大型多跨橡胶坝充排水系统的设计.pdf

水利水电技术第4 l 卷2 0 1 0年第 l 1期 大 型 多跨橡胶 坝充排水 系统 的设计 沈源国 ( 中国水 电顾 问集 团 华东勘测设计研究院，浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ：塔底水利枢纽工程橡胶坝是 目前 国内坝高超 5 m、跨数 最多、单个坝袋容积 最大的橡胶坝 ， 其充排水系统复杂。本文阐述 了塔底橡胶坝充排水系统设计的思路 ，并指 出了大型 多跨橡胶坝充排水 系统在设计 中应注意的几个问题。 关键词 ：大型多跨橡胶 坝；充排水系统 ；设计；塔底水利枢纽工程 中图分类号：T V 6 4 4 ( 2 5 5 ) 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 0 ) 1 1 0 0 2 7 0 3 De s i g n o f wat e r fil l i n g a nd d r a i n i ng s y s t e m f o r l a r g e a nd mut i s p a n r ubb l e d a m S HEN Yu a n g u o ( E a s t C h i n a I n v e s t i g a t i o n a n d D e s i g n I n s t i t u t e u n d e r C H E C C，H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4，Z h e j i a n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e r u b b e r d a m o f T a d i Wa t e r C o n t r o l P r o j e c t i s t h e r u b b e r d a m w i t h t h e h i g h e s t h e i g h t o f o v e r 5 m，t h e m a x i m u m n u mb e r o f s p a n s a n d t h e l a r g e s t c a p a c i t y o f a s i n g l e d a m b a g i n C h i n a a t p r e s e n t ；o f w h i c h t h e w a t e r fi l l i n g a n d d r a i n i n g s y s t e m i s a l s o q u i t e c o mp l i c a t e d T h e r e f o r e ，t h e d e s i gn c o n c e p t o f t h e s y s t e m i s d e s c rib e d h e r e i n，a n d the n s o me r e mark a b l e p r o b l e ms du r i ng t h e d e s i g n o f i t a r e p o i n t e d o u t a s we l 1 Ke y wo r ds：l a r g e rubb e r d a m wi t h mul t i s pa n；wa t e r fil l i n g a n d dr a i ni n g s y s t e m ；en g i n ee ring de s i g n；Ta di W a t e r Co n t r o l P r o j e e t 1 引 言 橡胶坝 由于结 构 简单 、投 资 省 、工 期 短 、美 观实用等 特点 ，在水 利 水 电工 程 中得 到 了越来 越 多 的应 用 。随 着科 学 技术 的飞速 发 展 ，近 年来 多 跨大型橡胶 坝 的工 程 应用 也越 来 越 多。 多跨 大型 橡胶坝 由 于其跨 数 多 、容 量 大 等特 点 ，决 定 了其 泵房布置与 充排 水 系统 将 更 复杂 ，考 虑 的因素 更 多 。但 目前有关 大 型 多跨 橡胶 坝 充 排水 泵 房 的布 置与充排水 系统 选择 设 计 资料 较 少 ，借 鉴地 方 不 多。笔者参与 了多个此类 大型橡 胶坝 工程 的设 计 ， 现 以衢 州塔 底 水利 枢纽 工 程橡 胶 坝充 排 水 系统设 计 为例 ，进 行 简 单 回顾 与 总结 ，以期 抛 砖 引 玉 ， 与各位 同仁探讨 。 2 塔底水利枢纽工程概况 塔底水利 枢 纽 工程 位 于 浙 江省 衢 州 市 区衢 江 上 ，是一个 以水力发电和改善城市水环境 为主 ，兼 W a t e rRe s o u r c e s a n d Hy d r o p o w e r En g i n e e r i n g Vo 1 4 No 1 1 顾航运及灌溉的综合利用工程 。