王二平, 朱瑞平, 張 欣

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450045)

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某水電站工程尾水渠擴(kuò)散段水力優(yōu)化研究

王二平, 朱瑞平, 張 欣

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450045)

某水電站尾水渠擴(kuò)散段在工程設(shè)計(jì)時(shí)為提高過流能力,實(shí)現(xiàn)尾水洞出口斷面低水位運(yùn)行,采取較大擴(kuò)散角的布置形式.模型試驗(yàn)表明:設(shè)計(jì)方案下擴(kuò)散段流態(tài)紊亂,過流能力較低.先后采取在擴(kuò)散段設(shè)置控導(dǎo)流設(shè)施、減小擴(kuò)散段的擴(kuò)散角、調(diào)整閘室位置與修改閘室及上、下游連接段體型等3種修改方案進(jìn)行試驗(yàn)研究.其中第3種修改方案較好地順應(yīng)了水流的流動(dòng)特性,尾水渠各流段流態(tài)平順,過流能力相對(duì)較強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了尾水洞出口斷面較低水位運(yùn)行；同時(shí)節(jié)省工程量,基本達(dá)到預(yù)期效果.該水力優(yōu)化措施已應(yīng)用于工程設(shè)計(jì).

尾水渠;擴(kuò)散段;擴(kuò)散角；水力優(yōu)化；水流流態(tài);水面線;導(dǎo)流墩

在輸水渠道中,當(dāng)相鄰兩段渠道的斷面不同時(shí),常采用擴(kuò)散段進(jìn)行銜接過渡.合理地選取擴(kuò)散段的擴(kuò)散角度對(duì)保證水流平順過渡至關(guān)重要.若擴(kuò)散角度選取不合理,不適應(yīng)擴(kuò)散水流的流動(dòng)特性,有可能出現(xiàn)邊界層分離、折沖水流等不利流態(tài),降低過流能力,抬高渠道的水面線，與設(shè)計(jì)預(yù)期的效果相差甚遠(yuǎn)[1].筆者以某典型水電站尾水渠工程設(shè)計(jì)為例,借助物理模型試驗(yàn)進(jìn)行尾水渠擴(kuò)散段的水力優(yōu)化研究.

1 某水電站工程尾水渠設(shè)計(jì)

某典型水電站總裝機(jī)容量1 500 MW,機(jī)組安裝高程為611.10 m[2].水輪機(jī)泄水流經(jīng)493 m長的尾水洞后,經(jīng)尾水渠擴(kuò)散段、閘室段及尾水渠段泄入下游河道.由于機(jī)組安裝高程與下游河道尾水位的高差不大,為了保證電站出力,設(shè)計(jì)要求盡可能降低尾水洞出口水位,以保證機(jī)組安裝高程到機(jī)坑水面的凈空高度不小于3.2 m,同時(shí)避免尾水洞出現(xiàn)明、滿流交替現(xiàn)象.當(dāng)汛期下游河道出現(xiàn)高水位、機(jī)坑水面以上凈空高度不滿足要求時(shí),則施加高壓氣體使水面下落,以保證機(jī)組正常發(fā)電.對(duì)此，尾水渠的設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

圖1 尾水渠設(shè)計(jì)方案(單位:m)

工程設(shè)計(jì)中,尾水渠擴(kuò)散段長18 m,單側(cè)擴(kuò)散角為30.25°,以期獲得較大的過流能力,降低尾水洞出口水位,減少汛期河道高水位時(shí)對(duì)機(jī)坑實(shí)施壓氣的時(shí)間.擴(kuò)散段下游與四孔閘室相銜接,閘室下游為10 m長的矩形斷面過渡段,之后接122 m長的尾水渠段泄水入河道.其中擴(kuò)散段、閘室段及過渡段的底板為平坡,底板高程為598.5 m;尾水渠段縱坡為逆坡，其坡度i=- 0.024,出口高程為601.41 m.由于設(shè)計(jì)方案下尾水渠擴(kuò)散段采用的擴(kuò)散角較大,能否達(dá)到預(yù)期效果,需要通過模型試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn).

