卡群電站壓力前池防冰塞設計與試驗研究

嚴躍成

新疆地處我國西北高寒地區,冬季氣候寒冷,河道冰凍嚴重,冰凍期長達四個月之久。冬季引水式電站的冰凍與冰害問題是影響電站能否正常運行的關鍵。而合理的設計和運行管理正是解決冰凍問題的有效途徑。本文結合新疆卡群電站前池冬季輸排冰運行的水工模型試驗,對引水式電站冬季輸排冰運行條件和電站前池布局的合理性進行探討研究。

1 卡群電站工程設計概況

卡群水電站是新疆境內葉爾羌河西岸輸水總干渠上的一座中小型電站,裝機容量為3×7 000 kW,單機引用流量17.1 m3/s,電站引水渠設計流量為60 m3/s,冬季引用流量28 m3/s,電站冬季運行時采用輸排冰運行方式。輸冰運行時使用兩臺機組,單機流量為14 m3/s,全部流量與水中的軟冰凌均用于發電;排冰運行時使用一臺機組,單機流量為17.1 m3/s,剩余10.9 m3/s流量用來排冰,發電水與排冰水的比例為 1∶0.64。

壓力前池是引水式水電站冰害處理的最后一道防線,卡群電站前池原設計水力排冰方案采用正面排冰、側面引水方式,并在排冰閘前布置了長度為52 m的緩流渠段(也稱連接渠),斷面采用與排冰閘同寬的矩形渠道,進水閘中心線與渠道中心線夾角為58°。原設計布置見圖1。考慮到渠首有處理部分冰凌的能力,設計預估進入電站引渠的冰流量約為0.4 m3/s～0.63 m3/s。

2 壓力前池防冰塞試驗研究

2.1 正面排冰、側面引水試驗研究方案

按原設計正面排冰、側面引水方案進行試驗,前池模型按重力相似準則設計為正態整體模型,幾何比例為1∶20,冰的模擬采用工業石蠟內摻20%的松香,使其達到天然冰的密度。試驗結果表明,冬季引水流量為28 m3/s時,引渠的平均流速為1.4 m/s,大于輸冰流速,故大河進入引渠的浮冰能順利輸移到連接渠。而連接渠內由于水深增加、流速降低,平均流速為0.62 m/s,加之側向引水發電,主流與排冰水流分離,排冰閘前平均流速僅為0.56 m/s,小于排冰流速。另外,排冰閘的中墩采用頭部呈半圓形、寬度為3.4 m的厚型墩(占閘前水面寬度的1/3),增大了冰凌過閘的阻力,所以浮冰輸移至連接渠內便形成表面冰塞,冰塞的前緣一直向上游推進到連接渠與引渠交接處,此處流速較大,冰凌沿冰塞體的前緣下潛,最終當浮冰厚度超過前池入口處導冰伐的深度時,冰凌進入前池構成危害。

卡群電站原設計方案符合《規范》要求,設置了緩流渠段(連接渠)使水流能平緩地進入前池,但運行時仍然出現冰塞現象。筆者認為,《規范》中強調了以緩流改善流態的進水條件,而沒有提及控制流速不小于輸排冰流速的條件。工程中常有壓力前池排冰受阻的問題,其原因之一就是緩流渠段流速過低,這也是卡群電站前池發生冰塞的主要原因。

通過原設計方案試驗研究,筆者有以下幾點體會:

1)排冰閘前的緩流渠段,設計流速一定要大于臨界輸排冰流速,對于冰凌呈整片連續帶狀沿水面流動的情況,臨界輸冰流速可采用前蘇聯專家波達波夫的半經驗公式計算:VK=0.057?其中,VK為臨界輸冰流速;C為渠道的謝才系數;h′為浮冰厚度;d為冰凌顆粒直徑。2)如采用側向引水,當主流分離后,排冰水流的流速仍要滿足大于排冰要求。3)多孔排冰閘的中墩不宜設計成厚型墩,它對排冰有較大的阻力作用。中墩宜設計成頭部為流線型的薄型墩,以盡可能保持原有水面寬度為好。

總之,正向排冰側向引水方式的前池布局,一定要保證排冰閘前全程的水流流速不小于輸排冰流速,否則,連接渠內還會因流速過小而發生冰塞,使排冰閘失去排冰效果。

2.2 正向排冰、正向引水試驗研究方案

對原設計進行修改,修改設計方案按《規范》8.2.2的要求:“首選正向排冰布置方式,并采用正向雙層式結構布置形式”。考慮盡量使主流方向與冰凌運動方向一致,所以修改方案選用了正向排冰、正向進水后水流再轉向的布置方式,該方案也可以看成是正向雙層式結構布置形式,見圖 2。

