南水北调中线天津干线渠首电站水力设计

王程，康丽，王颖倩

（1.天津市水利勘测设计院，天津 300204；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

南水北调中线天津干线渠首电站水力设计

王程1，康丽2，王颖倩2

（1.天津市水利勘测设计院，天津 300204；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

主要介绍了天津干线渠首电站工程的水力设计过程，采用“陡坡+消力池”的结构型式与下游衔接，从而提高陡坡输水安全性，使总体布置更加合理。

南水北调；天津干线；渠首电站；水力设计

1 工程概况

天津干线为南水北调中线一期工程的重要组成部分，西起总干渠西黑山节制闸，东至外环河出口闸，全长155.5km，设计流量50m3/s，加大流量60m3/s。天津干线依靠65m的地形自然落差自流输水，其中上游占全长7%（10.65km）的无压段采用小断面的无压箱涵输水，其占地形落差的60%（39m），而天津干线渠首部在穿西黑山与东黑山垭口之后的600m的地段地形落差25m，该段线路在可行性研究阶段及初步设计阶段均采用了“陡坡+消力池”结构型式与下游衔接。

从天津干线输水的安全可靠性考虑，目前东黑山陡坡输水无论设计成单线双槽或双线单槽再接消力池消能的型式，主要问题均是高速水流长期经陡坡冲刷而下，再经消力池消能。这种常年运行方式，建筑物的损坏几率很高，维修时间长、工作量大。如采用双线单槽方案，可利用其中1条输水线路设置电站，在正常输水时，通过电站发电消能后，尾水与天津干线无压箱涵平稳衔接；而电站线路出现故障不能发电时，可通过陡槽经消力池消能后输水，以实现电站线路输水发电为主、陡槽线路输水为辅，主辅结合的双线输水功能，以确保安全可靠地向天津输水。

干线渠首电站设计水头26m，装机容量13.5MW，年发电量6064万kW·h，主要建筑物有引水渠、前池、压力管道、电站厂房及尾水池、尾水渠等。

2 水力设计

2.1 电站运行工况简介

电站发电运行应满足输水要求，输水仍以西黑山进口闸弧门开度控制输水流量；在正常发电运用工况下，以输水流量60m3/s均匀流水位为沿线正常水位，为满足电站增减及丢弃负荷运用需要，在分水闸后设溢流侧堰，堰顶高程较正常水位高0.15m。当小流量输水时，以溢流堰尾部正常水位为定水位运行，则水面线呈a1型壅水曲线，流入前池时水位将高于60m3/s流量水位。

发电服从输水，增减流量由输水调度确定，当增加流量时渠首闸门先行操作，当渠道水流稳定并行成溢流后再增加引入流量发电。当减小输水流量时，先行减小电站发电流量，形成溢流后再操作进口闸减小流量。电站前池及高压管道按单机开启增加电站负荷确定沿线最低水位和压力，按全部机组满发丢弃负荷确定沿线最高水位和压力。

2.2 引水渠及前池水力计算

电站引水渠段上游接输水改线段的上游连接段，为1孔宽6.0m纵坡1/800矩形槽，该段主要包括进口检修闸、溢流侧堰、引水渠三段。在进口检修闸后、引水渠道左侧设一宽50m溢流侧堰。本文主要介绍引水渠—压力前池系统恒定流及溢流侧堰水力计算。

2.2.1 引水渠道恒定流水力计算

引水渠内引水流量为Q=60m3/s时，渠内水流接近均匀流状态，正常水深为3.017m。

结合南水北调天津干线进口闸定水位运行。随着引水流量减小，电站引水渠中的水流为缓流，水面线以a1型壅水曲线为主，前池内水位逐渐壅高，采用恒定渐变流公式推算水面线：

渠道末端底高程59.015m，不同流量引水渠末端水深及前池内水位计算结果见表1。

表1 不同流量引水渠末端水深及前池水位

2.2.2 溢流侧堰水力计算

对于前池或引渠设一道侧堰的布置，当电站在设计流量下正常运行，侧堰不溢流；当水电站突然甩全部负荷时，待水流稳定后全部流量从侧堰溢出，为控制工况。溢流侧堰长度为50m，溢流规模60m3/s，相应堰上平均水头为0.827m。

