CN104179159A - 水电站明满流尾水系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水电站明满流尾水系统，由尾水管、连接段、明满流尾水洞依次相连构成；或者由尾水管、连接段、下游调压室、明满流尾水洞依次相连。本发明水电站明满流尾水系统是一种尾水管进口断面最小绝对压强更易满足规范要求、且可避免机组装机高程过低造成的机组补气困难的水电站尾水系统。

Description

水电站明满流尾水系统

 

技术领域

本发明属于水力发电工程技术领域，具体涉及一种水电站明满流尾水系统。

背景技术

随着我国西南水力资源的开发，许多正在规划、设计和施工的巨型、大型水电站所处河段地形陡峻，河谷狭窄，河床仅能用于布置挡水和泄洪建筑物，而输水发电建筑物、导流和部分泄洪建筑物须布置在两岸山体中，这是较为典型的一种枢纽总体布置格局。

当水电站尾水系统较长时，一般需设置下游调压室来满足水电站尾水管进口断面最小绝对压强满足规范和设计的要求。而工程实际中往往会由于地形、地质条件的限制，不能满足设置规模较大的调压室；另外，为了使尾水管进口断面最小绝对压强满足规范和设计的要求，需降低机组的安装高程，但过低的安装高程将会给机组的补气带来一定难度。

地下水电站采用首部式和中部式开发方式时，为减少尾水出口边坡和尾水隧洞的工程量，避免人工高陡边坡的开挖支护和稳定问题，减轻对地表植被和环境的破坏影响，往往需要考虑“永临结合”，即充分利用施工期的临时建筑物，与永久建筑物相结合，进行统一的布置和设计，将水电站尾水洞与导流洞结合，可能就成为一种更有优势的布置方案。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种尾水管进口断面最小绝对压强更易满足规范要求、且可避免机组装机高程过低造成的机组补气困难的水电站明满流尾水系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

第一种水电站明满流尾水系统，包括尾水管、连接段和明满流尾水洞，尾水管、连接段、明满流尾水洞依次相连。

作为优选，当为多机一洞尾水系统时，尾水管出口处设置机组检修闸门和机组检修闸门井。若为一机一洞尾水系统时，基于经济原则，确定在尾水管出口处是否设置机组检修闸门和机组检修闸门井。

作为优选，明满流尾水洞顶坡为坡度不小于3％的倒坡，其底坡为坡度不大于顶坡坡度的倒坡。

作为优选，连接段洞顶的纵剖面呈抛物线型或直线型。

在尾水系统长度为150m～600m时采用第一种水电站明满流尾水系统，其中明满流尾水洞可确保尾水管进口断面最小绝对压强满足规范和设计的要求，避免设置规模巨大的下游调压室，简化地下洞室群的布置，减小洞室群的规模。

第二种水电站明满流尾水系统，包括尾水管、连接段、下游调压室和明满流尾水洞，尾水管、连接段、下游调压室、明满流尾水洞依次相连。

作为优选，明满流尾水洞斜段顶坡为坡度不小于3％的倒坡，其底坡为坡度不大于顶坡坡度的倒坡。

作为一种具体实施方式，明满流尾水洞包括非尾导结合洞段、明满流尾水洞连接段和尾导结合洞段，非尾导结合洞段出口和尾导结合洞段入口通过明满流尾水洞连接段连接，下游调压室连接非尾导结合洞段入口，尾导结合洞段出口连接尾水出口和尾水渠。

作为优选，尾导结合洞段为平洞。

作为优选，非尾导结合洞段顶坡为坡度不小于3％的倒坡，其底坡为坡度不大于顶坡坡度的倒坡。

作为优选，尾导结合洞段上设有通气孔。

在尾水系统长度大于600m时或水电站尾水洞与导流洞结合布置时采用第二种水电站明满流尾水系统，即采用明满流尾水洞辅助下游调压室确保尾水管进口断面最小绝对压强满足规范和设计要求，避免过度降低水轮机安装高程，有利于机组运行中补气，并且降低反向水击压力过大造成抬机的风险，同时还可减小上游压力管道的设计内水压力值。

