水库泄洪洞和发电联合运行水力特性分析

2017-03-27强丽峰

东北水利水电 2017年3期

关键词：泄洪洞消力池水头

强丽峰

（辽宁省柴河水库管理局，辽宁铁岭112000）

水库泄洪洞和发电联合运行水力特性分析

强丽峰

（辽宁省柴河水库管理局，辽宁铁岭112000）

在一定水库水位、库容情况下，考虑到复杂水力状况以及复杂的地理、地质条件，在已建泄洪洞的基础上，后期增加开挖一发电支洞，目的在于既能满足泄洪灌溉又能满足电站支洞的正常供水发电，实现后洞与前洞的联合调度。通过水工模型试验的方法，利用原有泄洪洞与后加发电支洞供水调配的关系，研究不同工况条件下，各支洞供水流量，下游流速分布等水力特性问题，为双洞布置的水力特性和输水保证提供了基础数据，并确定了解决方案。

柴河水库；泄洪洞；双洞布置；水力特性；模型试验

1 工程概况

柴河是辽河中游较大支流之一。柴河水库是以防洪灌溉为主，结合发电、养鱼的综合性水利枢纽工程。水库按百年一遇洪水设计。万年一遇洪水校核。最大坝高39.7 m，最大库容为5.6亿m3。泄洪洞位于大坝左岸。洞全长328 m。由进口喇叭段、闸门段、渐变段、圆洞段组成。泄洪道进口由桩号0+024.0 m至渐变段末端桩号0+060.0 m，为水平段。洞身由桩号0+060 m至0+217.36 m，底坡i=0.006 35。分岔段为水平段，由桩号0+246.28 m至0+344.0 m，底坡为i=0.005 12。从进口到0+ 217.36 m，泄洪洞和发电洞合一。从0+217.36 m始，发电洞以35°角从右侧与主洞分岔。发电洞全长129.0 m。

电站装有3 200 W的机组2台。总装机容量为6 400 W。在发电洞支岔的右侧还分出一直径为0.61 m的泄水管，流量为1.0 m3/s，以供给工业供水。因水库来水的不稳定性，若布置两条不同洞径输水支洞，直接影响洞内水流流态及流速分布，进而影响到输水保证率，关系到电站机组运行的稳定和发电效益。

对比选择数学模型与物理模型研究方法。数学模型对复杂结构和水流条件分析时，边界条件的假设难以与实际符合完好，采用水工物理模型试验的方法研究双洞布置后，水力特性和输水保证。

2 模型试验内容

2.1 试验目的

水工模型试验解决如下问题：

1）出口明槽段、平台扩散段、渥奇段、静水池的合理布置形式及尾水渠的水流流态和流速分布。

2）泄洪洞弧形闸门全开及局部开启的泄量关系曲线。

3）泄洪灌溉对发电影响试验。

2.2 模型设计与制作

鉴于泄洪洞水流运动的主要作用力为重力。故按重力相似准则进行模型设计。选用长度比尺为1∶40，全部管道模型均采用有机玻璃制作。尾渠用1∶3的水泥砂浆抹制。尾渠末端装有宽40 cm的矩形量水堰进行泄洪流量量测。电站支洞末端的蜗壳、水轮机和尾水管难以模拟，只在支洞末端装有两个球形阀门，以控制发电水头进行水锤压力试验。在电站尾渠上接三角量水堰进行发电流量量测。

3 泄洪洞出口静水池消能试验

3.1 原布置试验及存在的问题

泄洪洞出口与宽4.1 m，长30 m的明槽段相连接。为减少入槽单宽流量，增大傅汝德数，提高效能效率，桩号0+396 m至0+416 m为平台扩散段。桩号0+416 m至0+436 m为渥奇段。渥奇段末端与宽17.1 m、长为40 m、深为4.5 m的矩形静水池相连接。分别进行了校核水位115.0 m，设计水位111.3 m，正常高水位108.0 m，防洪限制水位104.0 m的试验观测，结论叙述如下：

1）明槽段、平台扩散段、以及渥奇段：在放水试验中，观察到明槽水流流态较好。当水流经过明槽段进入扩散段后，由于高速水流对边界条件的改变极为敏感，从两侧扩散点起，激起两道折冲波，使扩散后的边界水深偏浅。当遇百年设计洪水时，在0+402 m断面，中间高出两侧1.0 m左右。相反的，从0+404 m断面至渥奇段末端一段两侧隆起。百年设计洪水时两侧与中央高差为0.46 m。两侧表底平均流速16.6 m/s，中间表底平均流速为19.3 m/s。

