袁榮庫(kù)，任玉平

( 吉林省江河工程咨詢(xún)有限公司，長(zhǎng)春130021)

1 問(wèn)題提出

1) 由原來(lái)是一條引水發(fā)電隧洞，要新修建一條引水隧洞與舊洞并聯(lián)引水發(fā)電，通過(guò)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證引水發(fā)電隧洞并聯(lián)后，是否滿(mǎn)足機(jī)組設(shè)計(jì)工作水頭11.50 m 的要求。

2) 通過(guò)水工模型試驗(yàn)，引水隧洞并聯(lián)情況下，在庫(kù)水位365.00 m，引水流量105 m/s 時(shí)，調(diào)壓塔的涌高水位是多少。新、舊洞的各自引進(jìn)流量是多少，計(jì)算出新、舊隧洞分流比。

3)通過(guò)水工模型驗(yàn)證試驗(yàn)，計(jì)算出舊引水隧洞的糙率值。

2 工程概況

彎彎川水電站位于吉林省通化市境內(nèi)的渾江干流上。是一座以發(fā)電為主的水利樞紐工程，由攔江閘壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠(chǎng)房和尾水渠等水工建筑物組成的低水頭大流量引水式徑流水力發(fā)電站。攔江壩全長(zhǎng)295 m。壩頂高程370.5 m，最大壩高15.5 m。溢流閘壩在壩左側(cè)，全長(zhǎng)212 m，共設(shè)15 孔弧形閘門(mén)，每孔凈寬12 m，高5.5 m，堰頂高程360.00 m，閘門(mén)頂部高程365.5 m。引水系統(tǒng)包括新、舊引水發(fā)電隧洞的進(jìn)水口、閘室段、漸變段、引水隧洞、調(diào)壓塔、壓力管道等建筑物。舊引水發(fā)電隧洞全長(zhǎng)702.88 m。隧洞斷面為城門(mén)洞型，上部半圓直徑6.3 m，下部矩形高3.15 m。在隧洞進(jìn)口設(shè)有寬、高為5.0 m ×3.0 m 平板滑動(dòng)檢修門(mén)2 孔。新引水隧洞全長(zhǎng)641.77 m。斷面為城門(mén)洞型，上半部直徑5.0 m，下部矩形高2.50 m。進(jìn)口設(shè)有寬、高為3.0 m×5.0 m 平板門(mén)2 扇。

新建引水隧洞位于舊引水隧洞軸線(xiàn)下游35.50 m 處( 兩洞軸線(xiàn)距離) ，在調(diào)壓塔前61.00 m 處與舊洞匯合( 樁號(hào)0 +667.132) 。新洞的轉(zhuǎn)彎半徑為60 m，轉(zhuǎn)角45°。

廠(chǎng)房?jī)?nèi)設(shè)有3 臺(tái)ZZ－LE250 水輪發(fā)電機(jī)組。設(shè)計(jì)水頭11.50 m，單機(jī)引水發(fā)電流量35 m3/s，單機(jī)出力3 200 kW，總裝機(jī)容量9 600 kW。

3 水工模型試驗(yàn)

3.1 模型設(shè)計(jì)

按重力相似準(zhǔn)則和紊流阻力相似準(zhǔn)則進(jìn)行正態(tài)水工模型設(shè)計(jì)，線(xiàn)性比尺Lr=38.18。

1) 流量比尺Qr =Lr5/2 =9 007.200;2) 流速比尺Vr =Lr1/2 =6.179;3) 糙率比尺nr =Lr1/6 =1.835;4) 時(shí)間比尺tr=Lr1/2 =6.179。

3.2 模型制作

新舊引水發(fā)電隧洞由進(jìn)口至起坡點(diǎn)用紅松燙蠟制作，取原型造率n=0.016，相應(yīng)要求模型的制作糙率為0.008 7，紅松燙蠟的造率值為0.008 5 ～0.009 0，滿(mǎn)足要求。調(diào)壓塔和壓力管道也采用紅松燙蠟制作，洞身段用0.5 ～1.0 cm 卵石混凝土人工加糙制作。

新、舊引水發(fā)電隧洞由進(jìn)口做到機(jī)組中心線(xiàn)處，尾門(mén)用手動(dòng)閘門(mén)控制。

3.3 模型試驗(yàn)及測(cè)試方法

1) 模型驗(yàn)證試驗(yàn)，以舊洞單獨(dú)引水發(fā)電時(shí)原型觀測(cè)的成果:引水發(fā)電流量105 m3/s，庫(kù)水位365.22 m，調(diào)壓塔水位360.99 m 為依據(jù)，調(diào)整隧洞的糙率，使模型測(cè)得值與上述指標(biāo)相吻合，則模型與原型相似，然后測(cè)出隧洞的水頭損失值，計(jì)算出舊洞的糙率，稱(chēng)為驗(yàn)證試驗(yàn)。