当应用于水电站尾水洞与导流洞结合布置时，尾导结合洞段结构需兼顾水电站尾水洞与导流洞的功能要求，使尾水洞与导流洞能更好地发挥各自的功能和作用。

 

明满流尾水洞的工作状态有别于常规的有压尾水洞和无压尾水洞，在不同下游水位时明满流尾水洞内呈现明流、明满流或满流的水流状态。本发明水电站明满流尾水系统可解决水电站尾水管进口断面最小绝对压强不能满足规范要求的问题，且可避免由于机组装机高程过低时造成的机组补气困难。

当尾水洞和尾水管总长度为150m～600m时，可采用第一种水电站明满流尾水系统，即单独采用明满流尾水洞解决上述问题。避免设置规模巨大的下游调压室，减小地下水电站洞室群的数量和规模，有利于地下水电站洞室群的布置和稳定，节约工程投资；并且由于水头损失小，可获得长期的电量效益。在下游尾水位变幅较大时，与下游调压室方案相比明满流尾水洞优势更为明显，即尾水位变幅较大时对下游调压室的高度影响较大，而对明满流尾水洞的尺寸影响不大。

当尾水洞和尾水管长度大于600m时，可采用第二种水电站明满流尾水系统，即采用下游调压室和明满流尾水洞的联合布置型式，避免由于机组装机高程过低造成的机组补气困难。这种联合布置型式尤其适用于水电站尾水洞与导流洞结合布置的情况，可充分利用施工期的临时建筑物，与永久建筑物相结合，进行统一的布置和设计，减少尾水出口边坡和尾水隧洞的工程量，避免人工高陡边坡的开挖支护和稳定问题，节约工程投资，减轻对地表植被和环境的破坏影响。

附图说明

图1为应用于尾水系统长度较短时明满流尾水系统纵剖面示意图；

图2为应用于尾水系统长度较长时明满流尾水系统纵剖面示意图；

图3为应用于尾导结合时明满流尾水系统纵剖面示意图；

图4为后期利用导流洞作为尾水洞的明满流尾水系统纵剖面示意图。

其中，1-地下厂房，2-主变洞，3-下游调压室，4-尾水管进口断面，5-尾水管，6-连接段，7-明满流尾水洞斜段，8-明满流尾水洞连接段，9-明满流尾水洞平段，9’-明满流尾水洞顺坡段，10-尾水出口，11-下游低水位，12-下游中水位，13-下游高水位，14-明满流交界面，15-有压满流段，16-无压明流段，17-通气孔，18-机组检修闸门井。

具体实施方式

下面将结合附图进一步说明本发明技术方案。

（1）应用于尾水系统长度为150m～600m时的明满流尾水系统

当明满流尾水系统长度为150m～600m时，可单独采用明满流尾水洞来确保尾水管进口最小绝对压强（或真空度）满足规范和设计要求，这种情况下，明满流尾水洞纵剖面见图1。该情况下的尾水系统包括尾水管（5）、连接段（6）和明满流尾水洞，尾水管（5）通过连接段（6）连通明满流尾水洞。若为多机一洞尾水系统时，尾水管（5）出口处需设机组检修闸门井（18），以满足一台机组检修时，不影响同一水力单元的其它机组的正常运行；若为一机一洞尾水系统时，基于经济原则，确定在尾水管出口处是否设置机组检修闸门和机组检修闸门井，以缩短机组检修时流道抽排水的时间和水量。本具体实施中，明满流尾水洞即图1中的明满流尾水洞斜段（7）。

