石泉水电站水库泄流方式对消力戽的影响

吴相伦

（大唐石泉水力发电厂，陕西石泉，725200）

石泉水电站水库泄流方式对消力戽的影响

吴相伦

（大唐石泉水力发电厂，陕西石泉，725200）

根据石泉水库泄流方式，分析高速水流对石泉中孔消力戽和表孔消力戽空蚀影响，统计最近一次消力戽大修后泄流对消力戽的影响，并在洪水过后及时抽水检查，进行验证，将石泉消力戽的运行注意事项和损坏规律总结出来，指导今后的运行。

消力戽；石泉水库；空蚀；影响

1 工程概况

石泉水电站位于陕西省石泉县境内的汉江上,是汉江上游最早建成的一座大（Ⅱ）型水电站，建于20世纪70年代初期。坝址以上控制流域面积23 400 km2，多年平均流量342 m3/s，设计洪峰流量21 500 m3/s。原电站装机容量3×4.5万kW，多年来平均发电量6.06亿kW·h。石泉二期扩机工程利用原电站大坝在左岸开凿引水隧洞，一洞两机，在左岸边布置厂房，2×4.5万kW发电机组于2000年建成发电，目前石泉电站总装机容量达5×4.5万kW。水库正常蓄水位410.00 m时，相应库容3.98亿m3（2011年3月实测库容为2.738亿m3），为季调节水库，死水位400.00 m，汛期限制水位405.00 m，设计洪水位410.29 m，校核洪水位415.21 m（2012年大坝定检洪水复核水位）。

大坝为混凝土空腹重力坝，最大坝高65 m，坝顶长度353 m，坝基岩石为石英片岩。表孔4个，中孔5个，排沙孔2个，非常溢洪道1个，其中4个表孔和5个中孔消能方式主要以消力戽消能为主，也是国内第一座采用消力戽消能的水电站。消力戽消能是利用泄水建筑物出流部分造成具有一定反戽半径和较大挑角所形成的挑坎（亦称戽斗），在下游尾水淹没挑坎的条件下，使从建筑物下泄的高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，并通过戽后的涌浪及底部旋滚获得较大消能效果，但在泄洪过程中，不确定因素太多，特别是高速水流形成的空蚀对戽斗表面的冲刷磨损更严重，下文重点就石泉电站泄洪过程对表孔和中孔消力戽的影响进行探索。

2 水库泄流方式

（1）当预报入库流量在3 000 m3/s以下时，以发电调度为主；当库水位在400～405 m时，控制下泄流量不大于入库流量；当库水位在405 m左右时，控制下泄流量等于入库流量。

（2）当预报入库流量在3000m3/s以上、10000m3/s以下时，以泥沙调度为主；水位在400 m左右运行，控制下泄流量小于入库洪峰流量。

（3）当预报入库流量在10 000 m3/s以上时，以防洪调度为主。

（4）当入库流量等于或大于13 700 m3/s、且库水位已超过405 m时，除小表孔外所有闸门全开。

（5）当入库流量等于或大于16 300 m3/s时，所有闸门全开，大坝呈自由泄流状态。

3 消力戽历年维修情况简介

石泉电站消力戽自1986年汛前改造大修完成后，运行两年，于1988年1月进行了第一次抽水检查和局部维修，经过9年运行后，于1997年进行了第二次大修。第二次大修处理环氧砂浆抹面891.68 m2，环氧胶液抹面1 361.35 m2；环氧砂浆抹面最大剥落厚度20 mm，非常溢洪道导墙混凝土最大冲蚀深度500 mm，露筋面积约3 m2。2009年进行抽水检查，冲蚀、脱落面积达860.42 m2。2010年11月1日再次对消力戽进行第三次大修。

4 高速水流对消力戽空蚀影响

泄洪闸门开启后，洪水在下泄过程中，空气会大量渗入水流中，形成水气混合物，这种混合物能加强消能作用，减轻水流对消力戽的冲击力，但在高速水流下不确定因素太多，往往不是单纯对消力戽消能的增加，而是形成空蚀，对消力戽的破坏力更大，特别是消力戽戽面年久失修，凹凸不平，这种情况形成的空蚀更为频繁，对消力戽的破坏更大。判断空蚀往往以空穴数σ进行判断。

式中：p及v为水流未受到边界局部变化影响处的绝对压强及平均流速（理论情况下）；pv为蒸汽压强；ρ为水的密度。

根据公式（1），绝对压强越低，空穴数越小，发生空穴的可能性就愈大。当σ值降至某一数值σi时即开始发生空穴，这个空穴数σi叫初生空穴。初生空穴数的大小随边界条件而异，对于某种边界轮廓，初生空穴数是一个固定数值，通常可由试验模型可得。根据水力学模型试验的相似原理，石泉消力戽初生空穴数σi可取2.4，绝对压强H2O，查得25℃蒸汽压强为=0.323 m H2O，g= 9.8m/s2。根据公式（1）计算中孔和表孔空穴数见表1。

