高陂水電站上游進水渠水力特性試驗研究

黃智敏，付　波，陸漢柱，陳卓英，鐘勇明

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635； 2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635)

低水頭水閘樞紐的電站進水渠布置涉及電站發電效益、泄水閘運行流態、工程投資等因素。以往在電站上游進水渠設計布置中，對其工程前期投資的因素考慮較多，因而忽略了其長遠的發電經濟效益，電站進水渠與樞紐泄水閘分隔的導流墻、進水渠進口上游攔沙坎、攔截漂浮物設施等體型和布置較為單一和常規[1,2]，往往會造成進水渠段的流態不佳、水頭損失較大，并且會影響樞紐工程泄水閘等正常運行。

近年來，經過水力模型試驗研究，廣東省清遠水利樞紐、連州市龍船廠航電樞紐等水電站上游進水渠導流墻、攔沙坎、攔漂排等修改為較新穎的多孔攔污柵閘孔布置形式[3,4]，工程建成運行之后，效果良好，電站的發電效益明顯提高，并展現出十分良好應用的前景。本文介紹韓江高陂水利樞紐電站上游進水渠水力模型試驗研究成果，供類似工程設計參考。

1　工程概況

高陂水利樞紐工程為Ⅱ等大(Ⅱ)型工程，樞紐主要建筑物由泄水閘、電站、船閘、魚道、擋水壩以及兩岸連接建筑物等組成(見圖1)。樞紐正常蓄水位為38.0 m，發電最低運行水位為30.0 m。

圖1　高陂水利樞紐工程平面布置示意圖(單位：m)Fig.1 Plan layout diagram of the water control project

高陂水電站為低水頭河床式電站，布置在壩址河道的右岸，電站從右往左與魚道、排漂閘孔、泄水閘等連接，壩址處河道較彎曲。電站安裝4臺貫流式燈泡機組，單機額定容量25 MW，總裝機容量為100 MW，多年平均發電量40 142.3 萬kWh。電站運行的上游水位為正常蓄水位38.0 m，電站滿發流量為1 361.8 m3/s，發電運行最大水頭為13.5 m、最小水頭為2.5 m。

電站上游進水渠試驗是在高陂水利樞紐水工整體模型上進行，模型為1∶85的正態模型[5]。

2　電站進水渠設計初擬方案試驗

2.1　設計初擬方案布置

(1)電站上游進水渠寬度為88 m，電站進水口底板高程為9.22 m，進水口底板上游以坡度1∶5斜坡段連接上游河床面(高程26.0 m)；

(2)進水渠左側實體導墻頂高程為39.0 m、長度為107 m，攔沙坎布置在進水渠的進口斷面，攔沙坎頂高程27.2 m(見圖2)。

圖2　電站設計初擬方案平面布置示意圖(單位：m)Fig.2 Plan diagram of initial scheme of the station design

2.2　設計初擬方案運行試驗

2.2.1樞紐工程運行方式

根據工程設計資料，樞紐工程運行方式為[5]：

(1) 當壩址處來水流量Qp≤1 361.8 m3/s(電站滿發流量)時，在滿足下游生態用水的條件下，泄水閘閘門關閉，水庫蓄水至正常蓄水位38.0 m，滿足電站發電要求。

(2) 當壩址處來水流量Qp為：1 361.8 m3/s

(3) 當壩址處來水流量Qp>6 700 m3/s時，電站停機，泄水閘全部開啟泄洪，以確保工程的安全運行。

2.2.2電站單獨運行試驗

電站4臺機組滿發運行(閘上游水位Z=38.0 m、Q=1 361.8 m3/s)的試驗表明(見圖3)：

圖3　初擬方案進水渠流態和流速分布示意圖(單位：m/s)Fig.3 Diagram of flow regime and velocity of the initial scheme

(1) 上游河道水流進入電站進水渠時，受進水渠左導墻(頂高程39.0 m)阻水的影響，進水渠進口斷面左側水流斜向進入進水渠內，進水渠內中下游段左側約1/3過水斷面為回流區，回流流速較大值約1 m/s，增大了進水渠與其上游河道的水位差，增加了進水渠段的水頭損失。

(2)上游攔沙坎布置在進水渠的進口斷面(攔沙坎頂高程為27.2 m)，減小了進水渠進口斷面的過水面積，攔沙坎頂入流流速達約1.9～2.4 m/s，進水渠上游河道至電站進水口前沿的水位落差為0.47 m，水頭損失值較大。

2.2.3泄水閘閘門全開運行試驗

由于泄水閘閘址區域河道彎曲且上游進水渠左導墻設置較長和較高，在電站停機、泄水閘泄流運行時(Qp>6 700 m3/s)，閘上游河道右岸區域來流受到進水渠左導墻阻水作用，進水渠左導墻上游端頭部產生較明顯的壅水和繞流，泄水閘右端18～19號閘孔及排漂閘前沿上游區域形成較明顯的回流區，明顯減小了泄水閘右端閘孔的入流流速(見圖4)。如在20年一遇洪水頻率流量(P=5%，Q=12 930 m3/s)泄流運行時，右端18～19號閘孔的入流流速只約為各閘孔入流平均流速的40%～50%，泄水閘上、下游河道水位差ΔZ=0.38 m>0.3 m，泄水閘泄流能力不能滿足設計的要求。

