哈峡加尔水电站泄水陡坡模型试验优化设计



哈峡加尔水电站泄水陡坡模型试验优化设计

何若飞

(新疆水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐830000)

【摘要】泄水陡坡在压力前池中占据较重要位置，其布置形式应满足地形、地质及排冰泄水等要求。哈峡加尔水电站位于天山西部北坡，冬季寒冷积雪较深，压力前池采用正向排冰侧向分层引水的布置形式，泄水陡坡采用三级消力池消能，并结合悬栅辅助消能工，消能效果显著，满足设计要求。

【关键词】泄水陡坡；模型试验；消力池；悬栅消能

1工程概述

哈峡加尔水电站地处天山西部北坡，该流域夏季气候较湿润、温和，降雨丰沛，冬季寒冷积雪较深，阿克芽孜河是一条冰川融水补给比重较大的河流，径流量年际变化比较稳定。电站装机容量80MW，发电引水流量110.8m3/s，保证出力5.3MW，多年平均发电量2.191亿kW·h。电站工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。电站包括拦河枢纽、引水渠、前池及压力管道、厂房、尾水渠、排洪及交叉建筑物。

2基本资料

前池采用正向排冰、侧向分层引水布置形式。前池主要由前室、进水室、泄水闸及泄水陡坡等建筑物组成。

前室分为弯道段和陡坡段。弯道段中心线转弯角90°，转弯半径24.50m，底宽渐变宽度10~12.2m，前室陡坡段，长15m，纵坡i=1/5.0，底宽12.2m。右侧设置WES堰，堰高3.5m，堰后接8m宽泄槽，并设置1∶4陡坡与消力池相接，消力池长20m、高5.8m。

前室后为进水室，宽12.2m。进水室底宽由12.2m渐变为5.5m，渐变段长8.0m，由5.5m×5.5m的方形断面渐变为直径为5.5m的圆形孔口断面，后与压力钢管连接。

泄水陡坡高度相差较大(可达87m)，对陡坡的流速及消能效果提出了较高要求。在设计前期，分别对一级消力池、二级消力池及三级消力池进行了理论计算，由于该水电站地处严寒地区，冬季温度较低，考虑到电站冬季运行期间发电流量较小，陡坡内水深较小且容易结冰，因此不推荐采用台阶消能方式。

泄水陡坡布置于泄水闸后，全长484.64m，主要由渐变段、缓坡段、陡槽段、消力池及尾部渠道段组成。除尾部渠道段采用梯形断面外，其余部位均采用矩形槽断面。泄水闸净宽10m、长15m。渐变段长30m，纵坡为i=1/500，底宽由10.0m渐变至4.0m。缓坡段长114.358，纵坡1/500，与陡槽采用渥奇曲面连接。陡槽段全长335.23m，均采用整体现浇钢筋混凝土型式，陡槽设置三级消力池，一、二级消力池接纵坡为1/3的陡坡，池长20m，坎高2m，底宽4m；三级消力池前陡坡纵坡为1/2.844，进入三级消力池前设置了渐变扩散段，扩散段长30m，底宽由4.0m渐变至8.0m，高差7.853m。消力池长45m，深3.5m，墙高8.5m。泄水陡坡平面布置及纵剖面如图1所示。尾部渠道段长256.262m，纵坡i=1/264.188，首部渐变段长30m，宽度由8m矩形槽渐变为2.5m梯形渠道，边坡为1∶2。

图1　泄水陡坡布置图

3水工模型试验目的

泄水陡坡从前池排冰闸接出，经1/500缓坡转弯段后，进入陡坡泄槽段，经三级消力池消能后投入尾水渠。由于受地形限制消力池的布置及尺寸较为紧密，其水力特性及消能机理均较为复杂，从前池泄水排冰闸至陡坡泄槽末端落差近87m，在这种高水头、高流速的情况下，为保证建筑物安全，需要通过模型试验来验证该泄水陡坡体型设计的合理性，并对三级消力池的消能效果以及对下游尾水渠的冲刷情况进行论证。

4水工模型设计

该模型试验按重力相似准则设计，采用单体模型，几何比尺选定为λL=35。模型范围包括泄水排冰闸、WES堰及堰后消力池至泄水陡坡第三级消力池后300m尾水渠。

5水工模型试验结果及优化

原设计方案中泄水排冰闸后接1/500缓坡段，致使泄水排冰闸不满足泄流要求。在设计水位情况下，由于闸孔出口呈淹没出流状态，使泄水陡坡过流能力偏低，因此将原1/500缓坡改为1/100陡坡。WES堰后原设计方案为长20m的消力池，在设计水位下该消力池根本起不到消能作用，故将其后段直接改为1/21的斜坡，连接至泄水陡坡。

