虹吸式进水口在西藏湖口工程中的应用

虹吸式进水口在西藏湖口工程中的应用西藏林芝地区日及木措八一湖口工程位于八及曲上游距河口约20km处，距拉萨市405km。当地海拔高度4080m。湖长约3km，湖面呈条状，最宽处约lbm，平均宽约550m，出口长250m、宽约71m。湖总面积1.5km2，水深80m。工程主要水工建设筑物有非溢流坝、溢流坝、右岸导墙、虹吸式压力钢管，均并列布置在自然湖泊出口段，布置见图1。工程等级为四等，大坝为四级建筑物，最大坝高5．7m。工程建成后，自然库容9800万m3，有效调节库容1050万m3，调节流量8．01m3/s。日及本措湖所在区域分布有第四纪时的冰川，湖口是由活动冰川搬运大量冰积物所形成。堆积物由大孤石、漂砾石和砂混杂，岩性均为花岗岩，历经几千年已较密实，孔隙率较小，压缩性小，强度较高。2虹吸式进水口主要特性指标虹吸式进水口主要特性指标包括虹吸式压力流道形式与截面、驼峰顶点最大高度及进水口淹没深度。2．l虹吸式进水压力流道形式的确定对于在西藏高原地区虹吸式进水压力流道形式的确定，目前尚处于初期阶段和总结经验的过程。特别是在高海拔、低气压条件下，合理地根据西藏高原地区的具体条件选取比较适宜的虹吸式进水压力流道形式及其有关技术参数是关键。1985年，西藏墨竹工卡虹吸式进水口电站首次采用了青海省“S”形（即反弯曲形状）与压力管道连接的虹吸形式的结构设计，而湖口工程的进水口设计又综合了青海省采用的“S”形与深圳水库采用的平顺形的虹吸式进水口型式。这在地质条件复杂、施工难度大、海拔高、气压低、日温差大、年温差小等不利因素条件下，进水口采用虹吸型式，设计比较简单，也便于施工，两电站的虹吸式进水口横剖图见图2、3所示。图2八一湖口工程虹吸式进水口横剖面（单位：cm）图3墨竹工卡电站虹吸式进水口横剖面（单位：cm）2．2虹吸式取水压力流道截面的确定目前，国内虹吸式取水压力流道截面，一般分为固定断面的虹吸流道和变断面的虹吸流道两种型式。按《水工手册》规定，当水头在8～10m以下时，须采用固定断面的虹吸管道；当水头超过10m时，可采用在接近出口处断面收缩的虹吸管。其泄水能力Q可按式（1）计算：根据日及木措湖11～4月份枯水季节来流量形成的设计有效调节库容、泄水能力和有效水头，设计上选用了三根200等截面虹吸式压力管道，并在管道出口设有可调节流量的电动蝴蝶阀。其过水断面按最大引水设计流量8·01m3/s计算，驼峰断面通过的最优流速v按武汉水利电力学院编著的《水泵及水泵站》一书中所采用的平均流速2．0～2.5m／s控制。因为从西藏墨竹工卡虹吸式进水口电站运行情况观察到；过大的允许流速会使水头损失增加；当允许流速小于1．6～1．5m/s以下时，驼峰顶部运行中形成的气囊会逐渐增大，严重时造成虹吸破坏。墨竹工卡电站和八一电站湖口工程虹吸式取水压力流道的技术特性指标见表3。表3墨竹工卡电站和八一电站湖口工程虹吸式取水流道特性2．3驼峰顶点的最大高度确定驼峰顶点的最大高度系指虹吸进水口断面底板至驼峰断面顶板之间的高差，一般而言，它是进口断面高度、淹没深度、上游最大水位变幅、驼峰底部超高以及驼峰断面高度的总和。墨竹工卡虹吸式进水口电站就是按此设计的。