竖井旋流内消能技术在辽宁恒仁水电站的应用

刘永良

(辽宁省大连水文局，辽宁大连 116203)

水电站技术

竖井旋流内消能技术在辽宁恒仁水电站的应用

刘永良

(辽宁省大连水文局，辽宁大连 116203)

竖井旋流消能是一种新型水力消能技术，能够克服大型水电站导流洞常出现的雾化、空蚀破坏、水力冲蚀等有害现象，也可作为维持环境生态流量的有利措施应用于水电站工程建设中。本文结合辽宁恒仁水电站竖井旋流内消能工的设计施工实践与经验，对该技术应用的布置方案、设计要素、参数选择、水力计算等进行简要分析研究。

竖井旋流；水力消能；应用

1 工程概况

辽宁省恒仁水电站位于鸭绿江干流中国最大支流浑江的中游，水电站大坝主体为混凝土单支墩大头坝，最大坝高78.50m，常年蓄水位495.00～515.00m，共装有3台混流式水轮发电机组，机型分别为HL662-LJ-410和HL702-LJ-410，装机容量分别为2×7.5万kW和1×7.25万kW。水库库容2.97亿m3。恒仁水电站是一座以发电为主，兼顾防洪、灌溉、发电、养殖等的电站工程。

为了满足下游的生态环境需水量，保护生态环境发展，需要保证一定量的输水，根据环境影响报告书关于生态流量的规定，要求坝址下游生态流量不得低于4.5m3/s。

2 工程布置方案选择

为减少电站控制水流对江河流域带来的诸多不利影响，考虑对工程导流洞进行改造，施工一条泄水隧洞通过消能竖井与导流洞相连［1］。竖井旋流式内消能工是利用竖井内的导流叶片使水流在井内旋转，从而消除大部分能量的一种新型措施。消能后水流仅保留小部分能量传递至下游，避免下游出现超高速水流。这对改善大坝下游流态，保护岸坡稳定，减少建筑物的冲刷破坏具有积极作用。该措施能够适应深山峡谷地带进水口和导流洞存在较大高差的情况，并且进水口和出水口可以围绕竖井轴线灵活布置，是高坝导流洞改建生态泄流通道的最佳方案［2］。该消能技术对工程地质条件适应性强，消能效果好，具有良好的水力特性和抗雾化能力，工程成本低［3］。竖井旋流消能工示意图如下。

竖井旋流消能工示意图

3 主要构筑物设计

主要构筑物包括有压短进水口、无压力引水道、竖井段、水平旋流发生段、水平旋流段、通气孔、水垫塘段和退水（导流）洞。

3.1 进水口设置

采用开敞式进水口，布置在导流洞上方左侧，与电站引渠相接，进水口采用顶部设闸门控制的圆弧形实用堰型式。下游堰面曲线采用半径为17m的1/4圆弧曲线，上游堰面曲线半径为10m，堰高4m。堰顶布置12m×16m（宽×高）的平板事故检修闸门和平板工作闸门各1扇。水位在设计洪水位时，泄洪量为1120m3/s。进口堰闸段顺水流方向长39m，宽度从进口的12m减缩至竖井中心线处的9m，并与竖井圆形断面相切，侧墙收缩角1∶12。堰闸段基础坐落于古全风化花岗岩上，为提高基础岩石的承载能力，对基础进行8m深的固结灌浆，固结灌浆孔间排距3m。

3.2 竖井

竖井是泄洪水流的过流通道，该工程竖井高度为46m，圆形断面直径为9m，采用混凝土衬砌，厚度1.50m。竖井围岩岩体采用注浆+锚杆进行支护，固结灌浆孔孔深5m，间排距3m，井壁锚杆直径22mm，长度3.50m，间排距1.50m，并布置随机锚杆，直径32mm，长度8m。

3.3 旋流发生装置（起旋器段）

竖井下出口与水平洞切向进流段之间的竖直段设置水平旋流发生装置，总高度为2.78m。断面由直径9m的圆形收缩为9m×4.50m的矩形。断面末端为竖井与水平旋流涡室段的转弯接口，水平段为圆形断面，断面直径为10.50m。连接弧面采用1/4椭圆曲线与水平段切线光滑连接，曲线方程为：X2/15+Y2/8 =1，连接段采用20mm衬砌钢板，同时设置了加劲环、止推环等固定装置［4］。

3.4 通气孔

为使水在旋流过程中充分掺气，从而增加消能率和减小冲蚀，需要在水平旋流段前设通气孔。通气孔上端进气口位于堰闸顶部，与大气相通。按照水工模型试验数据计算，通气孔设计通气量为470m3/s，依照规定孔内风速不大于60m/s，通气孔面积应为8.60m2，断面直径3.40m［5］。通气孔与竖井分别布置，开挖孔径4.50m，混凝土衬砌0.6 0m，孔壁采用锚杆注浆加固。