该情况下尾水系统的工作原理为：下游水位处于下游低水位（11）时，设置于主厂房内的水轮机淹没水深较小，明满流交界面（14）更靠近尾水管（5）出口，此时无压明流段（16）较长，有压满流段（15）较短，设置于主厂房内的水轮发电机组丢弃负荷产生的负水击压强小，尾水管进口断面（4）的最小绝对压强不会超过规范要求。随着下游水位升高，由下游低水位（11）至下游中水位（12）再至下游高水位（13），在水位逐渐升高的过程中，尽管无压明流段（16）长度逐渐减短，有压满流段（15）长度逐渐增长，直至明满流尾水洞全洞段变为有压满流段，机组丢弃负荷产生的负水击压强越来越大，但水轮机的淹没水深逐渐加大，且有压满流段平均流速也逐渐减小，正负两方面的作用相互抵消，使得尾水管进口断面（4）的最小绝对压强仍能控制在规范的允许范围之内，保证机组安全运行。

（2）应用于尾水系统长度大于600m时的明满流尾水系统

当尾水系统长度大于600m时，采用明满流尾水洞辅助下游调压室（3），来确保尾水管进口断面（4）最小绝对压强（或真空度）满足规范和设计要求。下游调压室（3）和明满流尾水洞联合布置示意图见图2。该情况下的尾水系统包括尾水管（5）、连接段（6）、下游调压室（3）和明满流尾水洞，尾水管（5）通过连接段（6）连通下游调压室（3），下游调压室（3）连通明满流尾水洞。本具体实施中，明满流尾水洞即图2中的明满流尾水洞斜段（7）。

该情况下尾水系统的工作原理为：下游水位处于下游低水位（11）时，水轮机的淹没水深比较小，明满流交界面（14）更靠近下游调压室（3），此时无压明流段（16）较长，有压满流段（15）较短，机组丢弃负荷产生的负水击压强小，尾水管进口断面（4）的最小绝对压力容易满足规范要求，此时，和下游调压室接有压尾水洞的布置方案相比，水轮机安装高程更高，这样可有效地减小机组运行时补气的难度。随着下游水位升高，由下游低水位（11）至下游中水位（12）再至下游高水位（13），在水位逐渐升高的过程中，尽管无压明流段（16）长度逐渐减短，有压满流段（15）长度逐渐增长，直至明满流尾水洞全洞段变为有压满流段，机组丢弃负荷产生的负水击压强越来越大，但水轮机的淹没水深逐渐加大，正负两方面的作用相互抵消，加之下游调压室（3）在负荷变化过渡过程中的调节作用，使得尾水管进口断面（4）的最小绝对压强仍能控制在规范的允许范围之内，保证机组安全运行。

具体工程设计中，需通过水电站水力过渡过程的计算分析，来合理选择有压满流段和无压明流段的长度，确保各种工况下调节保证参数均能满足规范和设计的要求。

（3）应用于尾导结合时的明满流尾水系统

当明满流尾水系统应用于水电站尾水洞和导流洞结合时，该明满流尾水洞中的结合洞段选用平坡型式，以兼顾和适应水电站尾水洞和导流洞的功能要求，见图3。该情况下明满流尾水洞包括明满流尾水洞斜段（7）、明满流尾水洞连接段（8）和明满流尾水洞平段（9），明满流尾水洞斜段（7）出口和明满流尾水洞平段（9）入口通过明满流尾水洞连接段（8）连接，下游调压室（3）连接明满流尾水洞斜段（7）入口，明满流尾水洞平段（9）出口连接尾水出口和尾水渠。

若是后期利用导流洞作为水电站尾水洞来满足水电站扩机要求，由于此时尾导结合洞段（即明满流尾水洞顺坡段（9’））沿洞轴线方向为小角度的顺坡出流，为避免空气滞留洞内，对机组运行稳定和隧洞衬砌产生不利影响，可在明满流尾水洞顺坡段（9’）上增设通气孔（17），见图4，将洞内气体排出洞外，或是通过通气孔（17）向洞内补气以避免局部产生过大负压。

