邓艳强
（中国电建中南勘测设计研究院有限公司宜昌设计院，湖北宜昌443002）
摘要：随着水电建设的不断深入，我国水电发展重心逐渐向西南高山峡谷地区转移，受地形条件限制，地下引水发电系统逐渐被广泛采用。能否选择合适的洞型及保证适宜的水力特征，已经成为影响工程成败的重要因素。本文依托古学水电站引水发电系统，开展了水力计算，重点分析了水头损伤及调压室水力特征，验证了设计的合理性，对于工程设计有一定的参考意义。
关键词：古学水电站；引水发电系统；水头损失；水力计算
前言
随着我国经济的高速发展，对能源需求不断增加，水电作为可再生的清洁能源被广泛采用。西南地区山高谷深，河流纵横，水能资源极其丰富，已逐渐成为水电开发的主战场。然而，受地形条件限制，发电系统多采用地下厂房形式，选择合适的洞型、减小水力损失、成为水电引水发电系统水力分析的重中之重。本文依托古学水电站引水发电系统，开展了水力计算，重点分析了水头损伤及调压室水力特征，验证了设计的合理性，对于工程设计有一定的参考意义。
1工程概况
古学水电站位于四川省甘孜藏族自治州得荣县境内，是金沙江左岸一级支流定曲河“一库八级”梯级开发的最后一级水电站，是定曲河第一个开发电站，该电站的修建对于对加快藏区经济发展和维护社会稳定具有极其重要的意义。电站采用引水式开发，坝址位于四川省得荣县奔都乡藏色桥上游1.52km处，上距得荣县城12.8km；厂址位于四川省得荣县古学乡卡日共村上游350m处，上距得荣县城28.4km。古学水电站为三等中型工程，工程开发任务为发电，兼顾下游生态环境用水要求。水库正常蓄水位2270.00m，校核洪水位2271.86m，总库容32.28万m3，死水位2269.00m，调节库容4.88万m3，无调节能力。电站装机两台，额定水头131.0m，额定引用流量77.8m3/s，总装机容量90MW (2×45MW)，年利用小时为4289，多年平均年发电量3.8603亿kW?h。
古学水电站引水发电系统包括进水口、压力管道及发电厂房等建筑物，其中进水口长25.3m，顺水流方向分为拦污栅段、渐变段和闸门段；有压隧洞长14329.04m（渐变段末端至调压井中心处），沿途根据隧洞的永久支护方式不同，隧洞沿线设置多个纵坡，且均为顺坡，底板平均纵坡2.931‰。平面上隧洞设置6个转弯，转弯角分别为78.14°、18.0°、28.0°、25.58°、36.61°、9.37°和54.45°，前六个转弯半径均为100m，最后一个转弯半径为50m；调压室为阻抗式全地下布置，井高70.34m，最高涌浪水位为2294.900m，最低涌浪水位为2240.570m，调压室竖井底板高程2234.000m，顶部高程2304.340m，利用布置在调压室顶部的施工支洞进行通风，兼作检修进人洞；同时为充分利用施工支洞形成的有效容积，供丢弃负荷时储水用，在距交通洞洞口20m位置处设置拦水坎，坎顶高程2316.00m。压力管道采用一管两机的联合供水方式，主管平面上呈直线布置，立面上由上平段、斜井段及下平段组成，立面转弯角55°，转弯半径25.0m。岔管以前压力管道主管长251.5m，内径4.4m。岔管为对称“Y”形布置，采用月牙肋岔管型式，分岔角为70°；两条支管内径3.0m，每条支管长55.8m，向机组正向供水。
（b）引水发电系统
图1 古学水电站
2引水系统水力计算
2.1进水口水力计算
进水口水力计算包括最小淹没深度确定、通气孔面积计算及进水口过栅流速计算。
（1）最小淹没深度
为防止产生贯通性漏斗漩涡按照戈登公式估算：
经计算，通气孔最小有效面积为0.62m2。实际采用一个直径1.2m的圆形通气孔，面积1.13m2，大于计算最小有效面积，满足要求。
（3）进水口过栅流速计算
