奎屯河十级水电站压力前池设计

何江涛

(新疆电力设计院，新疆 乌鲁木齐 830000)



奎屯河十级水电站压力前池设计

何江涛

(新疆电力设计院，新疆 乌鲁木齐 830000)

压力前池作为水电站有效运行的重要建筑物之一，其设计的合理与否对水电站安全有着直接影响。以奎屯河十级水电站为研究对象，首先对压力前池进行了系统的叙述，随后通过方案比选获得了适宜的压力前池设计方案，并对其相关参数与主要的结构设计作出分析。图2幅。

水电站；压力前池；设计；方案比选

1 概 述

1.1 压力前池介绍

压力前池是设置在水电站引水渠与压力管之间的连接建筑，在小型水电站中极为常见。通过压力前池不仅可以增强水电站发电水流的压力，提升发电效果，还可以有效隔绝出水流中携带的各类杂物，避免其进入发电机，造成安全事故，同时也可以有效降低水流流动时的波动。总的来说，压力前池极大地便利了发电站的发电准备工作。

1.2 压力前池的构成

(1)前室与进水室。前室是位于渠道与进水室之间的建筑构造物，有一定的水流调节作用，避免因前室空间的突然增大而引起水流流速的激增出现漩涡。进水室是前室后方具有一定宽度与深度的空间(大于渠道宽、深)，有一定的蓄水功能。

(2)压力墙。位于压力前池的进水口，是1堵闸墙，有一定的拦截效果。

(3)泄水建筑。目前常用的是侧堰与虹吸式泄水道，两者各有一定的优缺点，需依据实际情况进行选择。

(4)排冰、排沙、排污建筑。这些建筑物主要是针对水流中携带的冰凌、泥沙、污物等会危害发电安全的杂物设置，具体设置需依据当地环境状况予以决定。

2 工程概况

奎屯河十级水电站是1座引水式水电站，电站自奎屯河总干渠5+934桩号处引水，发电后尾水渠投总干渠7+950处，设计水头24.9 m，设计保证率80%，设计流量26.4 m3/s，装机容量3×1 850 kW，年发电量2 029万kW·h。

奎屯河位于东经84°44′～84°50′，北纬44°10′～44°51′之间，发源于依连哈比尔尕山的西段，属高山融冰、融雪及降雨补给类型的内陆河流，河道全长320 km。根据奎屯河新渠首站径流资料分析，多年平均流量19.5 m3/s，多年平均径流总量6.17亿 m3,径流年际变化不大，年内分配不均，径流主要集中在6～8月，枯水期在2～4月。此外，奎屯河属于多泥沙河流，泥沙来源主要是流域内水流对河道的冲蚀及季节性积雪融化和降水汇流过程中对汇流面的侵蚀。根据分析，悬移质年均含沙量1.187 kg/m3，多年平均输沙量77.62万t。鉴于此，该水电站需同时考虑前池的排冰与排沙效果，压力前池的设计也就显得尤为重要。

3 设计方案比选

依据奎屯河十级水电站周边地质环境资料，针对其压力前池拟定了2种设计方案。

(1)方案1。压力前池正面引水发电，侧面溢流、排沙、排冰(见图1)。正面设置闸门进行引水，井水室结构简单，施工方便，同时前池的侧墙可兼做溢流堰，能有效减少前池的长度。不足：引水闸门冬季的开关极为不便；止水效果有限，当电站不发电时，断流会由于止水的不严而不彻底；通过侧墙进行排沙作业效果不佳。成本估算：通过计算，方案1大致需花费255万元。

图1 方案1压力前池结构示意

(2)方案2。压力前池正面溢流、排沙、排冰，侧面引水发电(见图2)。进水口采用虹吸式进水，不仅避免了冬季运行不便现象的出现，还可有效彻底地进行断流作业，同时采用正面排冰、排沙，应用效果极佳。不足：进水口采用虹吸式，其施工极为繁琐，施工周期较长。成本估算：通过计算，方案2大致需花费162万元。

图2 方案2压力前池结构示意

通过对经济效益、施工技术、施工周期等多种因素的综合比较分析，最终选择了方案2。

4 相关参数计算与结构设计

4.1 水力计算

(1) 正常水位确定。以设计流量为标准，由于该电站压力前池为非自动调节渠道，故前池水位同引水渠水位相同，经测算为638 m。

(2) 最高水位确定。以电站突然甩全部负荷时的最大涌波高度为准：

(1)

