西花水电站岳坝引水洞除气室设计

2017-08-09赵雅敏张俊雅

陕西水利 2017年4期

关键词：西花气室气囊

赵雅敏，张俊雅

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

西花水电站岳坝引水洞除气室设计

赵雅敏，张俊雅

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

西花水电站岳坝引水系统由上平明流段、斜洞段、下平压力洞段组成，由于岳坝引水洞水流从无压流转换为有压流过程中会产生水流挟气现象，为避免将气泡带入西花主洞，设计在压力洞前设置除气室，从而避免水流挟气影响水轮机寿命及气泡溃灭引发的不利结果。本文介绍满足除气功能的除气室设计，结合水工模型试验，验证除气室布置方案及结构形式的有效性、合理性，可供类似工程设计参考。

跨流域引水；除气室

1 工程概况

西花水电站位于陕西省佛坪县栗子坝乡花园坝村下游约250 m处，距佛坪县约45 km。河床纵比降i=14.3‰,自然落差210 m。本电站为混合式开发电站，总库容773.2万m3。西花水库正常蓄水位1002 m，岳坝枢纽正常蓄水位1012.0 m，电站设计水头236 m，设计引用流量11.73 m3/s，电站总装机容量24 MW。

工程主要任务是发电，引水枢纽由两个枢纽组成：西花水库枢纽和岳坝引水枢纽。西花主要建筑物由拱坝、引水建筑物、发电厂房及开关站组成。岳坝引水属跨流域引水，主要建筑物由引水枢纽闸坝、引水涵洞和隧洞组成，岳坝引水建筑物布置于金水河右岸，由进水口、引水明涵及引水洞组成。进水口由拦污栅段、进水闸两部分组成，底板高程1010.00 m,闸顶部高程1016.70 m，总高度6.7 m。进口前布置拦沙板，高程1010.00 m，板厚0.5 m。拦污栅段设置一道回转式拦污栅，拦污栅孔口尺寸为2.5 m×4.0 m（宽×高）。拦污栅后为一喇叭口型渐变段，后接进水闸，进水闸内设一道孔口尺寸为1.8 m×4.0 m（宽×高）的事故检修闸门，检修平台高程1016.70 m。设计引用流量4.0 m3/s，采用矩形引水明涵及城门洞型引水隧洞（包括斜洞），断面尺寸1.8×2.0 m（宽×高），顶拱中心角134.76°，通过除气室，后接圆形有压洞，洞径1.8 m。岳坝引水洞出口与西花引水洞在桩号3+915.172处交汇。

2 电站引水系统布置

西花水电站引水枢纽为西花水库枢纽和岳坝引水枢纽。西花水库枢纽位于西河与康家沟汇合口上游约500 m的西河峡谷段。西花引水洞进口位于西河河道左岸，进口底板高程972 m，洞身采用直径为2.7 m的圆形断面，采用压力流引水。

为增加发电流量，在金水河岳坝乡下游约1.1 km处设一低坝引水枢纽及引水洞采用跨流域方式将金水河之水引至西花引水洞，与西花水库的水汇合进行发电。岳坝引水系统进水口布置于冲沙闸右端，轴线与冲沙闸轴线平行，与西花发电引水隧洞垂直相交。进口底板高程1010.00 m。出口交于西花引水洞桩号3+915.172处(发电输水隧洞中心高程960.921 m)处，全长3298.762 m。引水发电洞布置如图1。

图1 电站引水发电系统布置图

3 岳坝引水洞除气室设计

岳坝引水隧洞设计引水流量4.0 m3/s，由进水口、引水明涵（矩形）、渡槽、上平洞（城门洞型无压隧洞）、斜洞、下平洞（圆形有压洞）组成。进水口长14 m，明涵、渡槽纵坡2‰，长度1177.691 m；上平洞为无压明流隧洞，纵坡2‰，长度1980.356 m；城门洞型无压斜洞倾斜角为45°，长度65.843 m；除气室长30 m，纵坡为i=1/100；下平洞长度30.872 m，坡降i=1/100，末端与西花发电引水隧洞垂直相接。

由于岳坝引水洞水流从无压流转换为有压流，其转换过程中会产生水流挟气现象，会有气泡产生，为避免将气泡带入西花发电主洞，因此在进入主洞前设置除气室尤为必要，故除气室的设计为引水洞布置形式的技术关键。

除气室布置在斜洞与下平洞之间，作用主要是把斜洞来流中参加的气泡在除气室内汇聚形成气囊，气囊上浮在除气室顶部，随着气囊体积的增大，除气室内的气囊逐渐向上游移动到达斜洞下部，最终从斜洞排出。