圖4　初擬方案泄水閘運行右端閘孔流態示意圖Fig.4 Flow regime diagram of right side gate hole of the initial plan

3　上游進水渠修改方案試驗

3.1　修改思路

為了改善電站進水渠運行流態、減小進水渠段水頭損失，并滿足泄水閘泄流能力的要求，上游進水渠修改思路為：①降低進水渠左導墻的高程或縮短其長度；②將進水渠實體左導墻修改為過水的攔污閘孔；③將攔沙坎往進水渠上游移動，增大攔沙坎的過流斷面積。

3.2　修改方案布置

參考已有的工程研究成果和運行[3,4,6]，將進水渠左導墻修改為10孔攔污柵閘孔，其總長度112 m；其下游段1～4號閘孔進口底部高程為33.5 m，上游段5～10號閘孔進口底部高程為29.0 m，各攔污柵閘孔凈寬為7.5 m，中墩厚為2.0 和3.0 m(見圖5)。

攔沙坎布置在進水渠左側攔污柵閘孔的上游，其軸線與閘壩軸線呈55°夾角。攔沙坎頂布置15孔攔污柵閘孔，單孔閘凈寬10 m，閘進口底部高程為27.0 m，各閘孔的中墩厚為2.0 m和3.0 m(見圖5)。

圖5　進水渠修改方案布置示意圖(單位：m)Fig.5 Diagram of modification scheme of the inler channel

3.3　修改方案試驗

(1)電站4臺機組滿發運行時，進水渠各攔污柵閘孔入流較平順，左側1～4號閘孔入流流速約1.3～1.5 m/s(中心垂線平均流速，下同)，5～10號閘孔入流流速約1.5～1.0 m/s；斜向攔沙坎頂的攔污柵閘孔(11～25號)入流流速約1.0～0.3 m/s，由其下游端閘孔(11號)往上游端閘孔(25號)逐漸減小；進水渠內水流較平順，進水渠段的水位落差為0.09 m(見圖6)。

圖6　修改方案進水渠攔污柵閘孔入流流速分布示意圖(單位：m/s)Fig.6 Diagram of the flow velocity of trash rack sluice hole of modification scheme

(2)泄水閘閘門全開泄流時，由于上游斜向攔沙坎攔污柵閘孔(11～25號)的閘墩形成一類似實體導墻，對其上游右岸區域來流有斜向導流作用，在排漂閘孔和泄水閘18～19號閘孔上游前沿產生回流區，減小了泄水閘右端閘孔的入流流速。

因此，修改方案進水渠布置缺陷為：①左側1～10號攔污柵閘孔入流流速較大，易吸入污雜物、堵塞柵孔，增大過柵水頭損失，甚至會造成柵條壓彎破壞[7]；②上游斜向攔沙坎攔污柵閘孔(11～25號)的閘墩的斜向導流作用，降低泄水閘的泄流能力，需優化攔沙坎攔污柵閘孔軸線與泄水閘壩軸線的交角；③在魚道的過魚期，魚道上游出口的魚類易從進水渠左側下游端攔污柵閘孔進入進水渠和電站進水口內，不利于魚道正常運行。

4　上游進水渠推薦方案試驗

4.1　試驗優化及推薦方案布置

(1)為了減小上游斜向攔沙坎頂攔污柵閘孔(11～25號)的閘墩對上游右岸區域水流斜向導流作用，經試驗比較后，兼顧泄水閘右端閘孔入流流速和盡量減小斜向攔沙坎頂攔污柵閘孔的長度，確定上游斜向攔沙坎頂攔污柵閘孔軸線與閘壩軸線的較優角度為65°(見圖7)。

圖7　電站上游進水渠推薦方案平面布置示意圖(單位：m)Fig.7 Diagram of recommended scheme of the inlet channel

(2)上游進水渠段內的流速由上游往下游電站進水口是沿程增大的，為了降低進水渠左側下游端攔污柵閘孔的入流流速、使其各閘孔入流流速較均勻，應盡量降低進水渠斜坡段下游段(靠電站進水口區域)的流速，使渠內上、下游段的流速差值盡量減小。

經試驗比較后：①將上游進水渠斜坡段坡度由1∶5修改為1∶8，電站進口進水渠右導墻以4.72°角往上游擴寬，以增大進水渠的過流斷面；②適當增大攔污柵閘孔凈寬，減少其閘孔數，因此進水渠左側墻布置7孔攔污柵閘孔，斜向攔沙坎頂布置14孔攔污柵閘孔，單孔凈寬均為10 m，1～9號閘孔底高程為29.0 m，其余閘孔(10～21號)底高程為27.0 m (見圖7)。