2 設(shè)計(jì)方案下尾水渠擴(kuò)散段流態(tài)及沿程水面線

模型試驗(yàn)中,需進(jìn)行包括尾水渠擴(kuò)散段及其下游渠道過流區(qū)域在內(nèi)的單體模型試驗(yàn),重點(diǎn)研究擴(kuò)散段及其下游流段的水流流態(tài)及過流能力,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性與實(shí)際效果,并針對(duì)存在的問題提出優(yōu)化措施.單體模型的幾何比尺為1∶40.

根據(jù)水電站機(jī)組運(yùn)行時(shí)的泄流量及下游河道斷面出現(xiàn)的特征水位進(jìn)行放水試驗(yàn).其中機(jī)組滿發(fā)設(shè)計(jì)流量為278.4 m3/s,下游河道斷面正常水位為603.65 m,正常高水位為607.83 m.試驗(yàn)表明,當(dāng)水流從尾水洞進(jìn)入擴(kuò)散段時(shí),因擴(kuò)散角過大,水流未能擴(kuò)散到整個(gè)邊界而形成邊界層分離現(xiàn)象:沿兩側(cè)邊墻附近出現(xiàn)較強(qiáng)的回流區(qū),且回流區(qū)大小及位置具有不確定性,當(dāng)下游河道斷面為正常水位603.65 m時(shí),回流最寬處為3～4 m.兩側(cè)的回流擠壓出洞水流,使其集中流向中間兩個(gè)閘孔.過閘室后水流基本沿過渡段中部流動(dòng),未能全斷面過流.至尾水渠段過水?dāng)嗝鏋樘菪?過流寬度進(jìn)一步增大,盡管設(shè)置了長16 m的漸變段,水流仍難以擴(kuò)散到整個(gè)過流斷面.在過渡段至尾水渠上游段之間的左、右岸形成范圍較大的弱回流區(qū),單側(cè)回流區(qū)長24～30 m,寬7～9 m,如圖2所示.

圖2 設(shè)計(jì)方案下尾水渠流態(tài)圖

在流態(tài)觀測(cè)的同時(shí),對(duì)尾水洞出口及下游各觀測(cè)斷面的水深進(jìn)行了量測(cè),得到如圖3所示的沿程水面線.

圖3 設(shè)計(jì)方案下尾水渠沿程水面線

由圖3可知，尾水渠擴(kuò)散段流態(tài)不滿足要求.由于回流區(qū)漩渦擠壓過流寬度,將導(dǎo)致過流能力降低,試驗(yàn)測(cè)得的尾水洞出口水位必將高于設(shè)計(jì)期望的較低值,設(shè)計(jì)方案未能達(dá)到預(yù)期效果.因此,為了改善尾水渠擴(kuò)散段流態(tài),降低尾水洞出口水位,必須對(duì)擴(kuò)散段采取修改措施.項(xiàng)目組先后提出了3種修改方案.

3 尾水渠擴(kuò)散段修改方案及試驗(yàn)成果

3.1 在擴(kuò)散段設(shè)置導(dǎo)流墩的方案

從干預(yù)水流促使其沿?cái)U(kuò)散段兩翼流動(dòng)的角度考慮,提出在擴(kuò)散段設(shè)置導(dǎo)流墩的修改方案,以期通過導(dǎo)流墩的控導(dǎo)作用促使水流產(chǎn)生適度的橫向擴(kuò)散流動(dòng),從而達(dá)到預(yù)期目的.

3.1.1 導(dǎo)流墩體型設(shè)計(jì)與布置

為了達(dá)到控導(dǎo)效果,導(dǎo)流墩的幾何形狀、尺寸大小以及在擴(kuò)散段的相對(duì)位置與水流條件要滿足一定的制約關(guān)系.同時(shí)在干預(yù)控導(dǎo)水流的過程中,導(dǎo)流墩對(duì)水流產(chǎn)生的附加阻力應(yīng)盡可能較低.借鑒類似的工程經(jīng)驗(yàn)[3],擬采用平面上呈八字形的導(dǎo)流墩.初步擬定導(dǎo)流墩單側(cè)墩體厚1.0 m,高6.5 m,迎流面呈傾斜狀,迎流角為半徑3.5 m的尖圓角,以減小水流阻力與壅水高度;同時(shí)將墩體上游段設(shè)計(jì)為實(shí)體墩,下游段為間隔斷開1.0～1.6 m的間斷體,利用墩體斷開空間的連通作用,使墩體兩側(cè)水流的動(dòng)量能夠相互交換,平衡由于導(dǎo)流作用不均衡所產(chǎn)生的動(dòng)量差,使過流斷面動(dòng)量分布趨于均勻.導(dǎo)流墩實(shí)體段與斷開段的長度及其分布設(shè)計(jì),需根據(jù)控導(dǎo)水流的效果,通過對(duì)比試驗(yàn)加以確定.