根据表1计算结果，中孔闸门只有在死水位400 m左右运行时开启才会产生空蚀，形成对消力戽的影响。根据石泉水库运行规则，除了在进行水库排沙时，一般不会在400 m左右开启中孔运行；表孔在任何水位运行下都产生空穴，特别是在低水位的情况下，空穴数远远大于初生空穴数，空蚀对消力戽的影响更加明显。

表1 中孔、表孔在不同库水位运行情况下对应的空穴数Table 1 Cavitation numbers of middle and surface outlet under different reservoir water level

5 2011～2014年泄洪闸门运行情况统计

2010年11月份完成对所有消力戽大修后，经过4年泄洪考验，中孔及表孔闸门运行时间见表2。

6 2014年消力戽检查情况

经过4年的泄洪运行，2014年11月份组织专业人员对中孔及表孔消力戽进行水下检查。检查发现运行频率较高的表孔1、表孔2戽面出现了损坏。

6.1 检查方法

（1）本次水下检查工程采用管供式空气潜水进行水下目视检查。潜水员配备管供式空气潜水装具、水下照明设备、水下摄像机、潜水电话和水下测量工具，水下摄像机通过摄像电缆与水面监视器连接，确保检查过程中水面监控和水下检查工作的同步。

表2 2011～2014年泄洪闸门运行情况统计表Table 2 Statistics of sluice gate operation from 2011 to 2014

（2）潜水员入水后，按照预先制定的行动路线，对指定的消力戽结构进行检查，凭借目视、触摸等手段进行直观判断，并使用仪器、工具进行测量，同时将水下作业情况及数据通过摄像机和潜水电话传输给水面监控人员。

（3）水面技术人员通过监视器屏幕图像与潜水员电话联系，可对水下情况进行及时、直观、准确的判断，指挥潜水员对空蚀情况进行更详细检查，并完成水下图像和声音信号的录制，形成永久性记录资料。

6.2 检查结果

6.2.1 3号、4号表孔消力戽及导墙检查结果

检查发现3号、4号表孔消力戽底板光滑平整，有2mm厚附着物；左右岸导墙完好，未发现任何破坏。

6.2.2 1号、2号表孔消力戽及导墙检查结果

检查发现1号、2号表孔消力戽底板有1处冲刷破坏，其余部分光滑平整，有1 mm厚附着物；右岸导墙与戽底板交界处有1处冲刷破坏，左岸导墙完好。

消力戽底板冲刷：1号、2号表孔消力戽底板，在坝下0+62.69、坝右0+200.54发现一处冲刷破坏，其上下游长29 cm，左右岸长22 cm，破坏最大深度14 cm，粗骨料裸露。

导墙冲刷：2号表孔消力戽右岸导墙与消力戽底板交界处，在坝下0+65.50发现一处冲刷破坏，其上下游长14 cm，高19 cm，破坏最大深度10 cm，粗骨料裸露。

6.2.3 4号、5号中孔消力戽及导墙检查结果

检查发现4号、5号中孔消力戽底板光滑平整，有1 mm厚附着物；左右岸导墙完好，未发现破坏。

6.2.4 1号、2号、3号中孔消力戽及导墙检查结果

检查发现1号、2号、3号中孔消力戽底板光滑平整，有3 mm厚附着物；左右岸导墙完好，未发现破坏。

7 结语

通过经验公式结合石泉水库运行实况，统计分析得出以下结论：

（1）根据表1计算的结果，表孔比中孔戽面更容易遭到破坏，在最近一次抽水检查中得到了验证。

（2）为了减轻高速水流对戽面的侵蚀作用，应该避免在低水位时开启闸门泄洪。

（3）在相同因素下，泄洪时优先考虑中孔泄洪，减轻空蚀对戽面的破坏。

（4）根据数理统计方法可得，不考虑外界因素的情况下，表孔消力戽运行时间超过400 h，戽面即开始出现不同程度损坏，若考虑库水位、气温、压强等外界因素，可能会有所不同，建议建立长期监测机制，以更清楚掌握具体的戽面所能承受的时间。 ■

[1]吴持恭.水力学·下册[M].北京:高等教育出版社,2008.

[2]郭锡春.石泉水电站消力戽运行情况[J].水力发电学报, 2001(2):106-112.

[3]陈益琨,何璟.石泉水电站技术设计报告[R].1978.

作者邮箱：tooble@126.com

Influence of discharge modes on bucket dissipater of Shiquan reservoir

by WU Xiang-lun
Datang Shiquan Hydropower Plant

According to discharge modes of Shiquan reservoir,cavitation of high-speed flow on bucket dissipater of middle and surface outlet were studied.As well,influence of discharge and flood on bucket dissipater after the recent overhaul was researched.This paper summarized the operation points for at⁃tention and damage law of bucket dissipater of Shiquan reservoir,worthy reference in future operation.

bucket dissipater;Shiquan reservoir;cavitation;influence

TV653

B

1671-1092（2016）05-0025-03

2016-08-25

吴相伦（1984-），男，陕西镇安人，工程师，目前任大唐石泉水力发电厂检修公司主任工程师。