木扎特河阿合布隆水电站压力前池的设计与应用

经敏川

技术论坛

(新疆电力设计院，乌鲁木齐 830000)



木扎特河阿合布隆水电站压力前池的设计与应用

经敏川

技术论坛

(新疆电力设计院，乌鲁木齐 830000)

摘要：水电站压力前池的功能主要有：将引来的水均匀地分配给各压力水管；当水轮机引用流量迅速改变，在压力水管中产生水击时，水击波受前池自由水面的反射，使水击波仅限制在压力水管中而不致引起过大的水击压力；当压力水管流量变化时，前池中也就立即相应出现涌波或落波，而设于前池的侧堰可以限制涌波的升高，前池的水体又可减小落波，因而可以减少非恒定流对引水渠道的不利影响；便于清除由引水渠道进入的污物、泥沙、浮冰等，以减少对水轮机的影响。

关键词：水电站；压力前池；功能；结构设计；工程应用

1概况

阿合布隆水电站地处拜城县境内，为径流引水式电站，工程由引水渠首、引水渠、压力前池、压力管道、厂房、尾水渠、泄水陡坡、升压站及生活区等部分组成。该水电站从木扎特河总干渠引水，设计流量45 m3/s，设计水头40.6 m，通过3.47 km的渠道输水至前池。河流泥沙主要来自汛期，多年平均含沙量2.88 kg/m3，经过阿合布隆渠首排沙后，进入引水渠的平均含沙量为0.425 kg/m3。该地区属大陆性温带干旱气候，多年平均气温为7.4 ℃，7月最热平均气温为19.4 ℃，1月平均最冷气温为-10.8 ℃，最低气温的季节也有5.43 m3/s的流量，因此电站冬季也可以发电。

前池作为枢纽建筑物，主要承担停机泄水、汛期排沙、运行期清污、冬季排冰、压力管进水等功能，是保证电站顺畅运行的核心。

2压力前池在阿合布隆水电站的应用

2.1　前池工程布置

根据工程总体布置，采用正面引水发电，侧向泄水排冰、排沙，闸门控制进水方式，前池由以下各部分组成：

1)池身及渐变段：前池设渐变段(扩散段)将引水渠道加宽加深，以保证压力水管进口水流平顺，水头损失小，不产生旋涡。

2)压力水管进口：采用岸塔式进水口，闸门控制。

3)泄水道：采用侧堰溢流，将多余的水量泄放至下游。

4)拦污栅、清污机、排砂廊道及排冰道等设施：用于拦阻及清除杂物，排除泥沙和冰凌。

前池平面布置及剖面结构见图1、图2。

2.2　前池结构设计

2.2.1连接段

前池连接段长24 m，底宽11.2 m，渠深4~5.08 m，纵坡i=1/2 000，引渠末端与前池连接处底板高程1 780.312 m。底板厚0.4 m，采用C25钢筋混凝土结构。底板座落在砂砾石基础上，两侧外边墙均填筑而成，填筑顶宽0.5 m，填筑外边坡1∶1.5，所有结构缝及伸缩缝均采用两道P651型止水橡皮。

2.2.2排冰闸及分水闸

本工程采用侧向排冰、排砂、正面引水发电的布置形式，排冰闸与分水闸呈90°，排冰闸与引水渠布置在同一轴线上，排冰闸闸后与泄水侧堰共同接宽5 m的矩形断面泄水槽。

排冰闸采用C25钢筋混凝土结构，共2孔，底板高程1 780.882 m，设检修门和舌辨门各一道，检修门孔口尺寸3.6 m×5.0 m，采用平板钢闸门；舌辨门孔口尺寸3.6×5.0 m。分水闸也采用C25钢筋混凝土结构，共1孔，底板高程1 776.732 m，设平板钢闸门，门孔口尺寸1.5×1.3 m。

图1压力前池平面图

图2　压力前池结构图

2.2.3前室

前室与一段纵坡为1/2000的梯形渠相连，前室长49.5 m，宽11.2～15 m，水深6.84～9.19 m，前室边墙和底板采用分离式结构，边墙为重力式挡土墙。底板厚0.4 mC25钢筋混凝土结构。前室底板座落在砂砾石填方基础上，一侧外边墙充当溢流堰，堰长49.5 m，采用实用堰，堰高6.99～9.34 m，为重力式挡土墙混凝土结构，堰顶高程1 783.72 m，堰上水头0.65 m，设计溢流45 m3/s。所有结构缝及伸缩缝均采用651型止水橡皮。