从左至右 布置依 次 为橡胶坝、船 闸、泄洪冲沙 闸、充排水泵房 和发电 厂房 。发电厂房内布置有 4台4 0 0 0 k W 的灯泡贯流 式机组。橡胶坝共分 5跨 ，每跨坝长 8 5 I lq ，坝袋高 度 5 4 i n ，单个坝袋容积 4 9 0 0 i n ，内压 比 1 2 ，排 水时间 3 h ，充水 时间 5 h 。上游正常蓄水位 5 9 5 1 13 ， 开始塌坝时上游水位 5 9 7 5 m。该橡胶坝是 目前 国内 投运的坝高超 5 1 1 3 、跨数最多 、单个坝袋容积最大的 橡胶坝。 3 充排水管路及设备的布置 塔底水 利 枢 纽 工程 橡 胶 坝 总容 量 大 ，根 据 防 洪调度 要求 ，需保 证 3 h塌 坝 ，故 排 水泵 的 台数 多 、容量大 ，且 需 设 置备 用 泵 。而 充 水 时 间相对 要求 较低 ，为节省投资 ，充 水泵 容量 可相对较 小 ， 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 5 2 0 作者简介 ：沈源国( 1 9 7 2 一 ) ，浙江金华 人 ，高级工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 沈源国大型多跨橡胶坝充排水系统的设计 也不需 设备 用泵 。本 着投 资省 、布置 简 洁 、管 理 控制方便 的原 则 ，经 比较计 算 ，采 用泵 房 中 间设 一 公用总管 、总 管两侧 分设 充 排水 设备 及 管路 的 总体布置方案。 由于坝袋较 多 ，充 排水管 路管径 大 、距离 长 ， 若采用 一管 一袋 ，则 需 5根 主管 ，管 路 多 ，铺设 施工难度大 ，成本高 。为优化布置 ，采用 远端 4 、 5 坝袋及近端 1 、2 坝袋 为一管两袋 的布置方 式 ， 中间 3 坝袋 为一 管一袋 的新 型布置 方式 。这样 可 大大减少 充排 水管 路 系统 ，节省 工程 投 资 ，方便 施 工 4 充排水系统的选择计算 为保证 各 坝袋 能 同时 塌坝 ，至各 坝袋 的充排 水管道的选择设计按总水 头损 失相等 的原则设计 。 由于多跨 橡胶坝充排水 管路较长 ，沿程 损失较 大 ， 故至各坝袋 的充排 水管 道 的各管 径差 别较 大 。为 对充排水 系统进行合理计算 ，笔者用 E x c e l 表针对 不 同工况 、不 同供 排水 泵 ，根据 经 济流 速对 不 同 坝袋 、不同管 径分 别进 行变 量输 入 ，进 行 了逐步 逼近计 算 ，根据计 算结 果设 计 ，其 充排 水 系统原 理 图见 图 1 。 图 1 充排水 系统原理 5 多跨大型橡胶坝充排水泵房设计中应注意 的几个问题 5 1 充水 水源 大型橡胶坝充水量 巨大，充水水源一般取 自上 游河道 ，水质较差 ，若不进行 预处 理 ，充水 时污物 会进入坝袋 ，长时 间积 累 ，袋 内污物会 越积 越多 ， 最后会严重影响橡胶坝 的正常使用 ，对此应有足够 2 8 的认识 。通常我们 可对进人 坝袋前 的水进行 过滤 、 沉淀等处理。对部分橡胶坝充排水泵房与电站 发电 厂房相邻的工程，为保证充水水质 、节约投资 ，设 计充水水源可从相邻的发 电机组流道 内引取。由于 发 电机组流道进 口有拦污栅 ，流道 内流速较大 ，设 计充水水源取水 口应垂直于发电机组流道 ，并使取 水 口流速大大低于流道 内的正常流速 ，这样可保证 取得较好的充水水质 。 5 2水泵扬程的选择问题 根据 橡胶坝技术规范 ( S L 2 2 7 _ _ 9 8 ) ：充水泵 的扬程 H B=( 。 + 一g 7 )+ A ；排水泵的扬程 H B=( ， 一 2 )+ 。 笔者认为 ，规范推荐的扬程计算公式 ，实际上是 最大扬程 ，此时出现的时间极短，据此特别是对大型 橡胶坝充排水泵进行选型计算就显得不尽合理。大型 橡胶坝充排水泵由于容量较大 ，运行工况复杂，在选 型时需对各工况进行详细计算 ，求出各种工况的管道 特性曲线 ，再根据水泵的运行工况 ，考虑其投资及运 行的经济性 、稳定性 ，在保证充排水时间的前提下合 理确定供 、排水泵的额定扬程。 在塌坝排水工况，坝袋 由设计坝高逐渐塌落至 0，河道水流从橡胶坝顶过 流，所 以在排水过程 中， 坝袋还受到河道水外压的作用。因此在排水泵扬程计 算中还应考虑作用在坝袋上的外压和橡胶坝坝袋的弹 性胀力 。由于该值确 定较难 ，按 笔者多个项 目的经 验 ，建议可取坝高的3 0 左右。 此外 ，由于多跨橡胶坝安装完成后，根据规范需 进行充排水试验 ，以检验坝袋锚固及充排水管路的施 工质量。充排水试验一般在围堰未拆除时进行 ，此时 坝袋上下游侧不挡水。