(3)在進水渠左側1～3號攔污柵閘孔布置活動閘門，兼顧電站發電運行和過魚期魚道運行的要求。

4.2　推薦方案試驗

4.2.1電站4臺機組滿發(Q=1 361.8 m3/s)運行

(1)電站進水渠左側1～7號攔污柵閘孔入流流速約1.1～1.2 m/s(見表1和圖8)，斜向攔沙坎頂攔污柵閘孔(8～21號)入流流速約1.0～0.4 m/s，左側1～7號攔污柵閘孔入流流速比修改方案相應流速減小約20%，有利于攔污柵閘孔的正常運行。

表1　進水渠左側攔污柵閘孔入流平均流速值Tab.1 The inflow velocity average value of the left trash rack sluice hole

注：電站發電流量Q=1 361.8 m3/s。

圖8　電站上游進水渠推薦方案運行流態和流速分布示意圖(單位：m/s)Fig.8 Diagram of flow regime and velocity of the recommended schemt

(2)進水渠內各斷面流速分布較均勻，電站左端1、2號機組進口前沿水面回流較弱，回流流速約0.2～0.3 m/s；測試的上游進水渠段的水位差為0.08 m，水頭損失較小。由估算，當電站上游進水渠段水位落差值減小0.1 m時，電站的年發電量可增加約300～400 萬kWh。

(3)進水渠左側和攔沙坎頂設置了攔污柵閘孔之后，將上游河道垃圾攔截在攔污柵前，并由泄水閘右端排漂閘孔和設置在攔污柵閘孔頂的清污機聯合清理攔污柵前垃圾。

4.2.2電站停機、泄水閘泄流運行工況

在各級洪水流量泄流運行時，上游斜向攔沙坎攔污柵閘孔(8～21號)閘墩對上游右岸區域來流的斜向導流作用明顯減弱，泄水閘各閘孔入流流速較均勻；在20年一遇洪水頻率流量(P=5%，Q=12 930 m3/s)泄流運行時，閘上、下游水位差ΔZ=0.29 m<0.3 m，泄流能力滿足設計的要求。

4.3　電站發電運行與魚道過魚協調

為了兼顧電站發電運行和過魚期魚道運行要求，進水渠攔污柵閘孔調度運行方式為：

(1)在每年過魚期(3-8月)，1～3號攔污柵閘孔放置活動閘門、不過流，減小魚道上游出口的魚類進入電站上游進水渠的可能性。1～3號攔污柵閘孔關閉后，上游進水渠流態和流速分布與21孔攔污柵閘孔全開運行相近，左側4～7號攔污柵閘孔入流流速略增大，進水渠左端1～2號機組電站進口前沿水面回流范圍略增大、回流流速約0.6 m/s，進水渠段的水位差(水頭損失)為0.16m(見表1)。

(2)在非過魚期(9月-次年2月)，21孔攔污柵閘孔全部運行，以減小閘孔入流流速和進水渠段水頭損失 (見表1)。

綜上所述，由于受樞紐工程布置條件的限制，魚道上游出口位置已確定、無法更改，因此在魚道過魚期和非過魚期，1～3號攔污柵閘孔采用關閉和開啟的靈活調度運行方式，較好地解決了電站發電運行與魚道過魚的矛盾。

5　結　語

(1)水閘樞紐工程的電站上游進水渠布置應綜合考慮進水渠運行流態、泄水閘泄流能力、攔污、魚道運行及工程投資等因素，在工程條件許可時，應盡量增大進水渠四周的入流斷面、降低進水渠進水斜坡段流速等。

(2)對高陂水利樞紐電站上游進水渠布置進行了多方案的試驗研究，取消了設計初擬方案的電站進水渠左側實體導墻，將進水渠左導墻和攔沙坎修改為多孔攔污柵閘孔布置，調整了攔沙坎頂攔污柵閘孔軸線與閘壩軸線的交角，并將進水渠進水斜坡段坡度由1∶5修改為1∶8、擴寬進水渠等，明顯改善了其入流條件和運行流態，滿足了泄水閘泄流能力和魚道運行的要求，并減小了進水渠段的水頭損失。

(3)本工程電站進水渠推薦方案布置較新穎，雖然其前期工程投資會增大，但其長遠的發電效益是非常可觀的。研究成果得到了工程設計的采用，可供類似工程設計參考。

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參考文獻：

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[2]童中山，周輝，吳時強，等.水電站導漂建筑物研究現狀[J].水利水運工程學報，2002，(1)：73-78.

[3]劉達，黃本勝，邱靜，等.清遠水利樞紐系列水力學及泥沙關鍵技術問題研究[J].廣東水利水電，2011，(3)：1-6，15.

[4]黃智敏，陳卓英，朱紅華，等.龍船廠航電樞紐電站布置優化試驗研究[J].廣東水利水電，2014，(7)：1-3.

[5]廣東省水利水電科學研究院.廣東省韓江高陂水利樞紐工程急彎束窄型河道樞紐區流態及通航條件水力模型試驗研究項目水工整體模型試驗研究報告[R].廣州：廣東省水利水電科學研究院，2016.

[6]陳卓英，黃智敏，鐘勇明，等.廣州市人和攔河壩重建工程電站布置優化試驗研究[J].廣東水利水電，2010，(4)：29-31.

[7]SL285-2003，水利水電工程進水口設計規范[S].