式中，ξn为涌波高度(m)；Qn为行进波流量的变化量(m3)；Cn为波速(m/s)；Bn为过水断面在半波处的顶宽(m)。

经过测算，电站突然甩全部负荷时压力前池最高水位为642 m。

(3)最低水位确定。最低水位应为枯水期正常发电所需的最小流量，此时水位必须达到进水口最小的淹没深度要求。经实际测算，前池枯水期最低水位为636 m，水电站进水口最小淹没高度为634 m，前者高于后者，满足实际需求。

4.2 虹吸道参数计算

进水口断面长宽分别为3 m和2.7 m，断面面积为8.1 m2。依据相关设计规范，进口断面A1与喉道断面A0之比为2～2.5，即A0介于3.24～4.05 m2之间，虹吸流道从进口断面到喉道断面宽度不变，喉道断面宽b0为2.7 m，则h0介于1.2 ～1.5 m之间，取h0为1.3 m。此外，喉道断面的底部高层应比最大前池水位高15 cm，所以其高度为642.15 m，进口断面和喉道断面间的水平距离与其高度之比L/P=0.7～0.9，P=6.5 m，L取5 m，圆渐变段长度取6.0 m。

4.3 主要结构设计

(1)前室。初拟前室净宽8 m，池长50 m，进口段设八字墙衔接，长度16 m，纵坡为1∶4，前室底板纵坡确定为3%。前室末端设溢流堰，采用“┐┌”型对称布置，单侧堰长15 m，总长 32 m，堰后接退水排沙闸，闸门采用潜孔闸门，宽×高初拟为1.5 m×2.0 m，设15 t螺杆式启闭机1台。

(2)进水室。进口设挡沙坎，坎高0.92 m；虹吸流道由方变圆，进口截面B×H=2.7 m×3.0 m，驼峰处截面B×H=2.7 m×1.25 m，驼峰下游渐变段长6 m，圆管直径为1.8 m。虹吸流道上部为钢筋混凝土梁，下部为混凝土、浆砌石填充，两侧为毛石混凝土重力墙，驼峰顶部设工作房，内设真空排气阀。

(3)连接段。确保冰凌漂浮的平顺，减少渠道中水流热量的损失是电站冬季运行中的重点之一。依据有关数据调查显示，当水流流速介于0.8～1.5 m/s之间时，水中的冰处于漂浮前进状态；而当水流流速高于或低于这一区间时冰凌就会翻滚前进或粘结淤阻渠道，对发电站的正常发电产生干扰。鉴于此，连接段与引水渠道的衔接应尽量平缓，渐变段长度设置为30 m，段底高程同渠道尾端底部高程相同，渐变段扩散角为4°，底部宽度从8 m逐渐扩展到12 m。为确保冰凌可快速通过此段进入排冰闸，连接段底部采用1∶1的坡度将水廊道与渐变段连接。

(4)排冰闸。为确保排冰闸在各种条件下均可有效工作，其进出口轴线同渠道轴线相重合并使用分层引水的形式，整个排冰闸宽为12 m，上部为舌瓣门，下部为引水渠道。此外，为确保冰闸内水流的全部平稳下泄，舌瓣门底板入口高程设置为与渠道尾端底部高程相同。

(5)进水廊道。进水廊道位于排冰闸底部，进口中心线同引水渠道相重叠，出口则以30°的弯道段与前池相连，弯道半径为52 m；廊道底部宽高分别为12 m和3 m。此外，廊道上部还应布设与排冰闸相连的排冰溢流道，溢流道宽度为12 m，溢流道左侧再布设长24 m的溢流堰以避免电站停机时发生溢流事故。

5 结 语

奎屯河十级水电站参照相似地区工程实践，通过对比分析，最终确定了正面排冰、排沙，侧面引水发电的压力前池设计方案。这种布设方式不仅有效缩减了工程投入成本，还很好地改善了冬季电站引水排冰工作，提升了电站工作效率，避免由于结冰而影响电站的正常运行。水电站建成投产运行至今，压力前池排冰、排沙效果显著，为发电站正常、有序运行提供了良好的保障。

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责任编辑 吴 昊

2014-12-26

何江涛(1980-)，男，工程师，主要从事水利水电工程建设与设计工作。 E_mail：469250167@qq.com