喀群一级水电站压力前池排冰排沙设计与试验研究

崔 忠，石 嵚

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

喀群一级水电站是叶尔羌河西岸输水总干渠上的引水式水电站，位于新疆莎车县喀群乡境内。喀群一级水电站引水渠设计流量为60 m3/s，加大引水流量为70 m3/s，电站装机容量为21 MW，保证出力12.2 MW，设计年发电量1.53亿kW·h。电站由进水闸、引水渠、压力前池、泄水陡坡、压力钢管、厂房、尾水渠及附属建筑物组成。

叶尔羌河是一条多泥沙、多冰凌河流；多年平均含沙量4.44 kg/m3，年平均输沙量2870万t，7～8月是叶河的洪水期，也是渠道来沙的高峰期，加上渠道沿途设有两个纳洪口，沙情非常严重。最大冰流量6.3 m3/s，冰期101 d，每年11 月至次年3 月，是叶尔羌河的行凌期，由于渠首无法排冰，大河冰凌全部进入13 km 长的电站引水渠，冬季电站运行方式采取输冰运行。

2 压力前池排冰排沙设计与试验研究

2.1 原设计方案布置

压力前池是引水式水电站防冰、排沙的最后一道防线，电站压力前池采用正面排冰、排沙，侧面引水方式布置，并在排冰、排沙闸前布置了长度为52 m 的缓流渠段（连接渠），断面采用与排冰闸同宽的矩形渠道，进水闸中心线与渠道中心线夹角为58°，在进水室前端底板设一道圆形断面排沙涡管。原设计布置见图1。

图1 喀群一级水电站前池原设计布置图

2.1.1 原设计模型排冰试验

喀群一级水电站冬季引用流量28 m3/s，电站冬季运行时采用输排冰运行方式。输冰运行时使用两台机组，单机流量为14 m3/s，全部流量与水中的软冰凌均用于发电；排冰运行时使用一台机组，单机流量为17.1 m3/s，剩余10.9 m3/s流量用来排冰，发电水与排冰水的比例为1∶0.64。

试验结果表明，冬季引水流量为28 m3/s 时，引水渠的平均流速为1.4 m/s，大于输冰流速，故大河进入引水渠的浮冰能顺利输移到连接渠。而连接渠内由于水深增加、流速降低，平均流速为0.62 m/s，加之侧向引水发电，主流与排冰水流分离，排冰闸前平均流速仅为0.56 m/s，小于排冰流速。另外，排冰闸的中墩采用头部呈半圆形、宽度为3.4 m 的厚型墩（占闸前水面宽度的1/3），增大了冰凌过闸的阻力，所以浮冰输移至连接渠内便形成表面冰塞，冰塞的前缘一直向上游推进到连接渠与引水渠交接处，此处流速较大，冰凌沿冰塞体的前缘下潜，最终当浮冰厚度超过前池入口处导冰伐的深度时，冰凌进入前池构成危害。

2.1.2 原设计模型排沙试验

进入电站引渠的泥沙以悬移质为主。原设计前池排沙有两个通道，一是排冰闸兼做排沙闸，二是在前室底板设一道排沙涡管。试验按汛期月平均含沙量投放泥沙，含沙量4.03～5.87 kg/m3。经测试，引渠来水70 m3/s 时，水中泥沙一部分沉积在连接渠内，一部分进入前室。

首先打开排冰排沙闸，调节冲沙流量为18.7 m3/s，这时电站仍维持3台机发电，当排沙闸打开瞬间，排沙效果最好，闸室附近的泥沙顺利排往下游。但其影响只到闸墩前1.5～2.0 m远，此范围上游淤积的泥沙仍无法被水流带走。如果采用连续冲沙方式，可使淤积在连接渠中的泥沙向下游推进，但同时泥沙的淤积高度也会超过电站前池进口的导沙坎，泥沙更大量地进入前池。进入前池的泥沙，随着水流流速的降低，逐渐地淤积在前池的底部，泥沙淤高的同时也会随水流向前推进，当进水闸前的排沙涡管内淤积了大量泥沙时，开启位于前室冲沙廊道的闸门，闸门开启的瞬间，能将冲沙闸前某一范围内的泥沙迅速冲走。在影响范围内涡管内能形成螺旋流。据观测，涡管排沙的影响长度约6 m，占涡管总长度的1/3，其余2/3段内淤积的泥沙仍无法排除。