明满流尾水洞断面型式和尺寸根据实际情况设定，需满足水电站尾水洞和导流洞的运行要求，即非尾导结合洞段（即明满流尾水洞斜段（7））要满足水电站尾水洞的要求，尾导结合洞段（即明满流尾水洞平段（9））需兼顾尾水洞和导流洞的要求。

本发明基于以下措施实现： 

（1）水力单元的型式

尾水系统中的明满流尾水洞既可采用一机一洞型式，也可以采用多机一洞型式，需根据实际情况进行技术、经济等方面的综合比较确定。

（2）尾水系统中明满流尾水洞平面布置

明满流尾水洞平面布置洞轴线应尽可能短而直，以缩短明满流尾水洞长度，减小负水击压强。同时，应尽可能增大明满流尾水洞平面转弯的曲率半径，以免恶化水流流态。

（3）应用于尾水系统长度为150m～600m时的尾水系统的纵剖面布置

尾水系统长度较短时，尾水系统由尾水管（5）和明满流尾水洞构成，尾水系统的纵剖面布置见图1。

该情况尾水系统的设计需满足以下条件：

① 当下游水位位于下游低水位（11）时，明满流交界面（14）尽量靠近尾水管（5）出口，且明满流尾水洞中无压明流段（16）长度尽可能长，这样有压满流段（15）长度尽可能短，利于调节保证参数满足规范和设计要求；

② 明满流尾水洞顶坡优选为坡度不小于3％的倒坡，使尾水位上升时，水轮机淹没加深的有利作用始终能抵消有压满流段（15）增长的不利作用，确保尾水管（5）进口断面（4）最小绝对压强满足规范要求，并有利于非恒定流“气泡”的排出；

③ 明满流尾水洞底坡坡度不大于顶坡坡度，否则有压满流段（15）平均流速逐渐增大，不利于调节保证计算满足规范要求；

④ 根据最低尾水位时尾水出口（10）断面最大流速（通常小于4.0m/s），以及相邻明满流尾水洞间的岩墩厚度，确定尾水出口（10）底板高程和宽度；

⑤ 明满流尾水洞进口断面与尾水管（5）出口断面间的高差由连接段（6）衔接，连接段（6）洞顶纵剖面线为抛物线或直线，以保证尾水管（5）内始终为有压流，避免对机组运行效率产生影响。

⑥ 当明满流尾水洞较长时，可在尾水管（5）出口附近设置机组检修闸门（18），以缩短机组检修时流道排空抽水的时间和减小抽水量。

（4）采用下游调压室和明满流尾水洞联合布置的尾水系统纵剖面布置

见图2~4，下游调压室和明满流尾水洞联合布置的尾水系统中，尾水管（5）通过连接段（6）连通下游调压室（3），下游调压室（3）连通明满流尾水洞。该情况尾水系统的设计需满足以下条件：

①    根据地下厂房（1）、主变洞（2）和下游调压室（3）三大洞室洞间岩柱厚度等要求，初步确定下游调压室（3）相对于地下厂房（1）的位置；

②    明满流尾水洞的设计要求同（3）中所述的明满流尾水洞，但具有区别：下游水位位于下游低水位（11）时明满流交界面（14）应尽量靠近下游调压室（3）；

③    当尾水洞与导流洞结合布置时，尾导结合洞段优选平洞布置，即图3中的明满流尾水洞平段（9），以兼顾和适应水电站尾水洞与导流洞的出流要求，正常发挥各自的功能和作用；下游调压室（3）后的明满流尾水洞斜段（7）出口断面与明满流尾水洞平段（9）入口断面尺寸的差异由明满流尾水洞连接段（8）顺接；

④    若是后期利用导流洞做为水电站尾水洞，由于导流洞一般沿洞轴线方向为顺坡出流，见图4中明满流尾水洞顺坡段（9’），则有必要在明满流尾水顺坡段（9’）上设置通气孔（17），避免空气滞留洞内，对机组运行稳定和隧洞衬砌产生不利影响，也可在非恒定流过程中起到补气作用，以避免洞内局部产生过大的负压。通气孔（17）可就近与调压室或其它建筑物连通，或设专门的孔洞至山体外。