2) 新、舊引水隧洞并聯(lián)引水試驗(yàn)，以新洞的設(shè)計(jì)原型造率n=0.032 進(jìn)行新洞試驗(yàn)。將新洞人工加糙與原型設(shè)計(jì)的糙率相似，然后進(jìn)行新、舊引水隧洞并聯(lián)引水試驗(yàn)，測(cè)出水頭損失值和調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高值。

3) 用測(cè)壓管量測(cè)引水隧洞測(cè)量斷面的相對(duì)壓強(qiáng)，計(jì)算出隧洞斷面間的水頭損失及糙率和其他水力參數(shù)。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn): 以舊引水隧洞在庫(kù)水位365. 22 m，流量105 m3/s，調(diào)壓塔水位360.99 m 的原型觀測(cè)值為依據(jù)，將模型加糙與上述指標(biāo)相符。3.4.1 試驗(yàn)和計(jì)算公式

1) 由測(cè)壓管測(cè)出兩斷面間的損失水頭值用式(1) 計(jì)算出沿程水頭損失系數(shù)λ:

式中:λ 為沿程水頭損失系數(shù);L 為沿程長(zhǎng)度;R 為水力半徑;V為斷面平均流速;g 為重力加速度;hf為沿程水頭損失。

2) 將沿程水頭損失系數(shù)λ 值代入式(2) 計(jì)算出謝才系數(shù)C，謝才系數(shù)公式:

3) 將謝才系數(shù)C 值代入式(3) 曼寧公式 計(jì)算出糙率值:

式中:n 為糙率。

4) 用式(4) 計(jì)算出雷諾數(shù):

式中:Re 為雷諾數(shù);ν 為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù);V 為斷面平均流速。

計(jì)算得出模型的雷諾數(shù)Re 最小值為31 466，最大值為70 788。

5) 當(dāng)量粗糙度的計(jì)算: 由模型試驗(yàn)所知圓管為紊流運(yùn)動(dòng)，根據(jù)管壁的當(dāng)量粗糙度Ks 與層流底層厚度δ0之比將紊流分成3個(gè)區(qū):

水流流態(tài)判別式:

將式(1) 計(jì)算得出的沿程水頭損失系數(shù)λ 值代入式( 6)計(jì)算得出當(dāng)量錯(cuò)糙度Ks 值，再用式(7) 計(jì)算出粘滯底層厚度值。Ks/δ0的值＞6 就說(shuō)明用式( 6) 計(jì)算的結(jié)果正確，否則就要用其它公式計(jì)算當(dāng)量粗糙度。

6) 紊流區(qū)的普朗特——尼古拉慈公式:

式中:ks 為隧洞洞壁的當(dāng)量粗糙高度(或水力等值粗糙高度)。

7) 黏性底層厚度計(jì)算公式:

式中:v 為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù);R 為水力半徑;J 為水力比降。

3.4.2 引水隧洞驗(yàn)證試驗(yàn)

1) 調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高:3 臺(tái)機(jī)全開(kāi)，發(fā)電流量105 m3/s，庫(kù)水位365.22 m，調(diào)壓塔水位360.99 m，調(diào)壓塔水位最大涌高371.542 m，沒(méi)有超出調(diào)壓塔373.2 m 的高程。

2) 在引水發(fā)電隧洞流量105 m3/s，庫(kù)水位360.22 m，調(diào)壓塔水位360.99 m 時(shí)，總損失水頭3.853 m。計(jì)算出舊洞糙率為0.33，沿程水頭損失系數(shù)0.074，當(dāng)量粗糙度33.79 mm。調(diào)壓塔最大涌高高程為371.542 m。

3.5 新引水隧洞試驗(yàn)

引水隧洞均勻加糙至設(shè)計(jì)的糙率n =0.032，試驗(yàn)過(guò)程和計(jì)算成果略。

3.6 新、舊引水隧洞并聯(lián)引水試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果

3.6.1 在庫(kù)水位350.00 m，隧洞并聯(lián)總引用流量105 m3/s，隧洞各段水頭損失見(jiàn)表1。

表1 隧洞并聯(lián)引水時(shí)新、舊隧洞的各段水頭損失

續(xù)表1

3.6.2 新舊隧洞各段的局部損失水頭

新洞的水流過(guò)柵的局部水頭損失0.014 m，平彎段局部水頭損失0.09 m，匯流段局部水頭損失0.154 m;舊洞的水流過(guò)柵局部水頭損失為0.04 m，匯流局部水頭損失0.154 m。

