小型水电站溢流跌井关键技术设计与应用.docx

第46卷第1期2010年1月Vol.46,No.1Jan.,2010甘肃水利水电

第46卷第1期2010年1月

Vol.46,No.1Jan.,2010

GansuWaterConservancyandHydropowerTechnology

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·设计与研究·

小型水电站溢流跌井关键技术设计与应用

库永慧

(酒泉水利水电勘测设计院，甘肃酒泉735000)

摘要：在山区河流梯级水电站开发中，溢流跌井应用较为普遍。通过党河芦草湾三级水电站溢流跌井的研究、设计及建设实践，对跌井进口水面漩涡的克服、深筒式消力井水力特性等关键技术进行了研究。

关键词：水电站；溢流跌井；水面漩涡；深筒式消力井；芦草湾三级水电站中图分类号：TV653*.5文献标识码：B

1工程概况

芦草湾三级水电站位于甘肃省肃北县境内的党河河道上，为引水式电站。电站枢纽由引水渠首、引水隧洞、引水渠、压力前池、溢流跌井、压力管道、发电厂房和尾水渠组成。其中溢流跌井位于压力前池右侧崖头之上，承担电站压力前池溢流、排冰、排砂任务，跌井进口堰顶高程1921.285m,跌井出口隧洞底板高程1880.485m,跌井落差40.8m,设计泄流量0~16m3/s,加大泄流量18m3/s。

2溢流型式选择和关键技术问题提出

芦草湾三级水电站溢流建筑物受电站枢纽布置的要求，需要解决如下问题：一是布置空间有限，压力前池出口与崖头边缘仅距50m,而距离河床地面落差45m;二是根据设计阶段地质勘察，竖井上部10~20m范围内为“第四系砂砾石层”,下部为“第三系橘红色粉砂质泥岩”,地质条件较差；三是溢流建筑物承担电站压力前池溢流、排冰、排砂任务，运行时间为全年，建筑物存在泥沙、冻害等情况；四是溢流建筑物南侧80m分布有五个庙的洞窟，洞窟内壁画等文物要求周边空气干燥，泄流建筑物运行要避免增加洞窟周边空气湿度。根据上述要求，为了降低工程投资，提高泄流安全，防止出口冲刷、雾化和高边坡不稳定现象，该工程泄流建筑物拟采用内部消能的跌井形式。

根据对国内外跌井内部消能工类型的调查，内部消能型式主要有漩流竖井、孔板消能、消力井等类型。其中漩流式和消力井式消能适用于下游水位较低的条件，漩流式采用连续旋转和扩散消能，消能率高，掺气充分，可有效防止发生空蚀，但结构复杂；消力井采用井内集中消能，对于完全淹没竖井连接消力井的泄水道，消能率为30%~50%,自由掺气的消力井可达80%以上，相对而言消能率较低，但结构简单；孔板式消能工适用于下游高水位条件，其消能率较低，同时为了避免洞内发生高压不稳定气团流动，进水流量必须稳定。通过对上述消能工的应用条件、消能效果和运行的可靠性比较，结合芦草湾三级水电站下游水位较低，泄流流量变化不稳定、承担排冰排砂任务的具体情况，确定采用“消力井式跌井”作为该电站的溢流建筑物。

根据对已建同类建筑物设计、运行中存在的问题，结合本工程实际，提出跌井进口水面漩涡的克服、消力井水力特性等两个方面的问题作为该工程的关键技术问题进行研究和解决。

3关键技术问题研究

3.1跌井进口水面漩涡的克服

3.1.1产生漩涡危害

根据水利工程建设实践，跌井在一定的孔口直径、来水边界条件，水流流向，行进流速和水头等水力因素的作用下，均有漏斗漩涡发生。这种漏斗漩涡对工程的危害性是很大的，一是漩涡挟气减少有效泄水断面，从而降低泄水能力，会出现进水口漫顶的危险，严重威胁建筑物周围高边坡稳定及文物安全；二是漩涡会将水面漂浮杂物漩入其内，可能使进口堵塞而造成工程事故；三是脉动吸气漩涡水流很不稳定，忽隐忽现，使进口水头涨落不定，这样会给进口周壁产生脉动压力，造成工程震动破坏。

3.1.2漩涡产生原因

由于跌井进口属于底部孔口，易发生漩涡，而且水位伴随着漩涡猛然上涨，流量增加甚少或丝毫都不增加，经分析，其主要原因为：跌井轴线与来流流向成90°交角(在垂直面上),因此水流至井口时不易拐弯而直冲对岸，形成倒转流层，致使水流围绕井口漩转，引起水面发生吸气漩涡。

如上所述，跌井孔口水面漩涡的发生，主要和孔口以上的水头H、孔径D、孔口平均流速v,孔口泄流量Q、佛汝德数Fr、孔口断面A,以及来流边界条件等水力因子有直接关系。

3.1.3漩涡对泄流能力影响

根据斯替文森在不同尺寸的圆筒容器中进行的试验研究，漩涡强度T与流量系数C?关系表示为：

C?=0.686-0.218(1)

从公式中