⑤    明满流尾水洞平段（9）的底板高程

下游水位位于下游低水位（11）时，明满流尾水洞平段（9）洞内呈明流状态，通过对洞内流速和弗劳德数的计算和判别（要求弗劳德数Fr<1，为缓流），并经水力过渡过程计算分析，获得合理的明满流尾水洞平段（9）底板高程，避免出现洞内水流中断的现象，以及与下游尾水衔接时出现水跃或水跌等不稳定的水流现象，危及机组的稳定运行。

⑥    明满流尾水洞斜段（7）的坡度

明满流尾水洞斜段（7）为坡度不小于3％的倒坡，使尾水位上升时，水轮机淹没加深的有利作用始终能抵消满流段增长的不利作用，加之下游调压室的作用，确保尾水管进口断面最小绝对压力满足规范要求。

（5）明满流尾水洞横剖面

明满流尾水洞横剖面通常采用城门洞型，也可根据地质条件采用圆形断面或马蹄形断面。其断面型式和尺寸需满足水电站尾水洞和导流洞的运行要求，即非结合洞段满足水电站尾水洞的要求，尾导结合洞段需兼顾两者的要求。

（6）明满流尾水系统水力设计

包含下游调压室和明满流尾水洞的输水系统中，由于明满流尾水洞非恒定流水力特性随尾水位变化呈现不同的流态，包括明渠非恒定流、明满混合流和有压管道非恒定流，使得水力过渡过程中的流态和波动叠加非常复杂，水电站过渡过程计算分析需贯穿于整个设计过程中，需根据过渡过程计算成果不断地调整和优化输水系统的布置和体型设计，以满足电站调节保证设计的要求，必要时需通过模型试验加以验证和优化。明满流尾水系统的水力设计一般包含在水电站调节保证设计过程中，可根据实际工程设计情况进行计算分析和研究，在此不做赘述。

Claims (10)

1.第一种水电站明满流尾水系统，其特征在于，包括：

尾水管、连接段和明满流尾水洞，尾水管、连接段、明满流尾水洞依次连通。

2.如权利要求1所述的水电站明满流尾水系统，其特征在于：

所述的尾水管出口处设有检修闸门井。

3.如权利要求1所述的水电站明满流尾水系统，其特征在于：

所述的明满流尾水洞顶坡为坡度不小于3％的倒坡，其底坡为坡度不大于顶坡坡度的倒坡。

4.如权利要求3所述的水电站明满流尾水系统，其特征在于：

所述的连接段洞顶的纵剖面线为抛物线或直线。

5.第二种水电站明满流尾水系统，其特征在于，包括：

包括尾水管、连接段、下游调压室和明满流尾水洞，尾水管、连接段、下游调压室、明满流尾水洞依次连通。

6.如权利要求5所述的水电站明满流尾水系统，其特征在于：

所述的明满流尾水洞斜段顶坡为坡度不小于3％的倒坡，其底坡为坡度不大于顶坡坡度的倒坡。

7.如权利要求5所述的水电站明满流尾水系统，其特征在于：

所述的明满流尾水洞包括非尾导结合洞段、明满流尾水洞连接段和尾导结合洞段，非尾导结合洞段出口和尾导结合洞段入口通过明满流尾水洞连接段连接，下游调压室连接非尾导结合洞段入口，尾导结合洞段出口连接尾水出口和尾水渠。

8.如权利要求7所述的水电站明满流尾水系统，其特征在于：

所述的尾导结合洞段为平洞。

9.如权利要求7所述的水电站明满流尾水系统，其特征在于：

所述的非尾导结合洞段顶坡为坡度不小于3％的倒坡，其底坡为坡度不大于顶坡坡度的倒坡。

10.如权利要求7所述的水电站明满流尾水系统，其特征在于：

所述的尾导结合洞段上设有通气孔。