2.2.4进水室

进水室长23 m，宽17 m，底板高程1 776.38 m，顶高程为1 785.39 m，采用三孔进水，单机单管运行方式。每孔设一道拦污栅，采用回转式清污机清除污物，进水室采用C25钢筋混凝土整体式结构，拦污栅段底板厚度2.0 m，边墩及中墩厚1.0 m，孔口尺寸4.5×9.01 m，清污机后接一道排污道，后接泄水陡坡。压力管道进水孔口尺寸2.5×2.5 m。为保证机组正常运行，在进水室底板下设排沙廊道，廊道底高程1 774.38 m，比进水室底高程低2.0 m。排砂廊道采用正向引水，侧向排砂，泥砂进入排砂廊道，经冲沙闸进入泄水陡坡。冲砂闸底板高程1 774.38 m，闸顶高程1 785.39 m，正向共设3孔进水孔，进口孔口尺寸为1.5×0.8 m，冲砂闸设在进水室右侧，长4.5 m，宽5.6 m，设一道检修闸门和一道工作门，闸孔尺寸1.5×0.8 m，均采用C25钢筋混凝土结构。

2.3　前池水力计算

2.3.1侧堰堰顶高程的确定

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》(SL/T 205—97)，侧堰的堰顶高程略高于设计流量下水电站正常运行的水面高程△h=0.1 m~0.2 m,本工程取△h=0.15 m。正常水位为1 783.57 m，因此堰顶高程为1 783.72 m。

2.3.2侧堰堰顶长度、堰上平均水头的确定

以水电站突然丢弃全部负荷待水流稳定后全部流量从侧堰溢出为控制工况，计算侧堰泄流能力按下列公式确定：

根据侧堰公式：

(1)

式中：Q为流量，45 m3/s；ML为流量系数，取为0.384；H0为堰顶水头，取0.65m。

计算得溢流堰总长为49.5 m。

2.3.3压力前池特征水位的确定

1)前池正常水位Z正常

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》，以设计流量下水电站正常运行的水位作为前池的正常水位。

Z正常=渠末渠底高程+渠道正常水深=1 783.57 m

(2)

2)前池最高水位Z最高

1.2.1 样品采集 于2014年5月(初花期)在各样地随机采集5份植株、根际土壤和田间土壤，8月(成熟期)田间收集种子，并清选。分别装于自封袋，标记，冰桶冷藏条件下带回实验室。

前池和引水渠内的最高水位按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。侧堰作为控制泄流建筑物，对涌波起到控制作用，其控制工况是：水电站甩满负荷待水流稳定后(涌波已消失)，全部流量从侧堰益处时，将恒定流时的堰上水头乘以1.2的系数，这时的水位定为最高涌波水位。

Z最高=堰顶高程△+1.2H堰

Z最高=1784.259m

(3)

3)前池最低水位Z最低

水电站突然增加负荷前前池的起始水位Z0减去突然曾荷时的最低涌波△hmax。起始水位Z0可取溢流堰顶高程，最低涌波△hmax按一台机组运行突增到三台机组即发电流量由10.0 m3/s突然增大到45 m3/s时的前池水位降落。

另一情况是设计频率枯水期的最小发电流量，渠道正常运行时的工况，同时最低运行水位应保证规范所要求的最小淹没深度。

引水渠道中产生落波时，波的传播速度Cn和涌波高度ζn按一下两式联立求解：

△Qn=CnBn'ξn

(4)

式中：△Qn为行进波流量变化量；35 m3/s；Cn为波速,1.54m/s;Bn'为过水断面在半波处的顶宽；ξn为涌波高度。

波的传播速度的公式为：

(5)

通过试算，得出起始断面的涌波高度为1.51m。

电站进水口最小淹没深度计算公式为：

(6)

式中：h为门顶淹没深度，m；C为经验系数，取0.55；V为闸门断面流速，1.62 m/s；a为闸门孔口高度，2.5 m。

经计算，最小淹没深度h=1.38 m，最低运行水位应保证规范所要求的最小淹没深度。同时满足以上两个要求，前池最低水位确定为1 781.56 m。

4)冲砂闸水力计算

冲砂闸按孔口出流计算公式这：

(7)