該試驗結果表明,冰流量較小時(小于0.25 m3/s)冰凌尚可通過排冰閘,冰流量達到設計值時(0.4 m3/s～0.64 m3/s),浮冰在閘前扭坡段形成表面冰塞,冰塞體向上游發展延伸至引渠末端,上游冰凌在此處下潛,使冰塞體逐漸加厚,最終導致冰凌進入前池。分析冰塞的原因,主要是排冰閘下層進入前池的水流受左岸弧形導墻的頂托,左岸水流發生逆行,在排冰閘前形成大范圍的回流區,回流寬度占水面總寬度的1/3,回流區流速小,易發生冰塞;另一原因是閘前緩流渠水深加大,流速降低,平均流速低于1 m/s,小于排冰流速,故形成冰塞體。

再次對卡群電站前池進行修改,采用地區設計方案,仍然采用正向排冰、正向進水雙層式結構布置形式,它的特點是設置了裝配式隔板,使前池分為上下兩層,冬季使用上層池身斷面以提高流速,夏季將隔板翻起,以滿足前池調節庫容要求。該方案排冰閘與壓力管進水閘重疊設置,排冰閘采用反向舌瓣門,見圖3。

該試驗結果表明,盡管排冰閘有冰凌輸出,但上游來冰量大于前池排冰量,冰凌在前池累積逐漸形成表面冰塞并向上游推進,當冰塞前緣到達流速較大的引渠末端時冰凌下潛,使前池的浮冰厚度逐漸增加,最終堵塞攔污柵。分析該方案冰塞的原因:1)當冬季單臺機組運行時,造成前池流態分布不均,有大片的回流區,回流區表面形成冰塞體;2)排冰槽底過高,排冰閘前水流為淹沒出流,降低了排冰流速;3)進水閘室的兩個中墩對排冰產生了阻礙作用。最終的修改方案是將圖2作進一步改動,提高閘前流速,將扭面底坡坡度變緩,由1/16.5改為1/320,使該處水深減少、流速增大;讓冰凌順利輸移至排冰閘,在接近排冰閘處,再將底坡變陡,改為1/2的坡度,增加前池水深并減小水體紊動。經測試,連接渠流速明顯提高,扭坡始端的表面流速為1.67 m/s,排冰閘前的表面流速為1.05 m/s且斷面流速分布均勻,可順利排除0.6 m3/s的流冰,此時的冰水比為1∶17。

3 防冰塞措施討論

1)對有排冰要求的前池設計,除按照《規范》8.2.2要求:“宜首選正向排冰布置方式,并宜采用雙層式結構形式”,還必須使排冰閘前樞紐各段的水流流速不小于排冰流速,并使水流平穩進入前池。2)對于不同的冰水條件,臨界輸排冰流速是不同的,《規范》7.3.9中給出了輸排冰流速的下限“輸排冰流速不小于1.1 m/s”。筆者通過試驗及原型觀測資料驗證,1.1 m/s的輸排冰流速適用于浮冰厚度在20 cm以下的情況,當浮冰厚度超過20 cm時,《規范》中無法定量給出輸排冰流速。3)筆者推薦使用波達波夫的半經驗公式來計算臨界輸排冰流速,通過工程實例驗證,該公式的計算值與實測值相近,該公式適用于明渠均勻流。4)對《規范》8.2.4中提出的“排冰閘前應布置一定長度的緩流渠段”,筆者建議補充:“緩流渠段的水面流速不得小于輸排冰流速”。5)為保證電站前池排冰設計的有效性,在理論分析的基礎上,對前池樞紐進行水工模型試驗是必要的。設計人員除了按照《規范》要求把握好總體設計思路外,還應對樞紐中的每一渠段局部問題加以思考,如漸變段的邊坡、底坡設計、緩流渠段設計、排冰閘墩設計、前池庫容的形體設計、泄水排冰槽及陡坡的設計等問題,還應考慮冬季機組非對稱運行時流速分布不均對排冰的影響,盡量保證壓力前池上游順利輸冰、下游順利排冰。

4 結語

引水式電站冬季輸排冰運行的關鍵因素是流速,其值應大于臨界輸冰流速,臨界輸排冰流速值隨浮冰厚度的變化而變化,浮冰厚度越大所需的臨界輸冰流速越大。推薦使用波達波夫的半經驗公式計算輸排冰臨界流速;邊界條件也是影響水流流態乃至輸冰流速的重要因素,為了保證壓力前池,特別是排冰閘前的流態平穩,宜采用正向排冰布置形式,排冰閘應盡量布置在壓力前池上游,以利于集中水流排冰。考慮到前池樞紐布局的復雜性及水流邊界條件的變化,實際工程中的水流狀態很難用數值計算進行模擬,為保證工程的安全運行,筆者建議通過水工模型試驗,進一步修改和完善設計方案。

[1] SL 211-2006,水工建筑物抗冰凍設計規范[S].

[2] 嚴躍成.論引水式電站輸排冰運行條件及前池防冰塞設計[A].第一屆全國冰工程學術會議論文集[C].1992:87-94.

[3] 侯 杰.新疆引水式水電站輸排冰的試驗研究[J].新疆農業大學學報,1997,20(1):67-72.

[4] 蔣小健.嚴寒地區引水式水電站設計和運行經驗[J].小水電,2004(3):72-82.

[5] 呂德生.新疆引水式水電站冬季運行防治冰害的技術措施[J].石河子大學學報,2004,22(3):233-235.