西花水電站岳壩引水洞除氣室設(shè)計(jì)

趙雅敏，張俊雅

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001）

西花水電站岳壩引水洞除氣室設(shè)計(jì)

趙雅敏，張俊雅

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001）

西花水電站岳壩引水系統(tǒng)由上平明流段、斜洞段、下平壓力洞段組成，由于岳壩引水洞水流從無壓流轉(zhuǎn)換為有壓流過程中會(huì)產(chǎn)生水流挾氣現(xiàn)象，為避免將氣泡帶入西花主洞，設(shè)計(jì)在壓力洞前設(shè)置除氣室，從而避免水流挾氣影響水輪機(jī)壽命及氣泡潰滅引發(fā)的不利結(jié)果。本文介紹滿足除氣功能的除氣室設(shè)計(jì)，結(jié)合水工模型試驗(yàn)，驗(yàn)證除氣室布置方案及結(jié)構(gòu)形式的有效性、合理性，可供類似工程設(shè)計(jì)參考。

跨流域引水；除氣室

1 工程概況

西花水電站位于陜西省佛坪縣栗子壩鄉(xiāng)花園壩村下游約250 m處，距佛坪縣約45 km。河床縱比降i=14.3‰,自然落差210 m。本電站為混合式開發(fā)電站，總庫容773.2萬m3。西花水庫正常蓄水位1002 m，岳壩樞紐正常蓄水位1012.0 m，電站設(shè)計(jì)水頭236 m，設(shè)計(jì)引用流量11.73 m3/s，電站總裝機(jī)容量24 MW。

工程主要任務(wù)是發(fā)電，引水樞紐由兩個(gè)樞紐組成：西花水庫樞紐和岳壩引水樞紐。西花主要建筑物由拱壩、引水建筑物、發(fā)電廠房及開關(guān)站組成。岳壩引水屬跨流域引水，主要建筑物由引水樞紐閘壩、引水涵洞和隧洞組成，岳壩引水建筑物布置于金水河右岸，由進(jìn)水口、引水明涵及引水洞組成。進(jìn)水口由攔污柵段、進(jìn)水閘兩部分組成，底板高程1010.00 m,閘頂部高程1016.70 m，總高度6.7 m。進(jìn)口前布置攔沙板，高程1010.00 m，板厚0.5 m。攔污柵段設(shè)置一道回轉(zhuǎn)式攔污柵，攔污柵孔口尺寸為2.5 m×4.0 m（寬×高）。攔污柵后為一喇叭口型漸變段，后接進(jìn)水閘，進(jìn)水閘內(nèi)設(shè)一道孔口尺寸為1.8 m×4.0 m（寬×高）的事故檢修閘門，檢修平臺(tái)高程1016.70 m。設(shè)計(jì)引用流量4.0 m3/s，采用矩形引水明涵及城門洞型引水隧洞（包括斜洞），斷面尺寸1.8×2.0 m（寬×高），頂拱中心角134.76°，通過除氣室，后接圓形有壓洞，洞徑1.8 m。岳壩引水洞出口與西花引水洞在樁號(hào)3+915.172處交匯。

2 電站引水系統(tǒng)布置

西花水電站引水樞紐為西花水庫樞紐和岳壩引水樞紐。西花水庫樞紐位于西河與康家溝匯合口上游約500 m的西河峽谷段。西花引水洞進(jìn)口位于西河河道左岸，進(jìn)口底板高程972 m，洞身采用直徑為2.7 m的圓形斷面，采用壓力流引水。

為增加發(fā)電流量，在金水河岳壩鄉(xiāng)下游約1.1 km處設(shè)一低壩引水樞紐及引水洞采用跨流域方式將金水河之水引至西花引水洞，與西花水庫的水匯合進(jìn)行發(fā)電。岳壩引水系統(tǒng)進(jìn)水口布置于沖沙閘右端，軸線與沖沙閘軸線平行，與西花發(fā)電引水隧洞垂直相交。進(jìn)口底板高程1010.00 m。出口交于西花引水洞樁號(hào)3+915.172處(發(fā)電輸水隧洞中心高程960.921 m)處，全長(zhǎng)3298.762 m。引水發(fā)電洞布置如圖1。

圖1 電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置圖

3 岳壩引水洞除氣室設(shè)計(jì)

