喀群一級水電站壓力前池排冰排沙設計與試驗研究

崔 忠，石 嵚

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

喀群一級水電站是葉爾羌河西岸輸水總干渠上的引水式水電站，位于新疆莎車縣喀群鄉境內。喀群一級水電站引水渠設計流量為60 m3/s，加大引水流量為70 m3/s，電站裝機容量為21 MW，保證出力12.2 MW，設計年發電量1.53億kW·h。電站由進水閘、引水渠、壓力前池、泄水陡坡、壓力鋼管、廠房、尾水渠及附屬建筑物組成。

葉爾羌河是一條多泥沙、多冰凌河流；多年平均含沙量4.44 kg/m3，年平均輸沙量2870萬t，7～8月是葉河的洪水期，也是渠道來沙的高峰期，加上渠道沿途設有兩個納洪口，沙情非常嚴重。最大冰流量6.3 m3/s，冰期101 d，每年11 月至次年3 月，是葉爾羌河的行凌期，由于渠首無法排冰，大河冰凌全部進入13 km 長的電站引水渠，冬季電站運行方式采取輸冰運行。

2 壓力前池排冰排沙設計與試驗研究

2.1 原設計方案布置

壓力前池是引水式水電站防冰、排沙的最后一道防線，電站壓力前池采用正面排冰、排沙，側面引水方式布置，并在排冰、排沙閘前布置了長度為52 m 的緩流渠段（連接渠），斷面采用與排冰閘同寬的矩形渠道，進水閘中心線與渠道中心線夾角為58°，在進水室前端底板設一道圓形斷面排沙渦管。原設計布置見圖1。

圖1 喀群一級水電站前池原設計布置圖

2.1.1 原設計模型排冰試驗

喀群一級水電站冬季引用流量28 m3/s，電站冬季運行時采用輸排冰運行方式。輸冰運行時使用兩臺機組，單機流量為14 m3/s，全部流量與水中的軟冰凌均用于發電；排冰運行時使用一臺機組，單機流量為17.1 m3/s，剩余10.9 m3/s流量用來排冰，發電水與排冰水的比例為1∶0.64。

試驗結果表明，冬季引水流量為28 m3/s 時，引水渠的平均流速為1.4 m/s，大于輸冰流速，故大河進入引水渠的浮冰能順利輸移到連接渠。而連接渠內由于水深增加、流速降低，平均流速為0.62 m/s，加之側向引水發電，主流與排冰水流分離，排冰閘前平均流速僅為0.56 m/s，小于排冰流速。另外，排冰閘的中墩采用頭部呈半圓形、寬度為3.4 m 的厚型墩（占閘前水面寬度的1/3），增大了冰凌過閘的阻力，所以浮冰輸移至連接渠內便形成表面冰塞，冰塞的前緣一直向上游推進到連接渠與引水渠交接處，此處流速較大，冰凌沿冰塞體的前緣下潛，最終當浮冰厚度超過前池入口處導冰伐的深度時，冰凌進入前池構成危害。

2.1.2 原設計模型排沙試驗

進入電站引渠的泥沙以懸移質為主。原設計前池排沙有兩個通道，一是排冰閘兼做排沙閘，二是在前室底板設一道排沙渦管。試驗按汛期月平均含沙量投放泥沙，含沙量4.03～5.87 kg/m3。經測試，引渠來水70 m3/s 時，水中泥沙一部分沉積在連接渠內，一部分進入前室。

首先打開排冰排沙閘，調節沖沙流量為18.7 m3/s，這時電站仍維持3臺機發電，當排沙閘打開瞬間，排沙效果最好，閘室附近的泥沙順利排往下游。但其影響只到閘墩前1.5～2.0 m遠，此范圍上游淤積的泥沙仍無法被水流帶走。如果采用連續沖沙方式，可使淤積在連接渠中的泥沙向下游推進，但同時泥沙的淤積高度也會超過電站前池進口的導沙坎，泥沙更大量地進入前池。進入前池的泥沙，隨著水流流速的降低，逐漸地淤積在前池的底部，泥沙淤高的同時也會隨水流向前推進，當進水閘前的排沙渦管內淤積了大量泥沙時，開啟位于前室沖沙廊道的閘門，閘門開啟的瞬間，能將沖沙閘前某一范圍內的泥沙迅速沖走。在影響范圍內渦管內能形成螺旋流。據觀測，渦管排沙的影響長度約6 m，占渦管總長度的1/3，其余2/3段內淤積的泥沙仍無法排除。