式中：Q为过闸流量，m3/s；B为闸孔总净宽，m；h为闸门开启高度，m；μ为孔口流量系数；δ为淹没系数；ε为垂直收缩系数。

计算的孔口高度为1.2。

5)排冰闸过流能力计算

根据闸孔出流计算公式为：

(8)

式中：Q为流量，m3/s ；σs为淹没系数，取为0.547；μ为无坎宽顶堰流量系数，取为0.609；b为闸孔宽，10m；H0为堰顶水头，取2.5m；he为孔口高度3.6m；计算得Q=45.4 m3/s。

2.4　前池稳定计算

主要包括抗滑、抗倾覆稳定计算和地基应力计算。计算分为4个工况：

1)第一工况：完建期。前池内无水，计算荷载包括前池自重，金属结构及机电设备自重。

2)第二工况：运行期。三台机组发电，前池水深为正常水位1783.57m，计算荷载包括前池自重、水重、水压力、扬压力。

3)第三工况：校核期。三台机组甩负荷，前池水位达到最高水位1784.25m。计算荷载包括前池自重、水重、水压力、扬压力。

4)第四工况：地震工况。三台机组发电，前池达到正常水位1783.57m，计算荷载包括自重、水重、水压力、扬压力、地震惯性力、地震动水压力。

①根据抗震设计规范，验算抗滑稳定安全系数计算公式：

(9)

式中：k1为抗滑稳定安全系数；f为基础底面与地基之间的摩擦系数；∑H为作用在闸室上的全部水平向荷载，kN；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；C为基础底面与地基之间的抗剪断黏结力，kPa；A为底面面积，m2。

②进水室基底的应力计算公式

根据结构布置和受力情况，基底压力按下式计算：

(10)

式中：Pmin、max为进水室基底压力的最大值或最小值，kPa；A为进水室基础底面的面积，m2；∑M为作用在进水室上的全部竖向和水平荷载对基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m； W为进水室基础底面对该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m2。

③验算抗倾覆稳定安全系数计算公式为：

(11)

式中：M抗为抗倾覆力矩；M倾为倾覆力矩。

以上计算成果见表1。

表1　主要计算成果汇总表

结论：通过计算分析，抗滑、抗倾覆稳定满足要求，地基应力小于地基承载力350 kPa。

3结语

从工程运行1 a的情况看，压力前池基本达到了设计功能要求，运行正常。由于前池上设有进水闸、排冰闸、冲沙闸、捞污机等重要机械设备，需要运行管理人员随时监控，及时排冰、排沙、清污，观察前池水位变化及是否有异常情况，特别是在冬季，及时捞出冰块及冰雪漂浮物，以免大量冰块、雪块进入前池下沉而堵塞拦污栅及进水口，确保前池安全运行。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.水电站引水渠道及压力前池设计规范[S].北京：中华人民共和国水利部，1998.

[2]张丽.水电站[M].北京：黄河水利出版社，2009.

[3]汪自江.小型水电站压力前池的设计及运行[S].新疆职业大学学报，2001(2)：76-78.

[4]李炜.水力计算手册(第二版)[M].北京：中国水利水电出版社，2006：27-29.

Design and Application of Ahabulong Hydropower Station

Pressure Forebay of Muzhate River

JING Min-chuan

(Xinjiang Electric Power Design Institute，Urumqi 830000，China)

Abstract：Major functions of hydropower station pressure forebay are to distribute evenly water converted to pressure pipes，to limit the water hammer wave in a pressure pipe without causing a large water hammer pressure when the flow rate used by turbine is changed rapidly to produce water hammer in the pressure pipes，the water hammer wave is reflected by the free surface of the front pool，to reduce the unfavorable impacts on diversion channel due to unsteady flow when pressure pipe flow changes,corresponding bore or wave down occurs in forebay，and side weir set in forebay may limit the lifting of bore and water body in forebay may reduce wave down，to remove dirt，sand and ice diverted from diversion channel so as to reduce the impacts on turbine.

Key words：hydropower station；pressure forebay；function；structure design；project application

[作者简介]经敏川(1982-)，男，新疆乌鲁木齐人，工程师，从事水利水电工程勘察设计工作。

[收稿日期]2015-03-05

中图分类号：TV732.6

文献标识码：B

文章编号：1007-7596(2015)08-0036-04