引水式电站尾水渠设计探讨

吴世元，赵 峰

（中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院，武汉 430223）

在电站设计中，一般尽可能降低尾水，以最大限度利用发电水头，增加机组出力，从而增加发电［2-3］。在电站投产运行后，若下游渠道淤积，可适当清淤；若下游渠道冲刷掏空，尾水位降低，电站常处于不利运行状态［4］，需要相应提出许多补救措施［1］。 因此，电站设计希望尾水位不因下游渠道的冲刷而降低。且引水式电站的厂房一般和大坝相距较远，厂房尾水和上游大坝溢流流量相互叠加，电站尾水渠水位不完全受水轮机发电流量控制，这对计算尾水渠的特征水位带来一定困难。

以新疆塔吉克二级电站为例，提出了计算尾水渠特征水位的方法，并解决了电站尾水因下游渠道冲刷而降低的问题。

1 工程概况

塔吉克二级水电站位于皮山县垴阿巴提塔吉克民族乡境内，为两坝址（康艾孜河上及阿克肖河上）一厂址（两河汇流处），两厂房合建的引水式电站。采用无压引水隧洞，经前池接压力钢管，钢管交汇于厂房内。电站采用混流卧式水轮机组，各装3台机（2大1小）。康艾孜河引水机组设计流量：15.5×（6.46+6.46+2.58）m3/s； 阿克肖河引水机组装机容量：16.2×（6.48+6.48+3.24）m3/s；电站厂房位于康艾孜河及阿克肖河交汇处，尾水排入下游河道。

2 电站尾水渠布置

电站厂房位于康艾孜河及阿克肖河交汇处河滩，尾水接尾水渠排入下游河道。尾水渠与电站厂房纵向平行。为提高发电能力，尾水渠渠底出口基本与下游河道平齐。

3 特征尾水位常规计算方法弊端

3.1 两种特征尾水位常规计算

（1）尾水渠与下游河道距离较长（>1km），且下游水位较低，尾水渠相对较高，尾水渠内水位不受下游河道顶托。一般直接按照明渠均匀流计算尾水渠内水位。

（2）尾水渠与下游河道距离较近，尾水渠内水位受下游河道顶托，先按照下游河道常年枯水位确定尾水渠最低运行水位。然后由电站满发流量，根据下游河道水位流量关系，确定电站最高尾水位。

3.2 弊端

尾水渠与下游河道距离较近，尾水渠内水位受下游河道顶托。当下游河道冲刷严重时，最低尾水位小于设计值，电站常处于不利运行状态［4］；当上游挡水建筑物溢流与电站发电尾水流量叠加时，会使实际最高尾水位大于设计最高尾水位，减小机组发电量。

4 采用有坎宽顶堰后特征尾水位计算

4.1 最低尾水位确定

厂房最低尾水位对应的最小流量根据水轮机运行方式确定，本工程实际为两个电站厂房（各装3台机）合建，由于两个电站运行方式较为独立，可以按照其中一厂房内装机3台来确定，根据水电站机电设计手册［6］，取较小的1台机组的额定流量（康艾孜小机组满发）Qmin=2.58m3/s。

厂房最低尾水位取实测常年枯水位2340.40m，由图1可知，电站尾水渠末端设宽顶堰，考虑堰上下游水位差0.1m［7］，渠内最低尾水位取2340.50m。

图1 斜坡式进口的宽顶堰

4.2 有坎宽顶堰设计

为平顺过流，并减少水头损失，采用斜坡式进口的宽顶堰，如图1［5］。

上游尾水渠内渠底高程取平均渠底高程2337.73m，渠内水位取尾水位2334.50m，H+P=2334.50-2337.73=2.78m，根据已知的流量计算上游行进流速，上游倾角θ取30°，先假定上游坎高P，并查《水力计算手册》表3-2-1［5］计算相应的流量系数m，再根据堰流公式计算过流能力，直到计算出的Q等于已知Qmin=2.58m3/s为止。由此计算出上游坎高P=2.54m，相应的上游堰顶高程为2337.73+2.54=2340.27m。设计引水渠末端宽顶堰断面如图2。

图2 尾水渠末端宽顶堰断面

4.3 最高尾水位确定

最高尾水位对应的最大发电流量为所有机组满发，Qmax=15.5+16.2=31.70m3/s。采用已设计的宽顶堰，假定堰上水深H，并查表《水力计算手册》3-2-1［5］计算相应的流量系数m，再根据堰流公式（此时，下游水位通常较低，不考虑淹没σ=1.0）计算过流能力，直到计算出的Q等于已知Qmax=31.70m3/s为止。由此计算出堰上水深H=1.23m，相应的尾水渠内最高尾水位为2340.27+1.23=2341.50m。

5 计算方法对比

采用常规设计方法，不利于充分发挥机组的最大出力效率。

尾水渠后增设有坎宽顶堰，当电站尾水渠下游渠道冲刷时，电站的最低尾水位也不会发生变化，从而保证了电站的运行［4］；而电站的最高尾水位也不会因为下游渠道水位降低而降低，从而保证了水轮机的有效出力。

6 结语

（1）很多电站只是在下游渠道冲刷较大时，才在下游设计雍水堰［4］。本文以新疆塔吉克二级水电站尾水渠设计为例，未雨绸缪地设置了雍水堰，并给出了具体设计方法。

（2）在尾水渠末端修建的宽14m的宽顶堰，解决了工程实际中遇到的相关问题，且工程量极小，有利于相关设计人员借鉴。

［1］陈野鹰.水口电站尾水位下降治理技术及壅土堰设计［J］.水电能源科学， 2010， 28（8）：113-114.

［2］肇磊.降低尾水位提高发电效益［J］.农业与技术，2007，27（5）：107-109.

［3］梁福林.梯级水电站降低尾水位增加发电效益研究［J］.水电能源科学， 2010， 28（8）：123-126.

［4］林家洋.浅谈尾水位降低对机组运行安全性的影响［J］.福建电力与电工， 2008， 28（4）：41-43.

［5］武汉大学水利水电学院.水力计算手册（第二版）［K］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［6］水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（水力机械）［K］.北京：水利电力出版社，1983.

［7］SL 265—2001，水闸设计规范［S］.