共選取了3種不同墩體長度及虛實(shí)分布的導(dǎo)流墩設(shè)計(jì)方案,分別進(jìn)行不同布置方案的對(duì)比試驗(yàn).最終確定的導(dǎo)流墩設(shè)計(jì)方案為立面上呈梯形,梯形底全長12.0 m,梯形頂全長9.0 m,下游段按1.6 m 和1.4 m間隔斷開;其他尺寸不變.導(dǎo)流墩體型尺寸如圖4所示.該導(dǎo)流墩在平面布置上單側(cè)墩體軸線與來水流向的夾角β為21.37°,八字形墩體上游端開口間距為4.5 m,墩體首端距擴(kuò)散段起始端的距離為2 m.導(dǎo)流墩布置如圖5所示.

圖4 導(dǎo)流墩體型設(shè)計(jì)圖(單位:m)

圖5 導(dǎo)流墩布置圖(單位:m)

3.1.2 導(dǎo)流墩方案下尾水渠水流流態(tài)及水面線

根據(jù)確定的導(dǎo)流墩體型設(shè)計(jì)及布置方案進(jìn)行放水試驗(yàn).在試驗(yàn)中看到,水流從尾水洞進(jìn)入擴(kuò)散段后,在導(dǎo)流墩的控導(dǎo)下,分成3股流向閘室.其中,中間股水流流向中間兩閘孔,兩側(cè)股水流沿著接近導(dǎo)流墩軸線方向分別流向兩邊閘孔.在水流流經(jīng)導(dǎo)流墩后半段、通過墩體間的空隙時(shí)，水流動(dòng)量有所交換,流向有所調(diào)整.在低尾水位時(shí),擴(kuò)散段內(nèi)的流態(tài)得到明顯改善,回流區(qū)消失,水流平順地進(jìn)入閘室段,兩邊孔的過流能力得到加強(qiáng).在高尾水位時(shí),導(dǎo)流墩被淹沒,導(dǎo)流墩的控導(dǎo)作用有所減弱,流經(jīng)擴(kuò)散段兩側(cè)的流量有所減少,但擴(kuò)散段流態(tài)基本正常,未出現(xiàn)回流區(qū)等不利流態(tài).由于4個(gè)閘孔均有流量通過,基本消除了尾水渠上游漸變段處的回流區(qū).

通過對(duì)尾水洞出口及下游各觀測(cè)斷面的水深進(jìn)行量測(cè),得到沿程水面線如圖6所示.從圖6可以看出,導(dǎo)流墩方案有效降低了主洞出口水位及擴(kuò)散段沿程水面線,如主洞出口水位在正常尾水位和正常高尾水位時(shí)分別降低了0.18 m與0.07 m.

圖6 導(dǎo)流墩方案下尾水渠沿程水面線

雖然導(dǎo)流墩修改方案能有效降低尾水洞出口水位及擴(kuò)散段水面線,但降幅是否為可能的較大值,即尾水洞出口斷面水位是否為可能出現(xiàn)的較低值,由于缺少比較方案,這里還無法作出評(píng)判.

3.2 減小擴(kuò)散段擴(kuò)散角的方案

第2種修改方案為減小擴(kuò)散段單側(cè)擴(kuò)散角方案.該方案保持?jǐn)U散段長度不變,將下游四孔閘改為兩孔閘,取消兩邊孔,使閘室寬度縮小為原來寬度的1/2,此時(shí)擴(kuò)散段單側(cè)的擴(kuò)散角為5.71°.閘室段寬度減小后其下游過渡段變?yōu)閿U(kuò)散段，并與尾水渠段連接.由于尾水渠縱坡為逆坡且坡度較大,為避免增大渠道縱坡使水流產(chǎn)生橫軸漩渦而影響過流能力,保持其坡度值不變,過渡段及尾水渠長度仍取設(shè)計(jì)值,其中過渡段長10 m,單側(cè)擴(kuò)散角為40°.該修改方案(這里稱之為兩孔閘方案)如圖7所示.