据上分析，虽然存在折冲波的干扰，但总的来看干扰幅度不大，单宽流量基本均匀。明槽段、平台扩散段及渥奇段水流情况基本满足要求。

2）当模型施放校核流量时，水流经渥奇段入静水池，由于静水池两侧边墙突然收缩，使两侧水流顶冲边墙，反射后水股跳齐，形成水冠。另外，由于消能容积不足，在池内产生远驱式水跃，跃首离消力池起点16 m左右。由于效能效果不佳，使尾渠水面波动较大，当百年洪水时波峰与波谷高差0.82 m。正常水位和防洪限制水位泄流时效能效果尚好，但尾渠仍有波动。

3.2 修改布置试验与终结方案的选择

原布置试验结果表明，消力池存在的主要问题是消力池容积不足，拟采用加消力坎，降低和加宽消力池等措施。其结果分述如下：

1）加消力坎方案。试验结果表明：虽然消除了远驱水跃，但仍在池内产生不稳定水跃。当水流顶冲消力坎时，在坎顶处产生局部拥高。过坎后造成明显跌落，产生二次水跃。效能效果不佳，不宜采用。

2）降低消力池底高程方案。

在保持消力池的长度和宽度不变的情况下，将原设计池底高程由69.5 m降到68.5 m和67.5m二种情况，分别进行修改试验。试验结果两种池底高程均在池内产生淹没水跃。与原设计相比效能效果有所改善。但是，由于消力池宽度不够，在消力池两侧产生纵向回流。由于水跃波动比较激烈，使尾渠水面波动仍较严重，不利工程安全。

3）扩散式消力池方案。根据地质地形等情况，模型修改中进行了不同扩散角度的比较试验。将平面矩形消力池按原设计边墙角度扩散。从渥奇段末端一直扩散到消力池末端。宽度为30.1 m。这时在池内产生淹没式水跃，消除了原设计由于消能不充分而在尾渠产生的水面波动，水流流态好。

综上所述，采用池底高程为68.5 m的扩散式消力池作为工程最后的选定方案。

4 泄流能力试验

模型在泄洪洞出口弧形闸门全开和局部开启的情况下，进行了库水位与泄流量的关系试验。

根据模型实测数据，按公式：

式中：μ——流量系数；A——泄洪洞出口断面面积，m2；h——工作水头，m；Q——流量，m3/s。

算得流量系数值为0.64～0.69。随着水位的增高而加大。当水位上升到108.2 m以后，流量系数近于常数等于0.69。而总水头损失系数，随着库水位的增高而减少，当库水位上升到108.2 m以后也为一常数为1.11。模型实测流量较原设计偏小3.13%～4.6%，主要原因是模型试验管道各段总水头损失系数，大于设计所取各段总水头损失系数。当泄洪洞进口加拦污栅后泄流量又较不加拦污栅时少4%～6%。

5 泄洪灌溉对发电的影响试验

5.1 泄洪对发电的影响试验

通过试验主要是要求得出在泄洪情况下保证水电站额定出力的泄量限值，即得出各种库水位情况下的泄洪洞出口弧形闸门的不同开启高度。

试验时，先固定出口弧形闸门开度，放入模型某流量后，查看电站流量，如果小于电站设计流量24.0 m3/s，则加大模型总流量。随着模型总流量的加大，电站流量随之增加。当趋近于24.0 m3/s，再调正各机组尾门，使由水轮机高程算起的净水头等于电站设计水头24.7 m。调正后，当经过电站的流量和水头都满足电站额定出力的要求时，记下库水位和总流量，总流量减去发电流量即为该库水位下，保证电站额定出力的泄量限值。共进行了5组试验，以库水位109.4，110.4，112.25，113.9，116 m绘制泄洪时各水位下保证电站额定出力的泄量限值表，以库水位109.4，110.4，112.0，114.0 m，绘制单独泄洪与泄洪发电同时运转之泄量比较表，可以看出，当泄洪洞的弧形闸门开度与库水位一定时，泄洪洞与发电洞同时运转情况下，泄洪洞泄量比单独泄洪的大，这主要是因为2种情况下岔管水头损失不同的缘故。

5.2 灌溉对发电的影响试验

当库水位在108.0 m以下时，要求灌溉放水150 m3/s。水电站以额定出力的83%，88%，90%。运转时，要求试验来确定库水位的限值。

由于模型未做蜗壳，水轮机和尾水管，而这几部分的水头损失也很难计算，因而试验时水头是按水轮机安装高程算起的净水头控制的。所以运用这部分试验成果时，应根据实际情况对机组出力加以修改。试验时放入模型总流量150 m3/s，然后调整泄洪洞出口弧形闸门开度，使经过发电洞流量和水头都满足要求。记下库水位和弧形闸门开度。并进行了4组试验，成果，见表1。