3.6.3 新洞的沿程水頭損失

新洞的沿程水頭損失1.308 m( 1.557 m－0.154 m－0.095 m=1.308 m) ，隧洞造率0.032。隧洞進(jìn)口0 +000 至調(diào)壓塔中心的總水頭損失2.025 m。

沿程水頭損失1. 308 m，是兩測(cè)壓管水位高程差1.557 m 減去匯流和平彎段的局部水頭損失得出的，即1.557 m－0.154 m－0.09 m－0.095 m=1.308 m。調(diào)壓塔內(nèi)水位高程為362.617 m。

3.6.4 計(jì)算新、舊引水隧洞的分流比

3.6.5 調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高

3 臺(tái)機(jī)組全開(kāi)，同時(shí)丟棄負(fù)荷關(guān)閉閥門(mén)時(shí)間5 s 時(shí)，調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高至372.038 m，由關(guān)閉閥門(mén)開(kāi)始，塔內(nèi)水位升高至最高時(shí)所需的時(shí)間為31 s。

4 試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值的比較

1) 在總流量105 m3/s，新洞流量38.15 m3/s，舊洞流量66.85 m3/s，調(diào)壓塔水位362.617 m，尾水位350.7 m 時(shí)，設(shè)計(jì)的0 +000 ～0 +728.132 水頭總損失為2.17 m，模型試驗(yàn)測(cè)出的總水頭損失為2.025 m，比設(shè)計(jì)減少水頭損失0.145 m。

2) 根據(jù)模型測(cè)試值計(jì)算機(jī)組的有效工作水頭11.607 m，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工作水頭11.50 m 的要求。

5 試驗(yàn)成果分析

經(jīng)計(jì)算，原型的水流流態(tài)處于完全紊流區(qū)( 阻力平方區(qū)) 。要保證模型水流流態(tài)與原型水流相似，除了滿(mǎn)足重力相似準(zhǔn)則和紊流阻力相似準(zhǔn)則處，還必須滿(mǎn)足水流流態(tài)判別式( Ks/δ0) ＞6，才能保證模型水流流態(tài)與原型水流流態(tài)相似。滿(mǎn)足上述條件，水流處于紊流區(qū)，沿程水頭損失系數(shù)λ只與相對(duì)粗糙度有關(guān)，顯然對(duì)一定斷面的隧洞，當(dāng)量粗糙度也一定，那么沿程水頭損失系數(shù)λ 為常量。所以隧洞的糙率n也為常量。模型試驗(yàn)各方案計(jì)算

水流判別值( Ks/δ0) 均＞6，模型的水流流態(tài)處于阻力平方區(qū)，模型的水流流態(tài)與原型水流流態(tài)相似。

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)計(jì)算得出舊引水隧洞的糙率n=0.033。

2) 新洞的糙率設(shè)計(jì)值n=0.032。

3) 試驗(yàn)方案，新舊洞并聯(lián)引水，新洞的引進(jìn)流量38.15 m3/s，舊洞的引進(jìn)流量66.85 m3/s。試驗(yàn)測(cè)得調(diào)壓塔水位362.617 m，計(jì)算得出機(jī)組的有效工作水頭11.607 m。滿(mǎn)足機(jī)組設(shè)計(jì)工作水頭11.50 m 的要求。并聯(lián)引水比舊洞單獨(dú)引水減少水頭損失1.914 m。

4) 調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高:3 臺(tái)機(jī)組全開(kāi)，同時(shí)丟棄負(fù)荷關(guān)閉閥門(mén)時(shí)間5 s 時(shí)，調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高至372.038 m，由關(guān)閉閥門(mén)開(kāi)始，塔內(nèi)水位升高至最高時(shí)所需的時(shí)間為31 s，沒(méi)有超出調(diào)壓塔373.20 m 的高程。

［1］東北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 彎彎川水電站挖潛改造工程初設(shè)說(shuō)明［Z］. 長(zhǎng)春:東北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1989.

［2］袁榮庫(kù). 彎彎川水電站引水發(fā)電隧洞水工整體模型試驗(yàn)報(bào)告［R］. 長(zhǎng)春:東北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1990.

［3］水力學(xué)教研組. 水力學(xué)［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，1981.