試驗結果表明，電站排沙系統設計存在一定問題，無論是排沙閘還是排沙渦管，都不能有效排除淤積在前室及連接渠內的泥沙。

2.2 修改方案一模型排冰試驗情況

針對原設計存在的排冰問題，對前池布置進行了如下修改：將連接渠的寬度由原來的10.4 m改為8.0 m；將排冰閘的中墩取消，使排冰孔由兩孔變為一孔；將扭面長度由原來的25.0 m 改為37.5 m。修改的目的是減小連接渠的過流斷面，提高輸排冰流速，減小連接渠阻冰影響。經試驗觀測，修改后的連接渠水流流速較原方案有所提高，冬季運行時連接渠流速達到0.96～1.12 m/s。但主流轉彎后，排冰閘前的流速明顯減小，排冰閘前表面流速為0.66 m/s。水流在前池產生大范圍的回流區。該方案的流速模擬排冰試驗結果表明，此方案的排冰效果雖好于原設計情況，但仍沒有達到設計要求。其原因是連接渠縮窄后，渠道的單寬冰流量增加，即浮冰的厚度增加，所需的渠道輸冰臨界流速也要增加，雖然該方案連接渠的平均流速已較原設計時有所提高，但還未達到輸冰臨界流速。當渠道來冰量達到0.40 m3/s 時，在引渠與連接渠的變化斷面首先發生表面冰塞，當冰流量為0.15 m3/s 時，冰塞發生在排冰閘前的低流速區，且浮冰由此向上游發展。經試驗，該方案排冰運行時能保證冰凌順暢排走的最大冰流量為0.10 m3/s，排冰用水量為10.9 m3/s，冰水比達到1∶109。

2.3 修改方案二模型試驗情況

針對修改方案一排冰運行中存在的問題，設計再次對方案進行了修改。考慮到應使水流的主流方向與冰凌運動的方向一致，這樣可以集中全部水能將冰凌推到排冰閘前，將連接渠的寬度改為12.0 m，并使排冰閘的寬度與連接渠相等，并將排冰閘位置移到上游前池分水口之前，并在閘后設隔板將水分成上下兩股；上層為排冰道，下層為進水道；將扭面長度改為40.0 m，扭面底坡由原來的1∶14.5 改為1∶16.5；取消前室進口底部的擋沙坎，使前池的底高程與連接渠底高程相同。

試驗中發現，排冰閘下層水流受左側弧形導墻的頂托后，左側水流發生逆行，并在排冰閘前形成大范圍的回流區，回流區前緣接近扭坡始端，下緣在排冰閘附近，回流寬度占水面總寬度的1/3，回流的存在對排冰極為不利。

經測量，冬季枯水位運行時（排冰工況），扭面末端左岸的平均流速為0 或負值，右岸的平均流速為1.0 m3/s，流速分布極不均勻。在排冰閘前兩側有立軸漩渦。進入前池的水流受彎道環流的影響，主流偏向左岸，前池水流呈順時針方向回轉。設計流量下3 臺機組運行時，排冰閘兩側也有立軸漩渦。前池水流紊動較枯水期運行時還要強烈，前池左岸的底流速為1.65～1.88 m/s，右岸的底流速為0.1～1.16 m/s。

試驗結果表明，冰流量較小時（小于0.25 m3/s）冰凌尚可通過排冰閘，冰流量達到設計值時（0.40～0.64 m3/s），浮冰在閘前扭坡段形成表面冰塞，冰塞體向上游發展延伸至引渠末端，上游冰凌在此處下潛，使冰塞體逐漸加厚，最終導致冰凌進入前池。分析冰塞的原因，主要是排冰閘下層進入前池的水流受左岸弧形導墻的頂托，左岸水流發生逆行，在排冰閘前形成大范圍的回流區，回流寬度占水面總寬度的1/3，回流區流速小，易發生冰塞；另一原因是閘前緩流渠水深加大，流速降低，平均流速低于1.0 m/s，小于排冰流速，故形成冰塞體。

2.4 修改方案三模型試驗情況

修改方案三是在修改方案二的基礎上作進一步改動，其布置如圖2 所示，提高排冰閘前流速，將扭面底坡坡度變緩，由1∶16.5改為1∶320，使該處水深減少、流速增大；讓冰凌順利輸移至排冰閘，在接近排冰閘處，再將底坡變陡，改為1∶2 的坡度，再與前池底部相連。修改扭面的目的是減小扭面段及排冰閘前的水深，提高輸冰流速，消除和削弱排冰閘前的回流。針對原設計方案設在前室底板下圓形斷面排沙渦管排沙效果差的情況，將排沙渦管改為設在前室底板之上的方形渦管。

圖2 喀群一級水電站前池修改方案三布置圖

2.4.1 修改方案三排冰試驗

排冰試驗表明連接渠段水流的流速較方案二有明顯提高。當引水渠按冬季28.0 m3的流量引水、一臺機發電，其余水排冰運行時，引渠末端至排冰閘前的水流分布基本均勻，扭坡段左岸雖有回流區，但回流區的寬度僅占過流總寬度的1/8。經測試，連接渠流速明顯提高，扭坡始端的表面流速為1.67 m/s，排冰閘前的表面流速為1.05 m/s，排冰閘坎上由于水流呈自由跌落狀，其流速增大1.2～1.3 m/s。

