梅家鵬，聶思敏，王弘元

(1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310012；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

在抽水蓄能電站的輸水系統(tǒng)中，進出水口是很重要的組成部分，它具備雙向流動的特點，比如下庫在發(fā)電時為出水口，在抽水時變成進水口，上庫則與下庫相反[1,2]。進出水口是庫區(qū)和輸水隧洞連接的橋梁，從庫區(qū)到輸水隧洞逐漸收縮，包括攔污柵、導(dǎo)流墻等部分。如若進出水口體型設(shè)計不合理，很可能造成水流脫流、回流、流速分布不均勻、流量偏流、攔污柵震動、漩渦等不良流態(tài)。為了保障發(fā)電工況和抽水工況均能安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行，進出水口的體型設(shè)計研究顯得尤為重要[3-6]。

1 工程概況

句容抽水蓄能電站站址位于江蘇省句容市境內(nèi)，距南京市約65 km、鎮(zhèn)江約36 km、句容縣城約26 km。本電站工程為一等大(1)型工程，樞紐建筑物包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞群和開關(guān)站等。輸水系統(tǒng)位于侖山主峰的山體內(nèi)，總長約1 368.3～1 403.4 m，其中引水系統(tǒng)總長約1 079.9～1 115.0 m，尾水系統(tǒng)總長約286.53 m。輸水系統(tǒng)主要包括上庫進/出水口、引水上平洞、引水調(diào)壓室、引水豎井、引水下平洞、引水鋼岔管、引水支管、尾水隧洞、下庫進/出水口等。引水系統(tǒng)采用三洞六機的布置方式，平面呈“Y”形。引水上平洞采用平行布置，在上平段末端設(shè)置引水調(diào)壓室，引水系統(tǒng)立面采用一級豎井布置，下平洞設(shè)三個鋼岔管，鋼岔管采用“Y”形，尾水系統(tǒng)采用單洞單機布置，平面呈直線且平行，尾水隧洞和下庫進/出水口采用45°斜井連接。下庫進/出水口位于下水庫右岸一小山脊上，采用側(cè)向岸坡塔式進/出水口。

2 模型試驗設(shè)計

2.1 模型設(shè)計

單體模型分為原方案體型和優(yōu)化方案體型。模型按重力相似準則設(shè)計，幾何正態(tài)。試驗幾何比尺選用λL=40。相應(yīng)的其他物理量比尺為：

水深比尺λH=40

流速比尺λV=400.5=6.325

流量比尺λQ=402.5=10 119.29

壓強比尺λp/γ=40

糙率比尺λn=401/6=1.849

單體模型模擬下水庫進出水口、斜井、閘門、尾水隧洞等建筑物，沿引渠來流方向模擬200 m左右，采取必要的整流措施，以保證試驗范圍內(nèi)的水流條件相似。建筑物模型全部采用透明有機玻璃按圖紙進行精確制作，引渠用水泥砂漿進行制作。單體模型布置見圖1、圖2和圖3所示。為了保證與基本資料一致，將導(dǎo)流墩尾部斷面樁號定為0+000.00 m。

圖1 單體模型布置(整體)

圖2 單體模型布置(局部)

圖3 下庫進出水口單體水工模型布置示意圖

2.2 量測設(shè)備

模型試驗由循環(huán)式供水系統(tǒng)供水。循環(huán)式供水系統(tǒng)由蓄水庫、水泵房、平水塔、供水管及回水槽等組成。蓄水庫容積2 000 m3，平水塔容積200 m3，塔內(nèi)設(shè)置平水設(shè)施。模型中各水力參數(shù)由211工程三期升級改造的水工混合模擬系統(tǒng)進行控制和量測，該混合模擬系統(tǒng)可同時對模型供水流量、64點流速、32點水位以及8個口門進行同步實時跟蹤測量及控制。

(1)流量控制及量測。模型進口流量利用電磁流量計控制和量測，精度為1%，并采用標(biāo)準矩形薄壁堰進行校核，以保證流量的準確性。

(2)流速量測。模型流速采用光電旋槳傳感器，配合計算機多點自動采集處理系統(tǒng)同步量測64點流速，局部測點用光電直讀式流速流向儀量測。

(3)水位(水深)量測。水位觀測同時由振動針式水位儀和水位測針進行觀測，前者可與計算機連接，后者由人工測量，便于兩者互相驗證。水位測針讀數(shù)精度可達0.1 mm。

2.3 測點布置

原方案單體模型布置了8個測流斷面，用于觀測進出水口的水流流態(tài)和流速分布。分別位于斜井上彎段(斷面1，樁號0+082.97 m)、閘門井(斷面2，樁號0+061.10 m)、擴散段入口(斷面3，樁號0+048.89 m)、擴散段(斷面4，樁號0+036.75 m；斷面5，樁號0+026.25 m；斷面6，樁號0+017.25 m)、攔污柵(斷面7，樁號0+010.25 m)和渠道(斷面8，樁號0-003.82 m)。各斷面的測流垂線根據(jù)孔道寬度按1～4條確定，順發(fā)電方向，孔道編號依次為1～4孔，流速測量斷面及測點位置布置圖見圖4所示。修改方案單體模型流速測量斷面及測點相對位置與原方案相同。