2.2.3 前池水力计算

压力前池正常水位近似取引水渠道通过水电站最大引用流量时渠末的正常水位62.032m。压力前池最高水位，应按照设计流量下正常运行时，水电站突然甩全部负荷时的最高涌波水位确定。前池最低水位可根据水电站运行要求确定，一般前池最低水位为电站突然增加负荷前前池的起始水位减去突然增荷时的最低涌波。水电站突然甩负荷或增负荷时，在引水渠道系统中所产生的正涌波或负涌波，可采用行进波方法来计算。

式中ξn为涌波高度（m）；B′n为过水断面在半波处顶宽（m）；Bn0为断面n－n处初始水面宽度（m）；An0为断面n－n处初始过水断面面积（m2）；vn0为断面n－n处初始平均流速（m/s）。

对于逆行波，根号外取“-”号；对于顺行波，根号外取“+”号；对于正涌波，根号内取“+”号；对于负涌波，根号内取“-”号。经计算，正涌波波高2.20m，负涌波波高1.07m。压力前池最高水位取为64.228m，最低水位取为60.962m。

为保证水电站进水口上缘应有一定的淹没深度，防止产生贯通式漏斗漩涡。经计算，最小淹没深度为4.40m，确定电站进水口上缘高程56.5m，进水口底板顶高程为52.0m。

2.3 压力管道水力计算

压力管道水力计算包括水锤计算和水头损失计算，并通过计算初步判定是否应设置调压室。本文主要介绍压力管道的水锤计算。

2.3.1 上游调压室设置判定

设置上游调压室的条件，作初步判别即：

式中Tw为压力水道中水流惯性时间常数（s）；Li为引水系统各分段的长度（m）；Vi为各分段内相应的流速（m/s）；Hp设计水头（m）；［Tw］为Tw的允许值，取为4s。

经计算，Tw＝3.39s，小于允许值，故本工程不设置调压室。

2.3.2 压力管道水锤计算

本阶段主要计算末端压力钢管的水锤压力以确定压力管道最高及最低压力线。

2.3.2.1 压力管道水锤波的传播速度

式中ε为水的弹性模量，ε=2.1×104（kg/cm2）；E为管壁的弹性模量，E钢=2.1×106（kg/cm2）；D为压力管道的内径（mm）；δ为管壁厚度（mm）。

经计算，α＝790.45m/s。

2.3.2.2 判别水锤压力型式

2L/α＝0.56s＜τs＝5s，即压力水管中发生间接水锤。经计算水管的最大流速为3.77m/s。压力管道两特性常数包括管道系数ρ和管道断面系数σ。

式中H为水电站静水头（m）；V为管道中水流流速（m/s）；Ts为导叶关闭时间，取Ts=10s。

经计算，ρ＝6.08，σ＝0.34。本工程产生水锤为间接水锤中的末相水锤。

2.3.2.3 水锤压力及其分布计算

经计算，压力管道末端最大设计水头为35.19m。

2.4 尾水池及尾水渠道水力计算

尾水池末端设一高1.228m，宽21.40m实用堰，以便尾水池内尾水与下游尾水渠道内水流能较好衔接。

尾水渠道为一孔5.5m×4.3m无压箱涵，经计算，不同流量尾水池及尾水渠道进口水位见表2。

3 结语

（1）水面线推求可采用简化方法进行计算，计算精度可以满足工程设计要求。

（2）侧堰段的水流为复杂的三维流动，用一维流水力学方法进行计算，只能得到近似的结果。

（3）对重要工程或条件复杂的布置宜进行水工模型试验，以验证水力设计的合理性，并根据水工模型试验结果对工程设计进行优化。

表2 不同流量尾水池及尾水渠道进口水位

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Hydrodynamic Design of Canal-head Hydropower Station of Tianjin Trunk Line in Mid-route of South-North Water Transfer

WANG Cheng1,KANG Li2,WANG Ying-qian2

（1.Tianjin Municipal Water-Conservancy Survey and Design Institute,Tianjin 300204，China）
2.Hebei Research Institute of Investigation and Design of Water Conservancy and Hydropower,Tianjin 300250，China）

This article mostly introduces the hydrodynamic design of Canal-head Hydropower Station of Tianjin trunk line. The design use the structural style of“the steep slope section and stilling pool”to join the lower river,it can enhance the security of water delivery in steep slope section,and make the general dispose more reasonable.

South-North water transfer;Tianjin trunk line;Canal-head Hydropower Station;hydrodynamic design

TV222

A

1672-9900（2012）03-0060-03

2012-04-12

王程（1983-），男（汉族），湖北益阳人，工程师，主要从事水利工程设计工作，（Tel）13821225166。