對(duì)該方案進(jìn)行試驗(yàn)看到,水流從尾水洞流出，先后經(jīng)過兩級(jí)擴(kuò)散流入下游河道.由于降低了閘室上游擴(kuò)散段的擴(kuò)散角,水流流經(jīng)該流段時(shí)未出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象,水流沿邊界自然擴(kuò)散,流態(tài)較為順暢.流經(jīng)閘室段時(shí)通過兩閘孔的流量也基本均衡.但當(dāng)水流流入閘室過渡段時(shí),由于過渡段擴(kuò)散角偏大,仍出現(xiàn)了邊界層分離現(xiàn)象,過渡段兩側(cè)的回流區(qū)一直延伸到尾水渠漸變段下游斷面.該方案的沿程水面線如圖8所示.

圖7 兩孔閘方案尾水渠模型布置圖(單位:m)

圖8 兩孔閘方案下尾水渠沿程水面線

由圖8可以看出,該方案的擴(kuò)散段沿程水面線不僅低于設(shè)計(jì)方案,也低于導(dǎo)流墩修改方案.如在正常尾水位和正常高尾水位情況下，主洞出口水位較設(shè)計(jì)方案分別降低了0.27 m與0.13 m，較導(dǎo)流墩方案分別降低了0.09 m與0.06 m.分析試驗(yàn)結(jié)果可知,減小擴(kuò)散段的擴(kuò)散角可使水流沿邊界自然擴(kuò)散,通過改善流態(tài)能夠有效降低水流流經(jīng)擴(kuò)散段時(shí)的流動(dòng)阻力, 使過流能力顯著提高[4], 不僅超過設(shè)計(jì)方案，也優(yōu)于導(dǎo)流墩方案.同時(shí)也說明，順應(yīng)擴(kuò)散水流流動(dòng)特性進(jìn)行擴(kuò)散段體型修改優(yōu)于采取人為干預(yù)水流的工程措施.因?yàn)閷?dǎo)流設(shè)施在干預(yù)控導(dǎo)水流的過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生附加阻力,該阻力通過影響流速而降低過流能力[5].

盡管本修改方案使尾水洞出口水位顯著降低且優(yōu)于導(dǎo)流墩方案,但在閘室下游段兩側(cè)仍存在較大的回流區(qū),該回流漩渦雖然強(qiáng)度較弱但范圍較大,對(duì)過流仍有擠壓作用而影響水流通過.另外，在兩種尾水位情況下,尾水洞出口及下游各斷面水流均為緩流,該處水流受到的擠壓作用必將或多或少地影響到閘室上游擴(kuò)散段[6]的過流,導(dǎo)致尾水洞出口斷面水位抬升.故該方案仍需要修改.

3.3 上移閘室位置及修改閘室設(shè)計(jì),降低閘室上下游連接段擴(kuò)散角的方案

基于對(duì)以上試驗(yàn)方案成果的分析,同時(shí)結(jié)合尾水洞出口附近及下游各個(gè)流段的地形、地質(zhì)條件與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性,項(xiàng)目組提出了第3種修改方案,如圖9所示.

圖9 單孔閘方案尾水渠模型布置圖(單位:m)

將閘室位置上移至尾水洞出口處,以增加閘室下游擴(kuò)散段的長度,降低擴(kuò)散角;同時(shí)改多孔閘為單孔閘,以消除閘墩對(duì)水流產(chǎn)生的阻力影響,并進(jìn)一步降低上游連接段的擴(kuò)散角.閘室修改后,閘孔凈寬為12 m,上游設(shè)20 m長連接段,閘室段長度為9.2 m,擴(kuò)散段單側(cè)的擴(kuò)散角降低到11°.由于下游尾水渠為逆坡渠道,為了便于水流擴(kuò)散,降低流動(dòng)阻力,使擴(kuò)散段沿平坡增加長度,同時(shí)不增大尾水渠縱坡[7],故通過上移閘室位置來實(shí)現(xiàn).