试验结果表明，电站排沙系统设计存在一定问题，无论是排沙闸还是排沙涡管，都不能有效排除淤积在前室及连接渠内的泥沙。

2.2 修改方案一模型排冰试验情况

针对原设计存在的排冰问题，对前池布置进行了如下修改：将连接渠的宽度由原来的10.4 m改为8.0 m；将排冰闸的中墩取消，使排冰孔由两孔变为一孔；将扭面长度由原来的25.0 m 改为37.5 m。修改的目的是减小连接渠的过流断面，提高输排冰流速，减小连接渠阻冰影响。经试验观测，修改后的连接渠水流流速较原方案有所提高，冬季运行时连接渠流速达到0.96～1.12 m/s。但主流转弯后，排冰闸前的流速明显减小，排冰闸前表面流速为0.66 m/s。水流在前池产生大范围的回流区。该方案的流速模拟排冰试验结果表明，此方案的排冰效果虽好于原设计情况，但仍没有达到设计要求。其原因是连接渠缩窄后，渠道的单宽冰流量增加，即浮冰的厚度增加，所需的渠道输冰临界流速也要增加，虽然该方案连接渠的平均流速已较原设计时有所提高，但还未达到输冰临界流速。当渠道来冰量达到0.40 m3/s 时，在引渠与连接渠的变化断面首先发生表面冰塞，当冰流量为0.15 m3/s 时，冰塞发生在排冰闸前的低流速区，且浮冰由此向上游发展。经试验，该方案排冰运行时能保证冰凌顺畅排走的最大冰流量为0.10 m3/s，排冰用水量为10.9 m3/s，冰水比达到1∶109。

2.3 修改方案二模型试验情况

针对修改方案一排冰运行中存在的问题，设计再次对方案进行了修改。考虑到应使水流的主流方向与冰凌运动的方向一致，这样可以集中全部水能将冰凌推到排冰闸前，将连接渠的宽度改为12.0 m，并使排冰闸的宽度与连接渠相等，并将排冰闸位置移到上游前池分水口之前，并在闸后设隔板将水分成上下两股；上层为排冰道，下层为进水道；将扭面长度改为40.0 m，扭面底坡由原来的1∶14.5 改为1∶16.5；取消前室进口底部的挡沙坎，使前池的底高程与连接渠底高程相同。

试验中发现，排冰闸下层水流受左侧弧形导墙的顶托后，左侧水流发生逆行，并在排冰闸前形成大范围的回流区，回流区前缘接近扭坡始端，下缘在排冰闸附近，回流宽度占水面总宽度的1/3，回流的存在对排冰极为不利。

经测量，冬季枯水位运行时（排冰工况），扭面末端左岸的平均流速为0 或负值，右岸的平均流速为1.0 m3/s，流速分布极不均匀。在排冰闸前两侧有立轴漩涡。进入前池的水流受弯道环流的影响，主流偏向左岸，前池水流呈顺时针方向回转。设计流量下3 台机组运行时，排冰闸两侧也有立轴漩涡。前池水流紊动较枯水期运行时还要强烈，前池左岸的底流速为1.65～1.88 m/s，右岸的底流速为0.1～1.16 m/s。

试验结果表明，冰流量较小时（小于0.25 m3/s）冰凌尚可通过排冰闸，冰流量达到设计值时（0.40～0.64 m3/s），浮冰在闸前扭坡段形成表面冰塞，冰塞体向上游发展延伸至引渠末端，上游冰凌在此处下潜，使冰塞体逐渐加厚，最终导致冰凌进入前池。分析冰塞的原因，主要是排冰闸下层进入前池的水流受左岸弧形导墙的顶托，左岸水流发生逆行，在排冰闸前形成大范围的回流区，回流宽度占水面总宽度的1/3，回流区流速小，易发生冰塞；另一原因是闸前缓流渠水深加大，流速降低，平均流速低于1.0 m/s，小于排冰流速，故形成冰塞体。

2.4 修改方案三模型试验情况

修改方案三是在修改方案二的基础上作进一步改动，其布置如图2 所示，提高排冰闸前流速，将扭面底坡坡度变缓，由1∶16.5改为1∶320，使该处水深减少、流速增大；让冰凌顺利输移至排冰闸，在接近排冰闸处，再将底坡变陡，改为1∶2 的坡度，再与前池底部相连。修改扭面的目的是减小扭面段及排冰闸前的水深，提高输冰流速，消除和削弱排冰闸前的回流。针对原设计方案设在前室底板下圆形断面排沙涡管排沙效果差的情况，将排沙涡管改为设在前室底板之上的方形涡管。

图2 喀群一级水电站前池修改方案三布置图

2.4.1 修改方案三排冰试验

排冰试验表明连接渠段水流的流速较方案二有明显提高。当引水渠按冬季28.0 m3的流量引水、一台机发电，其余水排冰运行时，引渠末端至排冰闸前的水流分布基本均匀，扭坡段左岸虽有回流区，但回流区的宽度仅占过流总宽度的1/8。经测试，连接渠流速明显提高，扭坡始端的表面流速为1.67 m/s，排冰闸前的表面流速为1.05 m/s，排冰闸坎上由于水流呈自由跌落状，其流速增大1.2～1.3 m/s。

