木扎特河阿合布隆水電站壓力前池的設計與應用

經敏川

技術論壇

(新疆電力設計院，烏魯木齊 830000)

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木扎特河阿合布隆水電站壓力前池的設計與應用

經敏川

技術論壇

(新疆電力設計院，烏魯木齊 830000)

摘要：水電站壓力前池的功能主要有：將引來的水均勻地分配給各壓力水管；當水輪機引用流量迅速改變，在壓力水管中產生水擊時，水擊波受前池自由水面的反射，使水擊波僅限制在壓力水管中而不致引起過大的水擊壓力；當壓力水管流量變化時，前池中也就立即相應出現涌波或落波，而設于前池的側堰可以限制涌波的升高，前池的水體又可減小落波，因而可以減少非恒定流對引水渠道的不利影響；便于清除由引水渠道進入的污物、泥沙、浮冰等，以減少對水輪機的影響。

關鍵詞：水電站；壓力前池；功能；結構設計；工程應用

1概況

阿合布隆水電站地處拜城縣境內，為徑流引水式電站，工程由引水渠首、引水渠、壓力前池、壓力管道、廠房、尾水渠、泄水陡坡、升壓站及生活區等部分組成。該水電站從木扎特河總干渠引水，設計流量45 m3/s，設計水頭40.6 m，通過3.47 km的渠道輸水至前池。河流泥沙主要來自汛期，多年平均含沙量2.88 kg/m3，經過阿合布隆渠首排沙后，進入引水渠的平均含沙量為0.425 kg/m3。該地區屬大陸性溫帶干旱氣候，多年平均氣溫為7.4 ℃，7月最熱平均氣溫為19.4 ℃，1月平均最冷氣溫為-10.8 ℃，最低氣溫的季節也有5.43 m3/s的流量，因此電站冬季也可以發電。

前池作為樞紐建筑物，主要承擔停機泄水、汛期排沙、運行期清污、冬季排冰、壓力管進水等功能，是保證電站順暢運行的核心。

2壓力前池在阿合布隆水電站的應用

2.1　前池工程布置

根據工程總體布置，采用正面引水發電，側向泄水排冰、排沙，閘門控制進水方式，前池由以下各部分組成：

1)池身及漸變段：前池設漸變段(擴散段)將引水渠道加寬加深，以保證壓力水管進口水流平順，水頭損失小，不產生旋渦。

2)壓力水管進口：采用岸塔式進水口，閘門控制。

3)泄水道：采用側堰溢流，將多余的水量泄放至下游。

4)攔污柵、清污機、排砂廊道及排冰道等設施：用于攔阻及清除雜物，排除泥沙和冰凌。

前池平面布置及剖面結構見圖1、圖2。

2.2　前池結構設計

2.2.1連接段

前池連接段長24 m，底寬11.2 m，渠深4~5.08 m，縱坡i=1/2 000，引渠末端與前池連接處底板高程1 780.312 m。底板厚0.4 m，采用C25鋼筋混凝土結構。底板座落在砂礫石基礎上，兩側外邊墻均填筑而成，填筑頂寬0.5 m，填筑外邊坡1∶1.5，所有結構縫及伸縮縫均采用兩道P651型止水橡皮。

2.2.2排冰閘及分水閘

本工程采用側向排冰、排砂、正面引水發電的布置形式，排冰閘與分水閘呈90°，排冰閘與引水渠布置在同一軸線上，排冰閘閘后與泄水側堰共同接寬5 m的矩形斷面泄水槽。

排冰閘采用C25鋼筋混凝土結構，共2孔，底板高程1 780.882 m，設檢修門和舌辨門各一道，檢修門孔口尺寸3.6 m×5.0 m，采用平板鋼閘門；舌辨門孔口尺寸3.6×5.0 m。分水閘也采用C25鋼筋混凝土結構，共1孔，底板高程1 776.732 m，設平板鋼閘門，門孔口尺寸1.5×1.3 m。

圖1壓力前池平面圖

圖2　壓力前池結構圖

2.2.3前室

前室與一段縱坡為1/2000的梯形渠相連，前室長49.5 m，寬11.2～15 m，水深6.84～9.19 m，前室邊墻和底板采用分離式結構，邊墻為重力式擋土墻。底板厚0.4 mC25鋼筋混凝土結構。前室底板座落在砂礫石填方基礎上，一側外邊墻充當溢流堰，堰長49.5 m，采用實用堰，堰高6.99～9.34 m，為重力式擋土墻混凝土結構，堰頂高程1 783.72 m，堰上水頭0.65 m，設計溢流45 m3/s。所有結構縫及伸縮縫均采用651型止水橡皮。