模型修改后的試驗(yàn)表明,由于降低了閘室下游擴(kuò)散段的擴(kuò)散角,水流通過時(shí)沿?cái)U(kuò)散段邊界均衡擴(kuò)散,未出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象.在兩種尾水位條件下,尾水洞泄流從出口至下游河道的各個(gè)流段均過渡平順,銜接順暢.

該方案的沿程水面線如圖10所示.可以看出，擴(kuò)散段沿程水面線相對(duì)最低,實(shí)測(cè)結(jié)果與理論分析基本一致.在兩種尾水位情況下主洞出口水位比兩孔閘修改方案分別降低了0.12 m與0.06 m.試驗(yàn)成果基本達(dá)到了預(yù)期目的,同時(shí)能夠節(jié)省工程量,該修改方案得到了工程設(shè)計(jì)方的認(rèn)可.

圖10 單孔閘方案下尾水渠沿程水面線

4 結(jié) 語

針對(duì)某水電站尾水渠擴(kuò)散段設(shè)計(jì)方案存在的水力學(xué)問題,通過模型試驗(yàn)分析比較了3種修改方案的實(shí)際效果,第3種修改方案的尾水洞出口斷面運(yùn)行水位相對(duì)最低,能夠保證水電站汛期運(yùn)行期間對(duì)其實(shí)施壓氣措施的時(shí)間相對(duì)最短,該修改方案已應(yīng)用于工程修改設(shè)計(jì).在此過程中有以下認(rèn)識(shí).

1)在明渠擴(kuò)散段設(shè)計(jì)中,為實(shí)現(xiàn)水流均衡擴(kuò)散、平順過渡,擴(kuò)散角的選取應(yīng)不大于水流沿邊界流動(dòng)的自然擴(kuò)散角,以避免水流產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象.

2)設(shè)計(jì)中若由于某種原因不得已采取較大擴(kuò)散角時(shí),可采用分導(dǎo)流設(shè)施控導(dǎo)水流擴(kuò)散,使流態(tài)得以恢復(fù).但控導(dǎo)設(shè)施在擾動(dòng)水流的過程中不可避免地產(chǎn)生附加阻力,造成過流能力的部分損失,故選擇分導(dǎo)流設(shè)施時(shí)應(yīng)權(quán)衡利弊.

[1]孫東坡,李林昊,趙寶帥,等.明渠擴(kuò)散段急流運(yùn)動(dòng)特性及調(diào)控方法研究綜述[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,35(4)：1-6.

[2]李國慶,王二平.厄瓜多爾CCS水電站尾水洞水力學(xué)模型試驗(yàn)報(bào)告[R].鄭州:華北水利水電學(xué)院,2012.

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(責(zé)任編輯：陳海濤)

Hydraulic Optimization Research for Diffusion Section of Tailrace in a Hydropower Station

WANG Erping, ZHU Ruiping, ZHANG Xin

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045， China)

In order to improve the flow capacity, and make the outlet section of tailrace tunnel operating with low water level, the diffusion section of tailrace in a hydropower station was arranged the layout with large diffusion angle. The results from model experiments show that the diffusion section has disordered flow regime and low flow capacity. Then we designed three modified schemes, namely setting up control and diversion facilities and reducing the diffusion angle in the diffusion section, changing the location and shape of the lock chamber and modifying the figure of the connected section between upstream and downstream, and researched the flow capacity under three modified schemes by experiments. The experimental results show that the third scheme better conforms to the characteristics of water flow, the flow regime remains steady in every sections of the tailrace, the flow capacity is relatively strong, the outlet section of tailrace tunnel is realized to operate with lower water level. In addition, this scheme reduces the workload and basically achieves the expected results. This hydraulic optimized measures have already been applied to practical engineering design.

tailrace; diffusion section; diffusion angle; hydraulic optimization; water flow regime; water surface curve; diversion pier

2014-11-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50779019).

王二平(1960—),男,河南鄭州人,教授,主要從事水力學(xué)與河流動(dòng)力學(xué)方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.004

TV731

A

1002-5634(2015)01-0016-05