该方案排冰运行时，闸前流速较高，水流分布均匀，排冰试验时浮冰输移能均匀地向前推进，整个排冰道通畅无阻，可顺利排除流速不小于0.6 m3/s的流冰，此时的冰水比为1∶17。

2.4.2 修改方案三排沙试验

排沙涡管布置在前池底板之上，底部开口与水流流向垂直，断面为方形。涡管中产生逆时针螺旋流。试验发现，该方案涡管中的螺旋流作用强烈，管中的螺旋流能贯通整个纵断面，进入管中的泥沙在旋滚水流的作用下被迅速排出管外，从而保证了进水闸前的门前清。

观测发现，在设计水位下，冲沙闸无论是全开还是半开，均能在管内形成较强的螺旋流，当管中淤积了大量泥沙时，在3～4 min 内便可将管内的泥沙冲尽。如果管中的泥沙冲尽后仍开启冲沙闸运行，这时的冲沙效率是很低的，涡管以外泥沙启动的范围只有0.5～0.8 m，在此范围以外的前池流速均佷低，前池底部的平均流速只有0.3～0.4 m/s，泥沙在前池大量淤积，待淤积的泥沙达到一定厚度时，前池由于过水断面减小，流速相应增加，池底的泥沙便被推进到排沙管的影响范围内被水流带走。对于一些远离底板的处于悬浮或跃动状态的较细颗粒，会随水流向前运动进入压力钢管不为涡管截获。

3 推荐方案压力前池布置

兼顾前池配水、排冰排沙最为适宜的方式为正向引水，正向排冰排沙。喀群一级水电站受地形条件限制，引水渠末端布置在Ⅴ级阶地坎边缘，前池座落在中更新统密实的冲积砂卵砾石层上。前池布置为正向排冰泄水，侧向引水发电。前池-厂房中心线与引水渠中心线呈58°夹角。排冰闸设于渠道末端，排冰闸后连接段连接排冰闸、泄水陡坡及前室，冬季水流分层运行，上层水流排冰，下层水流转58°进入前室。连接段底板以1∶3.18的坡度和前室底板相连，平面上不做扩散。前室长8.993 m，宽13.500 m，排沙涡管处于前室末端，利用涡管逆时针螺旋流将进水室前的泥沙冲走，冲沙廊道出口位于泄水陡坡上。进水室底板比前室底板高1.7 m，除常规布置外，进水室喇叭口段还设有排冰、排污侧槽及3 孔开敞式平板闸门。平板闸门顶、排冰舌瓣门顶，排冰闸后连接段右边墙顶高程均比正常蓄水位高7 cm，电站弃负荷时兼做自动溢流堰。

渐变段长40.0 m，断面由梯形渐变至矩型，底宽由3.0 m 渐变至12.0 m，设计底坡1∶3000，同引水渠。该设计可使渐变段冬季水面宽度接近引水渠水面宽，尽量消除因流道改变引起的阻冰因素。该段末端断面平均流速可达0.84 m/s，即可使部分下潜冰凌浮起，又不至于引起冰凌在该处淤塞而平稳通过排冰闸，夏季该断面平均流速为1.38 m/s，不会造成泥沙淤积。

4 结语

喀群一级水电站前池原设计排冰闸位于前室下游，排冰闸轴线与引水渠轴线重合，渠道、前室及排冰闸之间设有矩形连接渠，属于正向排冰型式，但冬季水流进入连接渠时，流速下降，经前室分流发电，流速进一步降低，造成冰凌淤塞，排冰不利。经模型试验后将排冰闸设于渠道末端，提前截取排冰水流，通过排冰闸上舌瓣门排冰。闸坎高程低于冬季水面80 cm，孔口净宽12.0 m，不设中墩。经运行证明，排冰坎水流自由跌落，排冰道通畅无阻。

水流过排冰闸后大部分冰凌被排走，由于排冰闸前流速较高，仍有部分冰凌雪团被水流挟带潜入进水室，部分软冰凌可进入压力钢管发电，部分软冰凌由于前池内水流流速降低浮出水面。电站进水室设有排冰泄水侧槽，夏季可以排污泄水，冬季前室浮冰积聚太多时，可打开闸门集中水流冲冰。冲沙涡管断面尺寸1.4 m×1.4 m，底部开口宽0.3 m，设于前室底板之上，垂直水流布置，水流螺旋运动强烈，排沙效果显著。