2.2.4進水室

進水室長23 m，寬17 m，底板高程1 776.38 m，頂高程為1 785.39 m，采用三孔進水，單機單管運行方式。每孔設一道攔污柵，采用回轉式清污機清除污物，進水室采用C25鋼筋混凝土整體式結構，攔污柵段底板厚度2.0 m，邊墩及中墩厚1.0 m，孔口尺寸4.5×9.01 m，清污機后接一道排污道，后接泄水陡坡。壓力管道進水孔口尺寸2.5×2.5 m。為保證機組正常運行，在進水室底板下設排沙廊道，廊道底高程1 774.38 m，比進水室底高程低2.0 m。排砂廊道采用正向引水，側向排砂，泥砂進入排砂廊道，經沖沙閘進入泄水陡坡。沖砂閘底板高程1 774.38 m，閘頂高程1 785.39 m，正向共設3孔進水孔，進口孔口尺寸為1.5×0.8 m，沖砂閘設在進水室右側，長4.5 m，寬5.6 m，設一道檢修閘門和一道工作門，閘孔尺寸1.5×0.8 m，均采用C25鋼筋混凝土結構。

2.3　前池水力計算

2.3.1側堰堰頂高程的確定

根據《水電站引水渠道及前池設計規范》(SL/T 205—97)，側堰的堰頂高程略高于設計流量下水電站正常運行的水面高程△h=0.1 m~0.2 m,本工程取△h=0.15 m。正常水位為1 783.57 m，因此堰頂高程為1 783.72 m。

2.3.2側堰堰頂長度、堰上平均水頭的確定

以水電站突然丟棄全部負荷待水流穩定后全部流量從側堰溢出為控制工況，計算側堰泄流能力按下列公式確定：

根據側堰公式：

(1)

式中：Q為流量，45 m3/s；ML為流量系數，取為0.384；H0為堰頂水頭，取0.65m。

計算得溢流堰總長為49.5 m。

2.3.3壓力前池特征水位的確定

1)前池正常水位Z正常

根據《水電站引水渠道及前池設計規范》，以設計流量下水電站正常運行的水位作為前池的正常水位。

Z正常=渠末渠底高程+渠道正常水深=1 783.57 m

(2)

2)前池最高水位Z最高

1.2.1 樣品采集 于2014年5月(初花期)在各樣地隨機采集5份植株、根際土壤和田間土壤，8月(成熟期)田間收集種子，并清選。分別裝于自封袋，標記，冰桶冷藏條件下帶回實驗室。

前池和引水渠內的最高水位按設計流量下正常運行時，水電站突然甩全部負荷時的最高涌波水位確定。側堰作為控制泄流建筑物，對涌波起到控制作用，其控制工況是：水電站甩滿負荷待水流穩定后(涌波已消失)，全部流量從側堰益處時，將恒定流時的堰上水頭乘以1.2的系數，這時的水位定為最高涌波水位。

Z最高=堰頂高程△+1.2H堰

Z最高=1784.259m

(3)

3)前池最低水位Z最低

水電站突然增加負荷前前池的起始水位Z0減去突然曾荷時的最低涌波△hmax。起始水位Z0可取溢流堰頂高程，最低涌波△hmax按一臺機組運行突增到三臺機組即發電流量由10.0 m3/s突然增大到45 m3/s時的前池水位降落。

另一情況是設計頻率枯水期的最小發電流量，渠道正常運行時的工況，同時最低運行水位應保證規范所要求的最小淹沒深度。

引水渠道中產生落波時，波的傳播速度Cn和涌波高度ζn按一下兩式聯立求解：

△Qn=CnBn'ξn

(4)

式中：△Qn為行進波流量變化量；35 m3/s；Cn為波速,1.54m/s;Bn'為過水斷面在半波處的頂寬；ξn為涌波高度。

波的傳播速度的公式為：

(5)

通過試算，得出起始斷面的涌波高度為1.51m。

電站進水口最小淹沒深度計算公式為：

(6)

