張俊雅　王潔（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

榆林王圪堵電站尾水布置及特征水位控制淺析

張俊雅王潔
（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

本文通過分析王圪堵水庫工程區(qū)概況，對(duì)王圪堵壩后電站廠房布置、尾水布置進(jìn)行了分析確定，通過水力計(jì)算并確定尾水池最高尾水位，確保尾水池安全可靠，可為類似案例提供借鑒。

發(fā)電流量；供水流量；尾水池；水位控制

1　工程概況

王圪堵水庫樞紐位于榆林市橫山縣城關(guān)鎮(zhèn)西北12km，榆靖高速公路無定河大橋以上2.5km、蘆河入無定河口以上5.5km處的無定河干流上，距榆林市區(qū)60km。王圪堵水庫任務(wù)以供水、攔沙為主，兼顧灌溉發(fā)電等綜合利用。王圪堵水庫樞紐為Ⅱ等大（2）型工程，大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞等主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，電站廠房及次要建筑物級(jí)別為3級(jí)，臨時(shí)建筑物為4級(jí)。主要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇；消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇；電站廠房設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。工程場地設(shè)防地震烈度Ⅵ度，符合規(guī)范規(guī)定。

王圪堵壩后電站位于放水洞出口、壓力輸水鋼管末端。電站廠區(qū)布置結(jié)合右側(cè)泄洪排沙洞和左側(cè)大壩下游壩坡放坡線布置，考慮電站不同流量的調(diào)保計(jì)算和下游榆橫工業(yè)區(qū)遠(yuǎn)期供水要求，廠區(qū)布置于無定河道右岸一級(jí)階地之上，現(xiàn)狀地面高程為1013.00m～1020.00m。

主副廠房布置于大壩下游河道右岸漫灘上，地面高程1016.7m，地形平緩，高差不大，表層覆蓋粉細(xì)砂層厚度約1m～2m，基巖埋深淺，巖性為棕紅色砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚度2m～3m，地下水位埋深約1.5m～2.5m。電站廠房的型式按安裝三臺(tái)臥式機(jī)組及一套減壓調(diào)流放水閥進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2　電站廠房的布置

電站機(jī)組安裝高程為1012.90m，發(fā)電機(jī)層高程1012.0m，廠區(qū)地坪高程為1011.85m。安裝間位于主廠房左端，副廠房位于主廠房上游。尾水閘后接尾水池，池寬為10m，邊坡為1：0.5，長度為36.1m。

電站選用臥式混流水輪機(jī)，主廠房總長46.24m，寬14.0m，高13.32m。其中主機(jī)間長37.24m，地坪高程為1012.00m，安裝間長9.0m，廠外地坪高程為1011.85m。

廠內(nèi)布置3臺(tái)1250kW水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組間距10.5m。為滿足電站機(jī)組檢修時(shí)榆橫工業(yè)供水不發(fā)生中斷，在3#水輪機(jī)右側(cè)布設(shè)減壓調(diào)流放水閥一臺(tái)，閥坑斷面3.5m×8.61m× 3.4m（寬×長×高），減壓閥設(shè)計(jì)最小過流量不小于4.95m3/s。減壓閥距3#水輪機(jī)中心間距為6.3m。水輪機(jī)上游側(cè)布置機(jī)旁盤，調(diào)速器布置在左上象限45°方向，廠內(nèi)主要行人通道位于廠房上下游邊墻側(cè)，最小凈寬0.8m。安裝間及廠房大門布置在廠房左端。廠內(nèi)設(shè)置一臺(tái)16/3.2t電動(dòng)雙鉤橋式起重機(jī)。廠房內(nèi)的集水井布置在2#～3#機(jī)組蝶閥層之間。機(jī)組尾水出口設(shè)三扇3.0m×1.80m的尾水閘門，尾水直接流入尾水池，尾水管底板高程為1007.70m、尾水平臺(tái)高程為1012.00m，其上設(shè)一臺(tái)型號(hào)為50kN-8m的環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆。

電站副廠房布置在主廠房上游側(cè)，總長度與主廠房相同為46.24m，廠房跨度7.5m，室內(nèi)地坪與主廠房發(fā)電機(jī)層同高為1012.00m。副廠房內(nèi)總體按電氣設(shè)備和水機(jī)設(shè)備兩部分布設(shè)。

