虹吸管在討賴河流域已建水電站中應(yīng)用

任國(guó)良

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

21世紀(jì)初討賴河流域逐步建成了鏡鐵山、東水峽、冰溝等引水式水電站，被引水河段形成部分河段斷流現(xiàn)象，為了解決河道斷流問題，需要增設(shè)生態(tài)流量放水孔。解決該問題方法有下列幾種：

(1) 在水電站攔河大壩適當(dāng)?shù)奈恢描徔卒佋O(shè)涵管，向下游輸水。

(2) 在水電站攔河大壩泄洪或排沙系統(tǒng)相應(yīng)的擋水閘門上開孔向下游輸水。

(3) 利用水電站攔河大壩原有布置，在大壩適當(dāng)位置鋪設(shè)虹吸管道引水至下游。

在攔河大壩泄洪閘(或排沙閘)擋水平面(或弧形)工作閘門面板上開孔向下游輸水，需要在擋水閘門面板上開孔，開孔破壞了閘門面板整體性，造成閘門面板局部氣蝕，同時(shí)在輸水過程中，在高速水流的誘導(dǎo)下，易引起閘門震動(dòng)。在NB35055-2015《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》和NB/T35045-2014《水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定，在閘門運(yùn)行過程中不允許有震動(dòng)現(xiàn)象。

打孔鋪設(shè)涵管方法是在水電站攔河大壩適當(dāng)?shù)奈恢茫M(jìn)行人工或機(jī)械施工，對(duì)壩體進(jìn)行開挖或機(jī)械打孔，將涵管埋設(shè)后再進(jìn)行回填的工程，其施工難度大、工期長(zhǎng)、投資大、下泄流量不易控制等，造成水資源浪費(fèi)。而且新回填混凝土與原壩體混凝土隨著時(shí)間推移出現(xiàn)不均勻沉降等現(xiàn)象。對(duì)于壩高較低的小型水電站，虹吸管輸水可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的在壩體內(nèi)打孔鋪設(shè)涵管輸水，且優(yōu)越性明顯。虹吸管技術(shù)是利用水力真空虹吸原理使水流沿管道流過比取水面高程更高的壩頂而流向下游輸送水的一種方法。虹吸管技術(shù)相比傳統(tǒng)的破壩重建涵管工藝具有造價(jià)低、施工期短、使用靈活、管理、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 討賴河流域水電站

討賴河流域自上而下依次建成了鏡鐵山、東水峽、冰溝等水電站工程。

1.1 鏡鐵山水電站

鏡鐵山水電站主要建筑物由攔河大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪排沙系統(tǒng)、發(fā)電廠房等組成。工程規(guī)模為Ⅳ等小(1)型工程，大壩建筑物為4級(jí)，工程區(qū)地震設(shè)防烈度為Ⅶ度。水電站主要任務(wù)是發(fā)電，總裝機(jī)容量36 WM，設(shè)計(jì)水頭64 m。攔河大壩為漿砌塊石外包混凝土重力壩，壩頂高程2 948.00 m，建基高程2 892.00 m，最大壩高56 m，壩頂寬度7 m，壩頂長(zhǎng)度94 m，其中溢流壩段45 m、沖沙閘壩段10 m、左右岸重力壩39 m；上游壩面邊坡在高程2 920.00 m 以上為鉛直，以下為1∶0.35邊坡，下游壩面邊坡為1∶0.75。泄水建筑物由溢流壩與導(dǎo)流泄洪排沙洞組成。溢流壩位于河床中部，為壩頂自由溢流，堰頂高程2 940.00 m，溢流壩段長(zhǎng)度45 m，溢流前沿寬度42 m。設(shè)計(jì)最大泄水量為525 m3/s，校核最大泄水量為1 180 m3/s。

1.2 東水峽水電站

東水峽水電站樞紐采用閘壩結(jié)合“一”字形集中布置方式，樞紐建筑物主要包括進(jìn)水閘、排沙閘、泄沖閘及左右岸連接建筑物。工程規(guī)模為Ⅲ等中型工程，主要建筑物為3級(jí)，工程區(qū)地震設(shè)防烈度為Ⅶ度。水電站主要任務(wù)是發(fā)電，總裝機(jī)容量52.8 WM，設(shè)計(jì)水頭189 m。該工程水庫(kù)為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，閘壩頂高程2 570.00 m，閘底高程2 559.50 mm，正常蓄水位2 568.00 m，最大壩高10.50 m。

1.3 冰溝水電站

冰溝水電站主要建筑物由漿砌塊石外包混凝土重力壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪排沙系統(tǒng)、發(fā)電廠房等組成。工程規(guī)模為Ⅳ等小(1)型工程，大壩建筑物為4級(jí)，工程區(qū)地震設(shè)防烈度為Ⅶ度。水電站主要任務(wù)是發(fā)電，總裝機(jī)容量21 WM。該工程水庫(kù)為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，壩頂高程2 021.50 m，閘底高程2 000.00 m，正常蓄水位2 020.00 m，最大壩高21.5 m，壩頂寬度12.30 m。

2 鏡鐵山、東水峽、冰溝等水電站虹吸管路的設(shè)計(jì)布置

鏡鐵山、東水峽、冰溝等引水式水電站虹吸管總體布置原則是在不破壞原有建筑物及設(shè)備的條件下，盡量縮短虹吸管路徑，減少虹吸管道轉(zhuǎn)彎次數(shù)，當(dāng)庫(kù)區(qū)水位在死水位時(shí)確保向下游輸水的最小流量不變等。