岳壩引水隧洞設(shè)計(jì)引水流量4.0 m3/s，由進(jìn)水口、引水明涵（矩形）、渡槽、上平洞（城門洞型無壓隧洞）、斜洞、下平洞（圓形有壓洞）組成。進(jìn)水口長(zhǎng)14 m，明涵、渡槽縱坡2‰，長(zhǎng)度1177.691 m；上平洞為無壓明流隧洞，縱坡2‰，長(zhǎng)度1980.356 m；城門洞型無壓斜洞傾斜角為45°，長(zhǎng)度65.843 m；除氣室長(zhǎng)30 m，縱坡為i=1/100；下平洞長(zhǎng)度30.872 m，坡降i=1/100，末端與西花發(fā)電引水隧洞垂直相接。

由于岳壩引水洞水流從無壓流轉(zhuǎn)換為有壓流，其轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生水流挾氣現(xiàn)象，會(huì)有氣泡產(chǎn)生，為避免將氣泡帶入西花發(fā)電主洞，因此在進(jìn)入主洞前設(shè)置除氣室尤為必要，故除氣室的設(shè)計(jì)為引水洞布置形式的技術(shù)關(guān)鍵。

除氣室布置在斜洞與下平洞之間，作用主要是把斜洞來流中參加的氣泡在除氣室內(nèi)匯聚形成氣囊，氣囊上浮在除氣室頂部，隨著氣囊體積的增大，除氣室內(nèi)的氣囊逐漸向上游移動(dòng)到達(dá)斜洞下部，最終從斜洞排出。

上平洞和斜洞為無壓洞，為了保證從除氣室排出的氣泡上浮后順利逸出斜洞和上平洞；同時(shí)，氣泡除氣室的氣泡一般都在頂部聚集成氣囊，才從斜洞噴涌而出，在氣泡上浮過程中，壓力逐漸減小，氣囊逐漸增大，出水面后很可能產(chǎn)生氣爆；另外，斜洞內(nèi)水氣交換非常激烈。因此，洞頂部必須有足夠的凈空，結(jié)合引水洞設(shè)計(jì)引用流量4.0 m3/s，經(jīng)水力計(jì)算確定上平洞和斜洞斷面尺寸采用1.8×2.0 m（寬×高）的城門型無壓隧洞，頂拱中心角134.76°。并在上平洞上游明涵段設(shè)置2.9 m×1.5 m通氣孔。

前已述及，除氣室的功能是聚氣、排氣。聚氣是保證摻氣水流中的小氣泡在除氣室聚集形成氣囊；排氣是阻止氣囊向下游主洞移動(dòng)，促使氣囊向上游斜洞排出。為實(shí)現(xiàn)上述功能，除氣室必須做成突擴(kuò)式，即除氣室頂部比下平洞主動(dòng)洞頂高出一個(gè)臺(tái)階，這樣就阻斷了上浮在除氣室頂部的氣囊移向下游的可能。除氣室洞頂沿水流方向作成順坡，以促使氣囊向上游移動(dòng)，進(jìn)入斜洞，并最終排出。

除氣室具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，國內(nèi)外目前尚缺乏成熟的理論計(jì)算依據(jù)，類比相關(guān)工程資料，本工程除氣室設(shè)計(jì)采用圓拱直墻形斷面，斷面尺寸為：上游斷面為3.1 m×4.6 m（寬×高），下游斷面為3.1 m×3.854 m（寬×高）；頂拱中心角180°，除氣室長(zhǎng)30 m，洞頂頂坡為3.5/100，底板縱坡i=1/100，通過水工模型試驗(yàn)對(duì)除氣室進(jìn)行驗(yàn)證，確定除氣室結(jié)構(gòu)尺寸最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

除氣室后接圓型有壓洞，洞徑1.8 m，襯砌厚度0.3 m，底板縱坡i=1/100。岳壩引水洞及除氣室縱橫剖面見圖1。

4 除氣室水工模型試驗(yàn)

對(duì)本工程的除氣室來說，其功能就是對(duì)水流在消能過程中所攜帶的進(jìn)入水流當(dāng)中的氣泡讓其排出。也就是說，當(dāng)有氣泡被帶入除氣室后，除氣室必須具備讓氣泡充分上浮到除氣室頂部，然后再在頂部讓氣泡逆水流方向上運(yùn)動(dòng)，最終上浮到斜洞排出，如果能實(shí)現(xiàn)該功能，就說明除氣室具備除氣功能。對(duì)此，通過水工模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