圖4 測速垂線布置圖

2.4 模型試驗內(nèi)容

模型試驗中，首先分析了句容上庫進出水口原設(shè)計體型在庫水位分別為65.00、72.00和81.00 m時，各工況下的出口流速分布、流量分配和水頭損失系數(shù)等水力特性。然后，在上述試驗基礎(chǔ)上對進出水口體型進行適當(dāng)優(yōu)化，進行進一步試驗。通過試驗結(jié)果，對比分析優(yōu)化體型的結(jié)構(gòu)改變對出流流態(tài)的影響情況。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 原設(shè)計體型試驗

原設(shè)計體型的進出水口平面總擴散角為28.72°，立面擴散角度為5.71°，擴散段長為34.00 m，擴散段進口斷面尺寸為6.80 m×5.30 m(高×寬)，攔污柵段長為10.80 m，防渦梁尺寸為l.50 m×1.20 m(高×寬)，凈間距為l.35 m，攔污柵槽寬度為0.80 m。平方段水平長度為11.00 m，斷面尺寸為6.80 m×5.30 m(高×寬)。平方段后接閘門井，閘門井后接直徑為6.80 m的引水隧洞，之間有11.00 m長的方變圓的漸變段。

原體型各試驗工況如表1所示。

表1 單體模型原體型各試驗工況表

(1)進/出水口流量分配及流速分布。試驗中觀測到出水口流量分配總體呈現(xiàn)對稱分布，中間兩孔流量稍大，左右兩邊孔流量略小，最大流量比為1.08，流量分配合理，滿足設(shè)計規(guī)范中流道比小于1.1的要求；進水口流量分配總體呈現(xiàn)對稱分布，中間兩孔流量稍小，左右兩邊孔流量略大，最大流量比為1.08，流量分配合理，滿足設(shè)計規(guī)范中流道比小于1.1的要求。各工況各孔流量比見表2(表中流量比定義為各孔過流流量與平均流量之比)。

表2 原方案各工況各孔流量比

表3給出了各工況下攔污柵斷面的流速不均勻系數(shù)。由表中數(shù)據(jù)可知，發(fā)電工況最大流速不均勻系數(shù)為2.12，超過設(shè)計標(biāo)準；抽水工況最大流速不均勻系數(shù)為1.38，滿足流速不均勻系數(shù)不超過1.5的規(guī)范要求(表3中流速不均勻系數(shù)定義為最大流速與平均流速之比)。

(2)進/出水口水頭損失。表4給出了各工況進出水口至引水隧洞各段水頭損失系數(shù)，具體是進出水口段和彎管段的水頭損失系數(shù)。各發(fā)電工況的各段水頭損失系數(shù)相近，進出水口段水頭損失系數(shù)平均值為0.653(其中，各發(fā)電工況閘門井段、擴散段、攔污柵段水頭損失系數(shù)平均值分別為0.241、0.399、0.011)，彎管段水頭損失系數(shù)平均值為0.366。各抽水工況的各段水頭損失系數(shù)相近，進出水口段水頭損失系數(shù)平均值為0.379(其中，各抽水工況閘門井段、擴散段、攔污柵段水頭損失系數(shù)平均值分別為0.152、0.203、0.022)，彎管段水頭損失系數(shù)平均值為0.622(為便于統(tǒng)一比較，表中水頭損失系數(shù)λ以隧洞順直段內(nèi)的斷面平均流速V為基準，λ=Hf/(V2/2g)，Hf為總水頭損失數(shù)值)。

表3 原方案各工況攔污柵斷面各孔流速不均勻系數(shù)

表4 原方案各工況水頭損失系數(shù)

3.2 優(yōu)化體型試驗

試驗表明原體型進出水口體型基本可行。但是由于頂板擴散角的影響，原方案體型在各發(fā)電工況下擴散段出口頂部存在反向流速。這導(dǎo)致攔污柵斷面的最大流速不均勻系數(shù)為2.18，超過設(shè)計要求。

圖5 原體型發(fā)電工況下進出水口頂板流態(tài)(側(cè)視圖，發(fā)電工況2，水位：72 m)

為了獲得更為良好的進出水口的水流流態(tài)，解決原體型中擴散段出口底、頂層流速過低和局部有陣發(fā)性回流的問題，在前述試驗的基礎(chǔ)上將原體型進出水口的出口高度由10.2 m降低到9.2 m，使得頂板擴散角由原方案5.71°變?yōu)?.04°。

原體型的模型試驗表明庫區(qū)水位對進出水口各孔道流量比、流速分布、水頭損失等影響不大，故優(yōu)化體型單體模型試驗取正常蓄水位72.0 m的運行工況進行研究。