本工程进水口拦污栅的最小有效孔口尺寸3-5.0m×5.5m(孔数-宽×高)，在死水位2269.000m、引用额定流量77.80m3/s时，进水口最大过栅流速为0.94m/s，满足规范要求。
2.2引水系统水头损失计算
引水系统水头损失包括进水口至蜗壳进口断面的局部水头损失和沿程水头损失，其中局部水头损失按《水力计算手册》所列公式和参数进行计算，沿程水头损失按曼宁公式进行计算。
局部水头损失主要包括拦污栅、喇叭口、检修闸门槽、渐变段、隧洞平面转弯段、隧洞与调压室底部连接段、弯管、分岔管、渐变段、蝶阀等水头损失。
沿程水头损失根据不同部位采用不同的糙率进行计算，其中混凝土衬砌段糙率取值0.016、0.014、0.012，锚喷支护段糙率取值0.030、0.027、0.022，钢管段糙率取值0.013、0.012、0.011，根据引水隧洞实际布置情况，各段相应分别按上述三种糙率取值计算最大、平均、最小水头损失。
设计引用流量77.80m3/s时，引水系统的水头损失计算结果见表1。
表1引水系统水头损失计算成果表（①、②机相同）
式中：Ath为马临界稳定断面面积，m2； L为压力引水道长度，L=14329.046m；A1为压力引水道加权平均断面面积；A1=31.48m2；H0为发电最小静水头，H0=127.79m；α 为自水库至调压室水头损失系数，α=hw0/v2，单位s2/m；v为压力引水道流速，v=77.8/31.48=2.473m/s；hw0为压力引水道水头损失，根据计算取最小值hw0=16.372m；hwm为压力管道水头损失，根据计算取最大值hwm=2.925m；K为系数，一般采用1.0～1.1，在此采用1.1。
经过计算可得，A=90.20m2，调压井采用圆形断面，则其内径为：D=(4A/π)0.5=10.72m。
因此在此取调压井直径D=12.50m，断面面积A=π×6.252=122.72m2。
（2）调压室涌浪计算
根据《水电站调压室设计规范》DL/T5058-1996附录B2.1公式计算调压室阻抗孔水头损失。
式中，ε为无因次系数，表示压力水道—调压系统的特性；Q为增加负荷前的流量，Q=38.9m3/s；Q0为增加负荷后的流量，Q0=77.8m3/s。则m‘=0.5，ε=2.658，Xmin=1.059m，Zmin=31.070m。
此时调压室内最低水位为：H=2269-31.070 =2237.930m。为保证最低涌浪时压力隧洞有2m的内水压力及最高涌波水位以上的安全超高不小于1m，最终确定调压室底部高程为2234.00m，调压室顶部高程为2297.20m。
3结语
水力学分析是引水发电系统设计过程不可或缺的重要部分。论文基于古学水电站引水发电系统水力学特性进行了分析，得出以下结论：
（1）进水口最小淹没深度3.23m小于闸门段实际淹没水深3.7m，通气孔最小有效面积为0.62m2小于实际采用一个直径1.2m的圆形通气孔（1.13m2），满足发电运行要求。
（2）调压室涌浪最大涌浪高度为25.213m（高程2295.213m），最低水位为2237.930m，基于安全考虑，调压室顶部高程取2297.20m。
参考文献：
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[2]李炜，徐孝平．水力学[M]．武汉：武汉水利电力大学出版社，2000
[3]范杰，王长德，管光华．渠道非恒定流水力学响应研究[J]．水科学进展，2006（1）
[4]周雪漪．计算水力学[M]．清华大学出版社，1995
论文作者:邓艳强
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年12月上
论文发表时间:2016/9/5
标签：水头论文; 水力论文; 损失论文; 水电站论文; 隧洞论文; 系统论文; 涌浪论文; 《建筑建材装饰》2015年12月上论文;