卡群电站压力前池防冰塞设计与试验研究

严跃成

新疆地处我国西北高寒地区,冬季气候寒冷,河道冰冻严重,冰冻期长达四个月之久。冬季引水式电站的冰冻与冰害问题是影响电站能否正常运行的关键。而合理的设计和运行管理正是解决冰冻问题的有效途径。本文结合新疆卡群电站前池冬季输排冰运行的水工模型试验,对引水式电站冬季输排冰运行条件和电站前池布局的合理性进行探讨研究。

1 卡群电站工程设计概况

卡群水电站是新疆境内叶尔羌河西岸输水总干渠上的一座中小型电站,装机容量为3×7 000 kW,单机引用流量17.1 m3/s,电站引水渠设计流量为60 m3/s,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。

压力前池是引水式水电站冰害处理的最后一道防线,卡群电站前池原设计水力排冰方案采用正面排冰、侧面引水方式,并在排冰闸前布置了长度为52 m的缓流渠段(也称连接渠),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°。原设计布置见图1。考虑到渠首有处理部分冰凌的能力,设计预估进入电站引渠的冰流量约为0.4 m3/s～0.63 m3/s。

2 压力前池防冰塞试验研究

2.1 正面排冰、侧面引水试验研究方案

按原设计正面排冰、侧面引水方案进行试验,前池模型按重力相似准则设计为正态整体模型,几何比例为1∶20,冰的模拟采用工业石蜡内掺20%的松香,使其达到天然冰的密度。试验结果表明,冬季引水流量为28 m3/s时,引渠的平均流速为1.4 m/s,大于输冰流速,故大河进入引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。

卡群电站原设计方案符合《规范》要求,设置了缓流渠段(连接渠)使水流能平缓地进入前池,但运行时仍然出现冰塞现象。笔者认为,《规范》中强调了以缓流改善流态的进水条件,而没有提及控制流速不小于输排冰流速的条件。工程中常有压力前池排冰受阻的问题,其原因之一就是缓流渠段流速过低,这也是卡群电站前池发生冰塞的主要原因。

通过原设计方案试验研究,笔者有以下几点体会:

1)排冰闸前的缓流渠段,设计流速一定要大于临界输排冰流速,对于冰凌呈整片连续带状沿水面流动的情况,临界输冰流速可采用前苏联专家波达波夫的半经验公式计算:VK=0.057◦其中,VK为临界输冰流速;C为渠道的谢才系数;h′为浮冰厚度;d为冰凌颗粒直径。2)如采用侧向引水,当主流分离后,排冰水流的流速仍要满足大于排冰要求。3)多孔排冰闸的中墩不宜设计成厚型墩,它对排冰有较大的阻力作用。中墩宜设计成头部为流线型的薄型墩,以尽可能保持原有水面宽度为好。

总之,正向排冰侧向引水方式的前池布局,一定要保证排冰闸前全程的水流流速不小于输排冰流速,否则,连接渠内还会因流速过小而发生冰塞,使排冰闸失去排冰效果。

2.2 正向排冰、正向引水试验研究方案

对原设计进行修改,修改设计方案按《规范》8.2.2的要求:“首选正向排冰布置方式,并采用正向双层式结构布置形式”。考虑尽量使主流方向与冰凌运动方向一致,所以修改方案选用了正向排冰、正向进水后水流再转向的布置方式,该方案也可以看成是正向双层式结构布置形式,见图 2。

该试验结果表明,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(0.4 m3/s～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 m/s,小于排冰流速,故形成冰塞体。

再次对卡群电站前池进行修改,采用地区设计方案,仍然采用正向排冰、正向进水双层式结构布置形式,它的特点是设置了装配式隔板,使前池分为上下两层,冬季使用上层池身断面以提高流速,夏季将隔板翻起,以满足前池调节库容要求。该方案排冰闸与压力管进水闸重叠设置,排冰闸采用反向舌瓣门,见图3。

该试验结果表明,尽管排冰闸有冰凌输出,但上游来冰量大于前池排冰量,冰凌在前池累积逐渐形成表面冰塞并向上游推进,当冰塞前缘到达流速较大的引渠末端时冰凌下潜,使前池的浮冰厚度逐渐增加,最终堵塞拦污栅。分析该方案冰塞的原因:1)当冬季单台机组运行时,造成前池流态分布不均,有大片的回流区,回流区表面形成冰塞体;2)排冰槽底过高,排冰闸前水流为淹没出流,降低了排冰流速;3)进水闸室的两个中墩对排冰产生了阻碍作用。最终的修改方案是将图2作进一步改动,提高闸前流速,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,增加前池水深并减小水体紊动。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且断面流速分布均匀,可顺利排除0.6 m3/s的流冰,此时的冰水比为1∶17。

3 防冰塞措施讨论

1)对有排冰要求的前池设计,除按照《规范》8.2.2要求:“宜首选正向排冰布置方式,并宜采用双层式结构形式”,还必须使排冰闸前枢纽各段的水流流速不小于排冰流速,并使水流平稳进入前池。2)对于不同的冰水条件,临界输排冰流速是不同的,《规范》7.3.9中给出了输排冰流速的下限“输排冰流速不小于1.1 m/s”。笔者通过试验及原型观测资料验证,1.1 m/s的输排冰流速适用于浮冰厚度在20 cm以下的情况,当浮冰厚度超过20 cm时,《规范》中无法定量给出输排冰流速。3)笔者推荐使用波达波夫的半经验公式来计算临界输排冰流速,通过工程实例验证,该公式的计算值与实测值相近,该公式适用于明渠均匀流。4)对《规范》8.2.4中提出的“排冰闸前应布置一定长度的缓流渠段”,笔者建议补充:“缓流渠段的水面流速不得小于输排冰流速”。5)为保证电站前池排冰设计的有效性,在理论分析的基础上,对前池枢纽进行水工模型试验是必要的。设计人员除了按照《规范》要求把握好总体设计思路外,还应对枢纽中的每一渠段局部问题加以思考,如渐变段的边坡、底坡设计、缓流渠段设计、排冰闸墩设计、前池库容的形体设计、泄水排冰槽及陡坡的设计等问题,还应考虑冬季机组非对称运行时流速分布不均对排冰的影响,尽量保证压力前池上游顺利输冰、下游顺利排冰。

4 结语

引水式电站冬季输排冰运行的关键因素是流速,其值应大于临界输冰流速,临界输排冰流速值随浮冰厚度的变化而变化,浮冰厚度越大所需的临界输冰流速越大。推荐使用波达波夫的半经验公式计算输排冰临界流速;边界条件也是影响水流流态乃至输冰流速的重要因素,为了保证压力前池,特别是排冰闸前的流态平稳,宜采用正向排冰布置形式,排冰闸应尽量布置在压力前池上游,以利于集中水流排冰。考虑到前池枢纽布局的复杂性及水流边界条件的变化,实际工程中的水流状态很难用数值计算进行模拟,为保证工程的安全运行,笔者建议通过水工模型试验,进一步修改和完善设计方案。

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