電氣部分，寬度為7.5m，布置有中控室、35kV高壓配電室、10kV高壓配電裝置和站用電室、電氣實(shí)驗(yàn)及工具室、交接班室。結(jié)合副廠房布置，布置一臺(tái)變壓器在室外，位于副廠房右角上游側(cè)。工具間及衛(wèi)生間布置在電氣副廠房左側(cè)。

3　尾水布置

3.1發(fā)電流量的組成

王圪堵電站是利用工業(yè)供水量、灌溉供水量、河道生態(tài)基流及水庫棄水量發(fā)電。由于王圪堵電站發(fā)電流量組成復(fù)雜，運(yùn)行工況多，這就給電站的尾水布置提出更高的要求，使在各種工況組合的運(yùn)行條件下滿足使用要求。

3.2尾水設(shè)計(jì)

尾水池布置如圖1所示

尾水設(shè)計(jì)中，工業(yè)供水流量由工業(yè)供水進(jìn)水口下泄，河道生態(tài)基流及水庫棄水量由生態(tài)放水及退水渠進(jìn)口下泄，灌溉供水由預(yù)埋鋼管提供灌溉供水。

圖1　尾水池平面布置圖

尾水池下游側(cè)依次布置生態(tài)放水及退水渠進(jìn)口、兩孔工業(yè)供水進(jìn)水口、工業(yè)進(jìn)水口兩側(cè)布置檢修手動(dòng)閘閥；尾水池右端布置調(diào)壓調(diào)流閥出口消力池；尾水池左側(cè)預(yù)埋鋼管提供灌溉供水。

在電站的設(shè)計(jì)中，考慮到發(fā)電受阻的情況下需保證正常供水。在電站廠房的右端布置調(diào)壓調(diào)流閥室，用以在發(fā)電受阻的情況下通過調(diào)壓調(diào)流閥滿足供水需求。

尾水池位于主廠房下游尾水閘后。尾水池平面為矩型，設(shè)計(jì)池總長度36.1m，寬度10m，池深度3.17m～4.3m，池底高程由機(jī)組尾水出口底高程1007.70m，經(jīng)的1：4反坡至高程1008.83m，后接水平段。池頂沿池周邊設(shè)有寬為2m，高程1012.00m的砼平臺(tái)，分別與尾水平臺(tái)和工業(yè)供水涵及尾水明渠平臺(tái)相接。正對(duì)尾水池，下游緊接有工業(yè)供水箱涵及尾水渠。工業(yè)供水進(jìn)口閘與尾水渠進(jìn)口閘室底板高程與尾水池底板高程齊平，均為1008.83m。工業(yè)供水閘室設(shè)有2.5m×2.5m攔污柵一道，后設(shè)一扇2.5m× 2.3m工作閘門。右側(cè)尾水渠進(jìn)口設(shè)一扇1.5m×2.3m節(jié)制閘門。尾水渠明渠閘室后接長8m的漸變段，其后為長196.5m的梯形斷面尾水渠至河道，該處河道高程1008.00m。梯形斷面尾水渠底寬1.5m，高1.45m，邊坡系數(shù)m=1，底坡i=1/150，采用C20鋼筋砼襯砌，厚0.15m。

減壓調(diào)流放水閥后設(shè)消能池，消能池底板高程1006.0m，寬4.20m，長7.25m，消能池和尾水池間設(shè)中墻和消能格柵，中墻寬0.8m，中墻和消能格柵長均為5.0m。

4　水力計(jì)算

4.1尾水池最低水位

尾水池最低水位依據(jù)榆橫工業(yè)區(qū)和魚綏工業(yè)區(qū)工業(yè)供水工程進(jìn)水口需要確定。首先，根據(jù)電站廠區(qū)地面高程1011.85m、工程區(qū)凍土層深度等因素綜合考慮，確定工業(yè)供水進(jìn)水口底板高程為1005.20m。箱涵進(jìn)水口設(shè)計(jì)為淹沒式壓力出流，為防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦，進(jìn)口淹沒深度依據(jù)戈登公式計(jì)算，即：

式中：S——進(jìn)水口淹沒深度=0.73×0.9357× 2.31/2=1.04m；

V——箱涵斷面流速=4.95/2.32= 0.9357m/s；

d——箱涵過水?dāng)嗝娓叨?2.3m；

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，箱涵進(jìn)水口最小淹沒需要深度為1.04m，因此，閘后最低淹沒水位為1008.54m。