該方案排冰運行時，閘前流速較高，水流分布均勻，排冰試驗時浮冰輸移能均勻地向前推進，整個排冰道通暢無阻，可順利排除流速不小于0.6 m3/s的流冰，此時的冰水比為1∶17。

2.4.2 修改方案三排沙試驗

排沙渦管布置在前池底板之上，底部開口與水流流向垂直，斷面為方形。渦管中產生逆時針螺旋流。試驗發現，該方案渦管中的螺旋流作用強烈，管中的螺旋流能貫通整個縱斷面，進入管中的泥沙在旋滾水流的作用下被迅速排出管外，從而保證了進水閘前的門前清。

觀測發現，在設計水位下，沖沙閘無論是全開還是半開，均能在管內形成較強的螺旋流，當管中淤積了大量泥沙時，在3～4 min 內便可將管內的泥沙沖盡。如果管中的泥沙沖盡后仍開啟沖沙閘運行，這時的沖沙效率是很低的，渦管以外泥沙啟動的范圍只有0.5～0.8 m，在此范圍以外的前池流速均佷低，前池底部的平均流速只有0.3～0.4 m/s，泥沙在前池大量淤積，待淤積的泥沙達到一定厚度時，前池由于過水斷面減小，流速相應增加，池底的泥沙便被推進到排沙管的影響范圍內被水流帶走。對于一些遠離底板的處于懸浮或躍動狀態的較細顆粒，會隨水流向前運動進入壓力鋼管不為渦管截獲。

3 推薦方案壓力前池布置

兼顧前池配水、排冰排沙最為適宜的方式為正向引水，正向排冰排沙。喀群一級水電站受地形條件限制，引水渠末端布置在Ⅴ級階地坎邊緣，前池座落在中更新統密實的沖積砂卵礫石層上。前池布置為正向排冰泄水，側向引水發電。前池-廠房中心線與引水渠中心線呈58°夾角。排冰閘設于渠道末端，排冰閘后連接段連接排冰閘、泄水陡坡及前室，冬季水流分層運行，上層水流排冰，下層水流轉58°進入前室。連接段底板以1∶3.18的坡度和前室底板相連，平面上不做擴散。前室長8.993 m，寬13.500 m，排沙渦管處于前室末端，利用渦管逆時針螺旋流將進水室前的泥沙沖走，沖沙廊道出口位于泄水陡坡上。進水室底板比前室底板高1.7 m，除常規布置外，進水室喇叭口段還設有排冰、排污側槽及3 孔開敞式平板閘門。平板閘門頂、排冰舌瓣門頂，排冰閘后連接段右邊墻頂高程均比正常蓄水位高7 cm，電站棄負荷時兼做自動溢流堰。

漸變段長40.0 m，斷面由梯形漸變至矩型，底寬由3.0 m 漸變至12.0 m，設計底坡1∶3000，同引水渠。該設計可使漸變段冬季水面寬度接近引水渠水面寬，盡量消除因流道改變引起的阻冰因素。該段末端斷面平均流速可達0.84 m/s，即可使部分下潛冰凌浮起，又不至于引起冰凌在該處淤塞而平穩通過排冰閘，夏季該斷面平均流速為1.38 m/s，不會造成泥沙淤積。

4 結語

喀群一級水電站前池原設計排冰閘位于前室下游，排冰閘軸線與引水渠軸線重合，渠道、前室及排冰閘之間設有矩形連接渠，屬于正向排冰型式，但冬季水流進入連接渠時，流速下降，經前室分流發電，流速進一步降低，造成冰凌淤塞，排冰不利。經模型試驗后將排冰閘設于渠道末端，提前截取排冰水流，通過排冰閘上舌瓣門排冰。閘坎高程低于冬季水面80 cm，孔口凈寬12.0 m，不設中墩。經運行證明，排冰坎水流自由跌落，排冰道通暢無阻。

水流過排冰閘后大部分冰凌被排走，由于排冰閘前流速較高，仍有部分冰凌雪團被水流挾帶潛入進水室，部分軟冰凌可進入壓力鋼管發電，部分軟冰凌由于前池內水流流速降低浮出水面。電站進水室設有排冰泄水側槽，夏季可以排污泄水，冬季前室浮冰積聚太多時，可打開閘門集中水流沖冰。沖沙渦管斷面尺寸1.4 m×1.4 m，底部開口寬0.3 m，設于前室底板之上，垂直水流布置，水流螺旋運動強烈，排沙效果顯著。