上平洞和斜洞为无压洞，为了保证从除气室排出的气泡上浮后顺利逸出斜洞和上平洞；同时，气泡除气室的气泡一般都在顶部聚集成气囊，才从斜洞喷涌而出，在气泡上浮过程中，压力逐渐减小，气囊逐渐增大，出水面后很可能产生气爆；另外，斜洞内水气交换非常激烈。因此，洞顶部必须有足够的净空，结合引水洞设计引用流量4.0 m3/s，经水力计算确定上平洞和斜洞断面尺寸采用1.8×2.0 m（宽×高）的城门型无压隧洞，顶拱中心角134.76°。并在上平洞上游明涵段设置2.9 m×1.5 m通气孔。

前已述及，除气室的功能是聚气、排气。聚气是保证掺气水流中的小气泡在除气室聚集形成气囊；排气是阻止气囊向下游主洞移动，促使气囊向上游斜洞排出。为实现上述功能，除气室必须做成突扩式，即除气室顶部比下平洞主动洞顶高出一个台阶，这样就阻断了上浮在除气室顶部的气囊移向下游的可能。除气室洞顶沿水流方向作成顺坡，以促使气囊向上游移动，进入斜洞，并最终排出。

除气室具体结构尺寸设计，国内外目前尚缺乏成熟的理论计算依据，类比相关工程资料，本工程除气室设计采用圆拱直墙形断面，断面尺寸为：上游断面为3.1 m×4.6 m（宽×高），下游断面为3.1 m×3.854 m（宽×高）；顶拱中心角180°，除气室长30 m，洞顶顶坡为3.5/100，底板纵坡i=1/100，通过水工模型试验对除气室进行验证，确定除气室结构尺寸最优设计方案。

除气室后接圆型有压洞，洞径1.8 m，衬砌厚度0.3 m，底板纵坡i=1/100。岳坝引水洞及除气室纵横剖面见图1。

4 除气室水工模型试验

对本工程的除气室来说，其功能就是对水流在消能过程中所携带的进入水流当中的气泡让其排出。也就是说，当有气泡被带入除气室后，除气室必须具备让气泡充分上浮到除气室顶部，然后再在顶部让气泡逆水流方向上运动，最终上浮到斜洞排出，如果能实现该功能，就说明除气室具备除气功能。对此，通过水工模型试验进行验证。

为确定最优的除气室结构形式及尺寸，选择三个断面方案进行模型实验：

方案1：上游断面为3.10 m×3.60 m（宽×高），下游断面为3.10 m×2.854 m（宽×高）。

方案2：上游断面为3.10 m×4.10 m（宽×高），下游断面为3.10m×3.354m（宽×高）。

方案3：上游断面为3.10 m×4.60 m（宽×高），下游断面为3.10 m×3.854 m（宽×高）。

试验工况根据西花水库特征水位对应岳坝引水洞与西华引水洞交汇处的不同水位值，分别为：西花死水位980.0 m，交汇处斜洞水位970.283 m；正常蓄水位1002.0 m，交汇处斜洞水位989.400 m；设计洪水位1006.23 m，交汇处斜洞水位1001.677 m；校核洪水位1007.91 m，交汇处斜洞水位1003.357 m；试验

以上工况，可能发生参气的最不利工况为斜洞水位最低的工况，即交汇处斜洞水位970.283 m工况，对该工况又进行了2.0 m3/s、4.0 m3/s、5.0 m3/s三个流量情况的试验。试验结果表明，设计选定的断面方案在该工况除气室的流态：由于该运行工况为交汇处水位最低，消能区气泡有部分随水流进入除气室上游，最终上浮到顶部，并在顶板上游形成连续的气囊，气囊在该位置上下小幅波动。在该气囊的下游，从上游到下游分布着上浮到顶板的微小气泡，并慢慢聚集合并，在到达一定大小后，开始向上游移动，最后到达斜洞而排出。

有压洞流态：由于有压洞处于全封闭状态，并且没有气体进入，整个有压洞水体透明，外观观察没有异常，通过对压强的测验，其压强沿程分布合理，依然没有出现异常现象。

交汇处989.40 m、1001.677 m及1003.357 m水位工况，消能挟带的气泡在斜洞范围内已经全部排出，均不存在除气室的除气问题。斜洞水位也不会出现对无压洞水流的顶托现象，明涵水流属自由下泄流态。