3.5 旋流消能段

旋流消能段由原导流洞改造而成，原为12m× 15m矩形断面，现改造为直径10.50m的圆形断面［6］。该段从竖井中心线算起，总长度50m，全长采用20mm钢板衬砌，洞壁进行固结灌浆并打锚杆加固处理（注浆深度8m，间排距3m；锚杆直径φ32mm，间排距1.50m）。

3.6 水垫塘段

水垫塘段长60m，为11m×14m半圆拱形断面，由导流洞加衬0.50m混凝土改建而成。此处断面突然扩大，水流在此段又消除一部分剩余能量，水流的旋转流态得到弱化。水垫塘出口设2.40m高的挑坎，两侧洞壁各向内收缩2m，这样可以使进入退水洞的水流更加均匀平顺。

3.7 退水洞

水垫塘段收缩断面后的一段导流洞作为竖井旋流消能工的退水洞，原导流洞按4级临时建筑物设计，现根据设计要求，将导流洞断面套衬0.50m，并加设锚杆、进行固结灌浆，满足1级永久建筑物的结构要求。

4 消能率计算

作为消能的主要部分，此处只计算总消能率及其旋流段与水垫塘的消能效率。

4.1 总消能率

该段底板作用总水头111.90m，导流洞水深7.80m，断面平均流速12m/s。总水头损失为111.90_7.80_ 122/2g=96.76m；总消能率为96.76/111.90=0.865，因此总消能率为86.50%。

4.2 旋流洞（有实测压力和流速值）消能率计算

该段作用水头107.87m，实测平均合成速度28m/s，压力水头19m，水头损失为107.87_19_ 282/2g=48.91m，另外进水口水头损失为3.07m，进水口消能率为2.70%，旋流洞消能率为（48.91_ 3.07）/111.9=0.425，即旋流洞消能率为42.50%。

4.3 水垫塘消能率计算

根据总消能率和前阶段效能率可得，最后一段水垫塘的剩余消能率为86.50_2.7_042.50=41.30%，计算减去该段的水头损失即可。

水垫塘段断面收缩，该段洞内水流接近均匀流态，长度L=400m，可按照曼宁公式计算水头损失。水深h=7.80m，流速v=12m/s，水力半径R= 3.39m，糙率n=0.014，水头损失为Ln2v2/R4/3=400 ×0.0142×122/3.394/3=2.22m，消能率为41.30%_（2.22/111.9）%=39.30%，即水垫塘的消能率为39.30%。

5 结 语

本文详细介绍了竖井水平旋流效能技术在恒仁水电站的实际应用方法和效果，结果表明该技术消能率为86.50%，具有很多技术优势，可满足一般工程需求。该技术竖井进水口布置简单，井径较小，且满足泄流要求；在任何水位和流量下都不会发生冲蚀现象；在各种水位下未出现周期性压力脉动现象，不会引发结构物振动现象；泄洪洞出口流速较低，不会引起下游河床冲刷和雾化现象。

［1］ 杨朝晖，吴守荣，余挺，等.竖井旋流泄洪洞三维数值模拟研究［J］.四川大学学报（工程科学版），2007（2）：41-46.

［2］ 南洪，贺威.竖井旋流泄洪洞消力井深度对竖井消能率影响的数值模拟研究［J］.水利与建筑工程学报，2014（5）：133-136.

［3］ 吴鹏，陈胖胖，王军.竖井水平旋流消能工竖井与起旋室的数值模拟［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2011（3）：412-415.

［4］ 方卫红，李学强.溪古水电站竖井旋流溢洪洞设计与分析［J］.西北水电，2012（4）：41-45.

［5］ 王超，陈立秋，陈俊杰.竖井旋流内消能技术在双沟水电站的应用［J］.东北水利水电，2015（8）：1-3，11，71.

［6］ 林崇勇.竖井旋流泄洪洞在甲岩水电站的应用［J］.云南水力发电，2013（5）：26-28.

Applying of Shaft Rotational Flow Internal Energy-dissipation Technology to Liaoning Hengren Hydropower Station

LIU Yongliang
（Liaoning Dalian Hydrographic Office，Dalian 116203，China）

Shaft rotational flow energy dissipation is a new waterpower energy dissipation technology that helps overcome pernicious phenomenon such as pulverization,cavitation erosion,waterpower washout and so forth that usually show up in diversion tunnel of large-scaled hydropower stations.It can also app lied to construction of hydropower projects as conducive measures to maintain environmental and ecological flow.By combining with designing and construction practice and experience of shaft rotational flow internal energy dissipater,this article carries out brief analysis and research on layout plan,designing factors,paramater selection,hydraulic calculation and so forth of application of this technology.

shaft rotational flow;hydraulic power energy dissipation;application

TV653

B

1673-8241（2016）12-0042-03

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.12.011