為確定最優(yōu)的除氣室結(jié)構(gòu)形式及尺寸，選擇三個(gè)斷面方案進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)：

方案1：上游斷面為3.10 m×3.60 m（寬×高），下游斷面為3.10 m×2.854 m（寬×高）。

方案2：上游斷面為3.10 m×4.10 m（寬×高），下游斷面為3.10m×3.354m（寬×高）。

方案3：上游斷面為3.10 m×4.60 m（寬×高），下游斷面為3.10 m×3.854 m（寬×高）。

試驗(yàn)工況根據(jù)西花水庫特征水位對(duì)應(yīng)岳壩引水洞與西華引水洞交匯處的不同水位值，分別為：西花死水位980.0 m，交匯處斜洞水位970.283 m；正常蓄水位1002.0 m，交匯處斜洞水位989.400 m；設(shè)計(jì)洪水位1006.23 m，交匯處斜洞水位1001.677 m；校核洪水位1007.91 m，交匯處斜洞水位1003.357 m；試驗(yàn)

以上工況，可能發(fā)生參氣的最不利工況為斜洞水位最低的工況，即交匯處斜洞水位970.283 m工況，對(duì)該工況又進(jìn)行了2.0 m3/s、4.0 m3/s、5.0 m3/s三個(gè)流量情況的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)選定的斷面方案在該工況除氣室的流態(tài)：由于該運(yùn)行工況為交匯處水位最低，消能區(qū)氣泡有部分隨水流進(jìn)入除氣室上游，最終上浮到頂部，并在頂板上游形成連續(xù)的氣囊，氣囊在該位置上下小幅波動(dòng)。在該氣囊的下游，從上游到下游分布著上浮到頂板的微小氣泡，并慢慢聚集合并，在到達(dá)一定大小后，開始向上游移動(dòng)，最后到達(dá)斜洞而排出。

有壓洞流態(tài)：由于有壓洞處于全封閉狀態(tài)，并且沒有氣體進(jìn)入，整個(gè)有壓洞水體透明，外觀觀察沒有異常，通過對(duì)壓強(qiáng)的測(cè)驗(yàn)，其壓強(qiáng)沿程分布合理，依然沒有出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

交匯處989.40 m、1001.677 m及1003.357 m水位工況，消能挾帶的氣泡在斜洞范圍內(nèi)已經(jīng)全部排出，均不存在除氣室的除氣問題。斜洞水位也不會(huì)出現(xiàn)對(duì)無壓洞水流的頂托現(xiàn)象，明涵水流屬自由下泄流態(tài)。

5 結(jié)論

通過對(duì)西花水電站岳壩除氣室位置的合理布置及體型的合理設(shè)計(jì)，結(jié)合除氣效果的水工模型試驗(yàn)研究，可以得到如下結(jié)論：

①岳壩斜洞段及除氣室整體設(shè)計(jì)體型合理，除氣效果良好。

②斜洞段氣泡可以順利上浮排出，按照泄量4 m3/s計(jì)算，無壓斜洞水面以上面積占斜洞總面積的80%以上，有足夠的洞頂余幅。

③除氣室氣泡上浮到頂板處，大氣囊（模型尺寸1厘米以上）上移較快，小氣泡和微小氣泡上移較慢，但都沒有進(jìn)入岳壩有壓洞內(nèi)。

④為了確保岳壩消能摻氣氣泡不進(jìn)入西花主洞，運(yùn)行必須采用西花正常運(yùn)行后，才可以啟用岳壩補(bǔ)水方案。

⑤交匯處水位為1003.357 m，不存在斜洞水面對(duì)明涵水流的頂托現(xiàn)象。

⑥岳壩引水洞引水時(shí)，建議盡量少采用交匯處水位970.283 m運(yùn)行。

⑦除氣室采用設(shè)計(jì)斷面（上游斷面為3.10 m×4.60 m（寬×高），下游斷面為3.10 m×3.854 m（寬×高））進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)是合理的。

TV672.1

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1673-9000（2017）04-0100-03

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