2.1 鏡鐵山水電站

依據(jù)鏡鐵山水電站壩型布置，選擇合適的引水路徑及管道轉(zhuǎn)彎次數(shù)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確定在泄水建筑物溢流壩壩頂鋪設(shè)虹吸管向下游輸水，以滿足向下游河道輸送生態(tài)流量。詳細(xì)布置見圖1。

圖1 鏡鐵山水電站虹吸管布置圖 單位：m

2.2 東水峽水電站

東水峽水電站樞紐采用閘壩結(jié)合“一”字形集中布置方式，樞紐建筑物自左向右依次布置有1孔進(jìn)水閘、1孔排沙閘、3孔泄洪閘及左右岸連接建筑物。其中3孔8.5 m×8.84 m(寬×高)泄洪閘布置在壩體中部靠主河一側(cè)，且為表孔弧形工作閘門。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確定在3孔表孔弧形工作閘門上鋪設(shè)虹吸管向下游輸水，既不破壞原有弧形工作閘門，又滿足向下游河道輸送生態(tài)流量的問題。詳細(xì)見圖2。

圖2 東水峽水電站虹吸管布置圖 高程：m；直徑，mm

2.3 冰溝水電站

冰溝水電站擋水壩為漿砌石重力壩，外包1層0.5～1.5 m厚的混凝土。壩頂高程2 021.50 m，壩頂寬度12.30 m，壩軸線長(zhǎng)度150 m。自左向右依次布置有1孔進(jìn)水閘、1孔沖沙閘、2孔泄洪閘及左右岸副壩連接建筑物。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確定在沖沙閘檢修閘門下游側(cè)與工作閘門上游胸墻之間的空間(0.7 m)布置虹吸管進(jìn)口段，既縮短虹吸管路徑，又不影響沖沙閘檢修閘門和工作閘門正常使用。詳細(xì)見圖3。

圖3 冰溝水電站虹吸管布置圖 高程：m；其他，mm

3 虹吸管設(shè)計(jì)

虹吸管水力計(jì)算主要是確定虹吸管的流量及虹吸管頂部最大允許安裝高程，確保虹吸管正常工作。在工程應(yīng)用上虹吸管最大真空度hv取7～8 m高水柱。考慮到討賴河流域均屬高原氣候，下列計(jì)算hv取7 m高水柱。

虹吸管管路段的局部水頭損失和沿程水頭損失均不能忽略，必須同時(shí)考慮，因此虹吸管的水力計(jì)算按照短管水力計(jì)算。

3.1 虹吸管出水流量計(jì)算

虹吸管出水流量Q計(jì)算公式：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；A為管道斷面面積，m2；g為重力加速度，m2/s；h為虹吸管上下游水位差，m；μc為管道系統(tǒng)流量系數(shù)。即：

(2)

式中：l為管道計(jì)算長(zhǎng)度,m;d為管道內(nèi)徑,m;∑ξ為管道計(jì)算段中各局部水頭損失系數(shù)之和;λ為沿程水頭損失系數(shù)。

(3)

式中:C為管道謝才系數(shù)。

(4)

式中:n為糙率系數(shù)，對(duì)于無(wú)縫鋼管取0.011～0.012;R為水力半徑,m。

3.2 虹吸管安裝高程(Zs)的計(jì)算

以虹吸管運(yùn)行時(shí)庫(kù)區(qū)最低水位作為0-0基準(zhǔn)面，最大真空度hv取7 m，根據(jù)伯奴利方程式，列斷面1-1與2-2能量方程式：

得：

3.3 虹吸管進(jìn)口最小淹沒深度(Hs)的計(jì)算

為了防止虹吸管進(jìn)口產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，帶入空氣破壞虹吸效果，虹吸管最小淹沒深度Hs按下式估算：

Hs=(1～1.57)Fr0d

(5)

式中:Fr0為虹吸管斷面的水流弗勞德數(shù)。

(6)

式中:d虹吸管直徑,m;v0虹吸管斷面流速,m/s。

4 虹吸管設(shè)計(jì)中注意的問題

虹吸管運(yùn)行的核心問題是防止虹吸管內(nèi)進(jìn)入空氣，具體方法：

(1) 虹吸管設(shè)計(jì)布置開始一定要滿足虹吸管的最小淹沒深度(Hs)，在滿足淹沒深度的條件下，虹吸管進(jìn)口方向朝下布置。

(2) 虹吸管材質(zhì)上盡量選擇優(yōu)質(zhì)的無(wú)縫鋼管，減少焊縫數(shù)量，控制好每道焊縫質(zhì)量，確保虹吸管的密封性。

(3) 防止在虹吸管進(jìn)口處吸入雜物，影響虹吸管的性能，應(yīng)設(shè)置攔污柵裝置。

(4) 在虹吸管出口優(yōu)選密封性能好的球閥，以減少管內(nèi)進(jìn)入空氣。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于壩高較低的小型水電站，虹吸管輸水可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的在壩體內(nèi)打孔鋪設(shè)涵管輸水，且優(yōu)越性明顯。虹吸管技術(shù)相比傳統(tǒng)的破壩重建涵管工藝具有造價(jià)低，施工期短，使用靈活，管理、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，希望能為類似工程提供借鑒作用。

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