对于八一电站湖口工程，由于进水口是直接从上游湖泊库区中引流，且湖泊库区丰、枯季节水位变幅比较大，如按前池虹吸式进水口的设计条件来确定驼峰顶点的最大高度显然是不适宜的，因此，其驼峰顶点的最大高度，基本上是依据湖的多年平均流量和枯水季节库区的实际设计枯水位确定，即按虹吸式进口断面高度、淹没深度和驼峰顶点的计算最大负压Pmax（Pmax值指库区上游最低枯水位至虹吸自流管管顶的高差）之和考虑。由西藏林芝地区实测资料知，林芝地区的多年平均气温低于0℃的天数121．5天，平于一10℃的天数4．2天，相应年平均水温为5～6℃左右，大部分是融雪水和地下水。八一湖口工程平均水流温度按7℃考虑，此时对应的汽化绝对压力为10．2kPa。如果仅考虑这一因素，最大负压可达6m以上；但由于还存在水流运动时的真空、向心加速度和水流析出溶气等因素的影响，最大负压一般不宜超过4．8m。因此，驼峰顶部真空值一般按式（2）计算、按校核：2．4进水口淹没深度的确定淹没深度的确定，主要是为满足进水室的最低水位，避免因进水口淹没深度不足而造成沿水流出现主轴旋涡吸进空气、漂浮物质，破坏驼峰部分的吸力。西藏高原地区进水口淹没深度hc的确定，一般采用简化公式计算：在西藏高原地区，气温日差普遍较大，当气温降至0℃以下时，大部分河流开始流冰花。晚间水体失热加快，水内冰和岸冰增多；白天日照强烈，气温上升，岸冰厚度减薄，甚至融化。随着汽温不断地降低，水内冰不断增多，岸冰进一步密实增厚向河心延伸，在局部河段出现封冻。例如，西藏沃卡河冰盖厚度可达0.2m左右，塘河冰盖厚度可达0.7m，最大流动冰块厚0.5—2m。这说明在高原地区，因气侯差别，各地区冰盖厚度是不相同的。因而，在流速小的日及木措湖内，为了保证整个上游形成冰盖，在冬季防止冰花和冰块进入虹吸取水口，根据林芝地区实际气侯特征，设计中考虑了在冬季增加上游壅水高程0.2—0.3m的安全裕度在夏季为了防止和清理虹吸取水口的漂浮物，也将库区上游的壅水高程抬高0.2-0.3m，用手提清理耙将大量漂浮物从溢流堰清理掉。3真空泵选型真空泵的作用，主要是在水源水位低于虹吸管管顶期间，用抽真空方式将水引到下游各梯级电站。3.1真空泵抽气量的确定真空泵抽气量的计算公式按湖南大学姜乃昌、陈军编著的《水泵及水泵站》推荐的公式计算：3.2最大真空的确定3.3通气孔的确定通气孔的作用，是在机组停机后，为了截断水流，把装置在驼峰顶部的阀门打开，放进空气，来达到破坏虹吸式出水流道的驼峰部分在运行过程中的真空值。在由天津大学编著的《水工建筑物》一书中，提出通气孔面积应按虹吸管顶部横断面面积的2%-10%设计。但在西藏高原地区，海拔高，气压低，显然会对空气速度和流量造成一定影响。因此只有合理地选择空气流速，才能准确地确定通气孔的横断面积与空气需用量，通气管的断面面积F，一般可按式（8）计算、按式（9）校核：（略）4结束语通过对西藏两座电站的虹吸式进水口有关计算方法、计算公式的介绍和技术指标的选取，以期在水力资源丰富，地质构造多为冰碛堆积物的复杂区域内和地质存在架空层的高原地区推广应用这一进水口型式，解决或减轻在这种地质构造上修建引水枢纽工程建筑物存在施工难度大、难筑物基础稳定性差的矛盾，同时也可减少投资和工程量。这对促进开发西藏丰富的天然湖泊水能资源，缓解西藏地区用电矛盾有积极作用。