泄水陡坡共布设三级消力池，使高差近87m的陡坡流速大大降低，消能效果显著。经过模型试验观测，三级消力池内分别都有不同程度的波浪翻滚，池内水流较紊乱，流态较差。第三级消力池尤为明显，当下泄流量达到校核泄量时，消力池内水流翻滚更为剧烈，形成的波浪也较大，有的还会翻出消力池边墙外侧。为解决这一问题，借鉴国内外各个水电站、水库等辅助消能工设施，最终确定使用悬栅消能设施以增大消能率，改善水流流态。这种辅助消能工简单易行，适用范围较广，在许多水电站及水库等泄水建筑物中应用较为普遍，且消能效果显著。

5.1　泄水陡坡流速

泄水排冰闸后陡槽坡度改为1/100后，弯道流速较原1/500坡度时有所增大，但依然满足设计要求，优化后的流速及水深见表1。

表1　泄水陡坡各段流速及水深

布置一级消力池，流速较大，根本达不到所需要的消能效果；在陡坡中间增加一级消力池，流速有明显降低的趋势，但消能效果并不是很明显，且需要的消力池尺寸较大，也不符合地形的布置要求；在陡坡段中间增设两级消力池后流速可大大降低，经过模型试验测算，最大流速为20.74m/s，最大流速发生在二级消力池进口圆弧段位置，最大水深为8.23m，满足设计要求，可见消能效果明显。试验数据表明陡坡各段流速均在允许范围内，其流速及水深见表2。

表2　泄水陡坡各段流速及水深

5.2　辅助消能工设计

通过模型试验观察，消力池使用悬栅消能设施后，池内水流状态有明显改善，流态较平稳，未出现翻滚剧烈的波浪，即使在校核泄量时池内水流也不会出现翻出边墙的现象，可满足设计预期的要求。消力池内增加悬栅前后的流速及水深见表3。由表3可见，增加悬栅后的池内流速有明显降低，水深增加。

表3　增加悬栅前后消力池流速及水深

经模型试验观察比较后，最终确定一、二级消力池悬栅尺寸为250mm×400mm，布设两排，呈梅花形布置，距底板1.05m处布设第一层悬栅，第一层与第二层间隔1.4m，各悬栅间距1.85m；第三级消力池悬栅尺寸为300mm×500mm，布设两排，呈矩形布置，距底板1.2m处布设第一层悬栅，第一层与第二层间隔1.3m，各悬栅间距0.8m。悬栅结构布置如图2所示。

考虑到消力池净宽较大，在设计施工中将悬栅做成钢筋混凝土结构，内部配置φ12钢筋，悬栅外部包裹6mm厚的钢板，内部预埋钢筋与外部钢板焊接。悬栅钢板需进行喷砂除锈处理，并涂抹防锈漆，与混凝土接触面涂强力胶水泥以达到贴合紧密的要求。

图2　悬栅布置图

6结语

针对严寒地区且冬季有发电运行要求的水电站，泄水陡坡消能设施的布置较为困难，应综合考虑各方面的因素，并结合模型试验研究，不适于采用台阶消能的泄水陡坡可考虑采用多级消能的方式。悬栅辅助消能工在消能过程中能起到较为重要的作用，可改变水流流态，解决水流翻滚剧烈等难题，且效果显著，可供其他工程参考借鉴。

参考文献

[1]董玉莲，刘亚坤，等.弯曲溢洪道多级跌水与底流复合消能研究[J].水利与建筑工程学报,2013(5).

[2]杨文莉.对泄水槽中消力池的消能改造探析[J].水利建设与管理,2014(8).

[3]赵斌.关于水闸消力池深度计算的探讨[J].中国水能及电气化,2011(6).

Optimization design of sluice abrupt slope model test in Haxiajiaer

Hydropower Station

HE Ruofei

(XinjiangWaterConservancyandHydropowerSurveyDesignInstitute,Urumqi830000,China)

Abstract:Sluice abrupt slope is important in pressure forebay. Its layout form should meet the topography, geology and ice-water drainage requirements, etc. Haxiajiaer Hydropower Station is located in north slope on the west of Tianshan Mountain. It is cold in winter with deeper snows. Layout mode of positive direction ice discharge and side direction water diversion in layers is adopted for the pressure forebay. Three-level stilling basin is adopted in the sluice abrupt slope for energy dissipation. Suspended grid is combined for auxiliary energy dissipation. The energy dissipation effect is remarkable, which can meet the design requirements.

Key words:sluice abrupt slope; model test; stilling basin; suspended grid energy dissipation

中图分类号：TV65

文献标识码：B

文章编号：1673-8241(2016)01-0060-04

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.017