式中：h為門頂淹沒深度，m；C為經驗系數，取0.55；V為閘門斷面流速，1.62 m/s；a為閘門孔口高度，2.5 m。

經計算，最小淹沒深度h=1.38 m，最低運行水位應保證規范所要求的最小淹沒深度。同時滿足以上兩個要求，前池最低水位確定為1 781.56 m。

4)沖砂閘水力計算

沖砂閘按孔口出流計算公式這：

(7)

式中：Q為過閘流量，m3/s；B為閘孔總凈寬，m；h為閘門開啟高度，m；μ為孔口流量系數；δ為淹沒系數；ε為垂直收縮系數。

計算的孔口高度為1.2。

5)排冰閘過流能力計算

根據閘孔出流計算公式為：

(8)

式中：Q為流量，m3/s ；σs為淹沒系數，取為0.547；μ為無坎寬頂堰流量系數，取為0.609；b為閘孔寬，10m；H0為堰頂水頭，取2.5m；he為孔口高度3.6m；計算得Q=45.4 m3/s。

2.4　前池穩定計算

主要包括抗滑、抗傾覆穩定計算和地基應力計算。計算分為4個工況：

1)第一工況：完建期。前池內無水，計算荷載包括前池自重，金屬結構及機電設備自重。

2)第二工況：運行期。三臺機組發電，前池水深為正常水位1783.57m，計算荷載包括前池自重、水重、水壓力、揚壓力。

3)第三工況：校核期。三臺機組甩負荷，前池水位達到最高水位1784.25m。計算荷載包括前池自重、水重、水壓力、揚壓力。

4)第四工況：地震工況。三臺機組發電，前池達到正常水位1783.57m，計算荷載包括自重、水重、水壓力、揚壓力、地震慣性力、地震動水壓力。

①根據抗震設計規范，驗算抗滑穩定安全系數計算公式：

(9)

式中：k1為抗滑穩定安全系數；f為基礎底面與地基之間的摩擦系數；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；C為基礎底面與地基之間的抗剪斷黏結力，kPa；A為底面面積，m2。

②進水室基底的應力計算公式

根據結構布置和受力情況，基底壓力按下式計算：

(10)

式中：Pmin、max為進水室基底壓力的最大值或最小值，kPa；A為進水室基礎底面的面積，m2；∑M為作用在進水室上的全部豎向和水平荷載對基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m； W為進水室基礎底面對該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m2。

③驗算抗傾覆穩定安全系數計算公式為：

(11)

式中：M抗為抗傾覆力矩；M傾為傾覆力矩。

以上計算成果見表1。

表1　主要計算成果匯總表

結論：通過計算分析，抗滑、抗傾覆穩定滿足要求，地基應力小于地基承載力350 kPa。

3結語

從工程運行1 a的情況看，壓力前池基本達到了設計功能要求，運行正常。由于前池上設有進水閘、排冰閘、沖沙閘、撈污機等重要機械設備，需要運行管理人員隨時監控，及時排冰、排沙、清污，觀察前池水位變化及是否有異常情況，特別是在冬季，及時撈出冰塊及冰雪漂浮物，以免大量冰塊、雪塊進入前池下沉而堵塞攔污柵及進水口，確保前池安全運行。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.水電站引水渠道及壓力前池設計規范[S].北京：中華人民共和國水利部，1998.

[2]張麗.水電站[M].北京：黃河水利出版社，2009.

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[4]李煒.水力計算手冊(第二版)[M].北京：中國水利水電出版社，2006：27-29.

Design and Application of Ahabulong Hydropower Station

Pressure Forebay of Muzhate River

JING Min-chuan

(Xinjiang Electric Power Design Institute，Urumqi 830000，China)

Abstract：Major functions of hydropower station pressure forebay are to distribute evenly water converted to pressure pipes，to limit the water hammer wave in a pressure pipe without causing a large water hammer pressure when the flow rate used by turbine is changed rapidly to produce water hammer in the pressure pipes，the water hammer wave is reflected by the free surface of the front pool，to reduce the unfavorable impacts on diversion channel due to unsteady flow when pressure pipe flow changes,corresponding bore or wave down occurs in forebay，and side weir set in forebay may limit the lifting of bore and water body in forebay may reduce wave down，to remove dirt，sand and ice diverted from diversion channel so as to reduce the impacts on turbine.

Key words：hydropower station；pressure forebay；function；structure design；project application

[作者簡介]經敏川(1982-)，男，新疆烏魯木齊人，工程師，從事水利水電工程勘察設計工作。

[收稿日期]2015-03-05

中圖分類號：TV732.6

文獻標識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)08-0036-04