充水高度根据规范要求一般控 制在设计 高度 的 8 0 ，且 各坝袋需单 独进行试验 。 因此在充排水泵选择时应充分考虑到该工况 ，并进行 复核 ，以免造成试验时充排水泵不匹配，不能正常运 行。 5 3 补水泵的设置 由于阀门及橡胶坝的渗漏 ，时间一久 ，坝袋内的 水会有损失，坝袋高度会有所降低 ，此时需对橡胶坝 进行补水。由于补水量有限，用大流量的充水泵就显 得不合适。此时可考虑增设 1台较小的补水离心泵， 补水泵 的扬程最好高于充水泵。对部分 值较大 的橡胶坝 ，由于充水时达到内压比所需的扬程大 ，充 水泵不一定能满足要求 ，此时也可利用该补水泵进行 最后建压。 ( 下转第 3 3页) 水利水电技术第4 1 卷2 0 1 0 年第1 1期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 0 压力水箱上表面流线及流速等值线 图( 单 位 ：m s ) * l l 压力水箱上表面流速矢量及压力等值线图( 单位：P a ) ( 上接 第 2 8页) 5 4 自动化控 制 由于大型多跨橡胶坝充排水系统复杂，设备尺寸 大 ，人工操作费时费力且易 出错 ，因此应设立 可靠 的 自动 化控 制 系统 。各 切换 阀 门采 用水 电两 用 阀 门 ，并对各坝袋设立合适 的液位信 号计及压力变送 器等监控设备 。最终可 通过监控 系统根据预先设定 的程序 自动 实现坝袋 的充水及 塌坝 ( 塌坝一 般先 自 排 ，再机排 ) 。 6 结语 大型橡胶坝充排水系统相对较复杂，应根据工程 实际情况对设备布置及选 型进行详 细的经济技术 比 较，尽量做到经济 、合理 、简单。 水利水 电技术第 4 l 卷2 0 1 0年 第 1 1 期 李传奇， 等南水北调东线工程双王城水库泵站水流特性试验与数值模拟研究 涡是 由于泵出水管管 口处流态不稳定导致 ，通过压力 水箱 的调节 ，到穿堤涵洞处流态趋于稳定。 5结语 本文针对双王城水库泵站总体布置，通过水工模 型试验和数值模拟相结合的方法 ，成功地模拟了双王 城泵站的三维紊流流场 ，分析了水流流态及压力分布 情况 ，为泵站的设计提供了依据。 对水库放水工况 ，原设计方案 出库涵洞内存在负 压。将控制闸由出库涵洞的中部移到涵洞的末端 ，可 有效改善涵洞内水流流态 ，解决涵洞内存在负压的问 题 。 充库时压力箱 中的流态总的来说较为稳定，进人 穿堤涵洞的水流流态平稳 ，该设计方案较合理。 参考文献 ： 1 王福军 计算 流体动力 学分析 M 北京 ：清 华大学 出版社 ， 2 O o 4 2 H i r t C W， N i c h o l s B D V o l u m e o f F l u i d( V OF )Me t h o d f o r t h e d y n a m i c s o f f r e e b o u n d a r i e s J J o u r n al o f C o mp u t a t i o n a l P h y s i c s ， 1 9 81 ，3 9：2 0 1 2 2 5 3 Ma s h a y e k F，As h g r i z N A h y b r i d fi n i t e e l e me n t v o l u me o f - fl u i d me t h o d for s i mu l a t i n g f r e e s u r f a c e fl o w s a n d i n t e r f a c e s J I n t e r n a t i o na l J o u r n a l o f Nu me r i c a l Me t h o d i n Fl u i d s ， 1 995 ( 2 0) ： 1 3 6 3 1 3 8 0 4 李玲 ，陈永灿 ，李永 红 三维 VO F模 型及 其在溢洪 道水流计 算 中的应用 J 水力发电学报 ，2 0 0 7 ( 2 ) ：8 3 - 8 7 5 陈群 ，戴光 清 鱼 背山岸边 阶梯溢 洪道流 场 的三维数 值模 拟 J 水力发电学报，2 0 0 2( 3 ) ：6 2 7 2 ( 责任编辑林雁庆) 参考 文 献 ： 1 s L 2 2 7 9 8 ，橡胶坝技术规范 s 2 s L 2 2 7 9 8 ，橡胶坝技术规范条文说明 s 3 王忠诚 小埠 东超长橡胶 坝充排水 系统设计研 究 J 中国农 村水 利水 电 ，1 9 9 9 ( 1 1 ) 4 童乐 一 橡胶坝充 排水技术 探讨 J 浙江水利水 电专科 学校 学报 ，2 0 0 1 ，1 3 ( 3 ) ( 责任编辑林雁庆) 5O 5O 5O 5O 5 O 力 斛 引引 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m