擬定供水閘門孔口寬度為2.5m，按過流量為95%保證率時(shí)水庫工業(yè)供水平均流量4.95m3/s推求堰上水頭。

按寬頂堰淹沒出流公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q——95%保證率水庫工業(yè)供水平均流量4.95m3/s；

Φ——淹沒泄流流速系數(shù)，取0.9；

b——閘孔凈寬（m）；

h0——堰上水頭（m）；

hs——堰下游水頭（m）；

z——堰上下游水頭差（m），z=h0-hs。

計(jì)算結(jié)果見下表4-1。

由以上計(jì)算結(jié)果可知：在滿足95%保證率水庫工業(yè)供水平均流量4.95m3/s時(shí)，供水閘堰頂水頭為1.42m，閘底板高程為1008.83m，則尾水池對(duì)應(yīng)最低尾水位為1010.25m。

4.2尾水池最高尾水位確定

尾水池最高尾水位按尾水明渠閘過最大灌溉放水流量7.98m3/s考慮，初步擬定尾水明渠閘孔口寬度為1.5m。首先采用明渠均勻流公式計(jì)算下游尾水明渠過流水深，判定閘后是否為自由出流。其中渠道糙率n取0.016，渠道邊坡系數(shù)m取1.0，渠道底寬度取1.5m，渠道總坡降i=1/150，經(jīng)計(jì)算渠道內(nèi)水深為hs=0.947m。

由以上確定尾水池最低尾水位為h0= 1.42m，hs/h0=0.66＜0.8，所以閘后出水為明流，按寬頂堰自由出流公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q——最大灌溉放水流量7.98m3/s；

m——堰流流量系數(shù)，取0.36；

b——閘孔凈寬（m）；

h0——堰上水頭（m）；

計(jì)算結(jié)果見下表4-2：

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在滿足最大灌溉放水流量7.98m3/s時(shí)，尾水明渠閘堰頂水頭為2.197m，閘底板高程為1008.83m，則尾水池對(duì)應(yīng)最高尾水位為1011.03m，考慮閘進(jìn)水口水頭局損，尾水池最高水位確定為1011.16m。

由于泄洪排沙洞和溢洪道聯(lián)合下泄100年一遇水庫洪水時(shí)壩后無定河道水位為1009.04m，低于尾水池最高水位1011.16m，因此，尾水池頂高程按尾水池最高水位加安全超高確定，參照《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5079-1997中引水渠頂安全超高相關(guān)規(guī)定，取值為0.6m～1.0m，考慮電站廠內(nèi)地坪高程為1012m，為方便施工及建筑物整體協(xié)調(diào)性，確定尾水池頂高程與廠內(nèi)地坪同高度。

表4-1　工業(yè)供水閘堰流淹沒出流計(jì)算表

表4-2　尾水明渠閘堰自由出流計(jì)算表

5　其它建筑物設(shè)計(jì)

為了確保王圪堵水庫供水工程在尾水池檢修時(shí)仍能安全供水，在調(diào)壓調(diào)流閥下游支管末端、尾水閘上游布設(shè)一根φ1200的岔管，岔管下游設(shè)1臺(tái)DN1200手動(dòng)閘閥。岔管布設(shè)在尾水閘底板下，在3#與2#尾水閘之間及2#尾水閘左側(cè)分成2根φ800的岔管，分別接入王圪堵供水工程取水口跌井內(nèi)。在φ800的岔管上，位于王圪堵供水工程取水口進(jìn)水閘房內(nèi)各布設(shè)1臺(tái)DN800手動(dòng)閘閥。

6　結(jié)語

王圪堵電站設(shè)計(jì)首先考慮了供水流量發(fā)電，其次根據(jù)工程實(shí)際情況，為發(fā)揮電站的最大效益，水庫棄水盡可能參與發(fā)電，再次對(duì)于壩后電站生態(tài)基流亦參與發(fā)電。尾水池布置中，根據(jù)地形地質(zhì)及供水對(duì)象，考慮布置各進(jìn)水口，力求工程量最小。根據(jù)尾水池布置以及工程運(yùn)行工況進(jìn)行水力計(jì)算，計(jì)算出各運(yùn)行工況的最低水位及最高水位，經(jīng)分析比較給出尾水池中的最低水位及最高水位，以滿足電站設(shè)計(jì)要求。陜西水利

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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