模型試驗(yàn)后將排冰閘設(shè)于渠道末端，提前截取排冰水流，通過(guò)排冰閘上舌瓣門排冰。閘坎高程低于冬季水面80 cm，孔口凈寬12.0 m，不設(shè)中墩。經(jīng)運(yùn)行證明，排冰坎水流自由跌落，排冰道通暢無(wú)阻。

水流過(guò)排冰閘后大部分冰凌被排走，由于排冰閘前流速較高，仍有部分冰凌雪團(tuán)被水流挾帶潛入進(jìn)水室，部分軟冰凌可進(jìn)入壓力鋼管發(fā)電，部分軟冰凌由于前池內(nèi)水流流速降低浮出水面。電站進(jìn)水室設(shè)有排冰泄水側(cè)槽，夏季可以排污泄水，冬季前室浮冰積聚太多時(shí)，可打開(kāi)閘門集中水流沖冰。沖沙渦管斷面尺寸1.4 m×1.4 m，底部開(kāi)口寬0.3 m，設(shè)于前室底板之上，垂直水流布置，水流螺旋運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，排沙效果顯著。