(1)進/出水口流量分配及流速分布。試驗中觀測到發(fā)電工況流量分配總體呈現(xiàn)對稱分布，中間兩孔流量稍大，左右兩邊孔流量略小，最大流量比為1.07，流量分配合理，滿足設(shè)計規(guī)范中流道比小于1.1的要求；抽水工況流量分配總體呈現(xiàn)對稱分布，中間兩孔流量稍小，左右兩邊孔流量略大，最大流量比為1.08，流量分配合理，滿足設(shè)計規(guī)范中流道比小于1.1的要求。各工況各孔流量比見表5(表中流量比定義為各孔過流流量與平均流量之比)。

表5 優(yōu)化方案各工況各孔流量比

進/出水口流速分布較原方案相比有所均化。從垂線上來看，各孔流速分布總體為中下部大，頂部及底部小，各斷面無反向流速。由于水流紊動的不確定性，擴散段頂部局部區(qū)域偶爾可見回流，但存在時間短、強度小，對出流影響不明顯。從水平上來看，兩邊孔靠近中孔流速大，遠離中孔流速小，兩中孔中間流速大，兩側(cè)流速小。抽水工況下，進水口附近流態(tài)平順，上方水面平穩(wěn)，未見明顯凹渦。垂線方向上流速分布中下部較大，底部和頂部略小。水平方向上流速分布均勻。

表6給出了各工況下攔污柵斷面的流速不均勻系數(shù)。由表6中數(shù)據(jù)可知，發(fā)電工況最大流速不均勻系數(shù)為1.62，滿足規(guī)范要求；抽水工況最大流速不均勻系數(shù)為1.28，滿足規(guī)范要求(表6中流速不均勻系數(shù)定義為最大流速與平均流速之比)。

表6 優(yōu)化方案發(fā)電工況攔污柵斷面各孔流速不均勻系數(shù)

(2)進/出水口水頭損失。表7給出了各工況下出水口至引水隧洞各段水頭損失系數(shù)，具體是進出水口段和彎管的水頭損失系數(shù)。發(fā)電工況進出水口段水頭損失系數(shù)平均值為0.662(其中，閘門井段、擴散段、攔污柵段水頭損失系數(shù)分別為0.261、0.387、0.013)，彎管段水頭損失系數(shù)為0.415。抽水工況進出水口段水頭損失系數(shù)為0.360(其中，閘門井段、擴散段、攔污柵段水頭損失系數(shù)分別為0.143、0.192、0.025)，彎管段水頭損失系數(shù)為0.430。(為便于統(tǒng)一比較，表7中水頭損失系數(shù)λ以隧洞順直段內(nèi)的斷面平均流速V為基準，λ=Hj/[V2/(2g)]，Hj為總水頭損失數(shù)值)。

表7 優(yōu)化方案各工況水頭損失系數(shù)

4 結(jié) 語

進出水口單體模型試驗表明，優(yōu)化體型降低了擴散段出口高度，縮小了立面擴散角，擴散段水流流態(tài)較原方案得到有效改善，兩者的主要試驗結(jié)果對比見表8。主要結(jié)論有。

表8 原體型與優(yōu)化體型的主要試驗結(jié)果對比

(1)原方案與優(yōu)化方案各工況下，流道比均能滿足0.9～1.1的控制標(biāo)準；原方案各發(fā)電工況下各流道垂線不均勻系數(shù)都接近甚至超過了流速不均勻系數(shù)不大于2的控制標(biāo)準，體型優(yōu)化后，發(fā)電工況最大垂線流速不均勻系數(shù)為1.62，水流平順程度有了較大程度的改善，滿足設(shè)計要求。

(2)原方案抽水工況下平均水頭損失為0.379，優(yōu)化方案抽水工況下水頭損失為0.360；原方案發(fā)電工況下平均水頭損失為0.653，優(yōu)化方案發(fā)電工況下水頭損失系數(shù)為0.662，體型優(yōu)化前后，各工況下水頭損失系數(shù)變化不大。

(3)體型優(yōu)化后，擴散段近壁局部區(qū)域陣發(fā)性回流較原體型明顯減弱，發(fā)生區(qū)域縮小，存在時間縮短，水流擴散較好。綜上所述，進出水口的體型對擴散流動有明顯影響，體型優(yōu)化后的水流特性好于原體型。

□

[1] 陸佑媚,潘家錚.抽水蓄能電站[M]. 北京：水利電力出版社,1992.

[2] 梅祖彥.抽水蓄能技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,1988.

[3] 蔡付林,周建旭,曹 青.側(cè)式進/出水口體型與水力特性關(guān)系研究[C]∥2004年全國抽水蓄能學(xué)術(shù)年會論文集，2004.

[4] 饒英定,汪艷青,伍鶴皋. 卡隆卡水電站鋼岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2009,(6).

[5] 鄒敬民,高樹華,李寶紅，等,荒溝抽水蓄能電站上池側(cè)式進口和出口水力學(xué)試驗研究[J]. 水利水電技術(shù),1999,(3):42-44.

[6] 張從聯(lián),朱紅華,鐘偉強,等.惠州抽水蓄能電站上庫進出水口水力學(xué)模型試驗[J]. 水利水電科技進展,2004,24(6):13-16.