呂炎浩

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

某取水首部地下電站水工模型試驗(yàn)研究

呂炎浩

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

目前國內(nèi)隧洞的消能型式有多種，某取水首部地下電站采取錐形閥進(jìn)行消能，為研究其消能方案的可行性，判斷各部位水面線狀態(tài)及有無明滿流交替現(xiàn)象，現(xiàn)采用水工模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。文中綜合闡述了模型的設(shè)計(jì)、制作、量測裝置、量測方法及試驗(yàn)成果。

取水首部；地下電站；水工模型；水面線；錐形閥

1 工程概況

某取水首部地下電站為有壓引水式的地下廠房，取水首部有進(jìn)水口、有壓隧洞（2條）、地下廠房、尾水隧洞組成。取水口為獨(dú)立式進(jìn)水口，其尺寸為33.3 m×（13～18.5）m（長×寬），總高度為56.8 m。取水口后接有2條長為178.04 m的圓形壓力隧洞，洞徑為4.5 m,隧洞起點(diǎn)底板高程為258.2 m。每條壓力隧洞在末端分岔，分別與廠房內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組和錐形消能閥相接。

地下式廠房設(shè)在進(jìn)水口后178.04 m處的山體內(nèi)，樁號為0+178.04～0+198.44 m，其平面尺寸為95 m×20.4 m（長×寬），廠房高度為36.06 m。廠房內(nèi)設(shè)有2臺水輪發(fā)電機(jī)組（單臺裝機(jī)容量為1.3 MW）和2臺直徑為2.4 m的錐形消能閥。2臺機(jī)組布置在中間，機(jī)組間距為17.0 m。錐形閥布置在機(jī)組的兩側(cè)，與機(jī)組間距為17.0 m，每臺設(shè)備均設(shè)有單獨(dú)的尾水壓力洞，各尾水壓力洞在末端交匯到一起并與下游主洞相接。機(jī)組與錐形閥的安裝高程均為254.00 m。錐形閥出口為淹沒式出流，淹沒深度為12.34 m。錐形閥出口接壓力尾水洞長60 m，在距錐形閥出口23 m處，設(shè)有平板尾水檢修閘門。尾水洞斷面尺寸為5 m×5 m，尾水洞末端由壓力水流轉(zhuǎn)換為無壓水流與機(jī)組尾水洞匯合。尾水洞采用現(xiàn)澆混凝土襯砌。

2 試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

該工程輸水流量為10～90 m3/s，水庫水位變化范圍為265～309.09 m，水頭變幅大，由于水輪機(jī)組適用水頭范圍有限，在低水頭情況下機(jī)組無法正常工作，并且為保證電站機(jī)組檢修（或事故）時不影響供水，在機(jī)組兩側(cè)布置2個旁通管，旁通管上安裝直徑為DN2400的錐形調(diào)流閥及檢修蝶閥，調(diào)流閥與水輪機(jī)配合共同完成該段的調(diào)流和消能任務(wù)。

機(jī)組與錐形閥尾水與無壓輸水隧洞相接，為了避免輸水隧洞出現(xiàn)明滿流交替，需保證隧洞凈空（大于15%）。機(jī)組發(fā)電尾水位可保證引水流量與水流穩(wěn)定性的要求。由于錐形閥消能率為70%～80%左右，水流剩余能量容易引起輸水隧洞的水位波動，影響隧洞的輸水安全。

水面線的研究通常采用試驗(yàn)測量、理論計(jì)算以及數(shù)值模擬等。根據(jù)連續(xù)方程和能量方程得到的水面線數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)行的水面線計(jì)算方法多為試算數(shù)學(xué)模型。然而現(xiàn)階段數(shù)值計(jì)算的方法還不夠成熟，很多時候更直接采用水工模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行水面線的測量繪制。

該次水工模型試驗(yàn)?zāi)康脑谟隍?yàn)證調(diào)流閥消能方案設(shè)計(jì)的可行性，保證尾水水流平穩(wěn)進(jìn)入輸水隧洞。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

水工模型試驗(yàn)的主要研究內(nèi)容有：

1）研究尾水閘門井處水流流態(tài)以及水位波動情況，閘門井是否有噴水現(xiàn)象，氣流狀況，以及對運(yùn)行人員安全的影響。

2）論證消力池內(nèi)水流銜接情況、尾水交匯洞室內(nèi)水面波動情況，水面以上凈空不能小于15%，水位波動不超過0.3 m。研究消除水面波動措施。

3 模型設(shè)計(jì)

3.1 模型設(shè)計(jì)及制作

模型依據(jù)重力相似原則設(shè)計(jì)，長度比尺為30∶1，各物理量模型比尺見表1。模型閥直徑80 mm，原型最大水頭52 m，采用3 m高的高位水箱給模型供水；進(jìn)口段采用變態(tài)模型，模擬錐形閥前50 m，只保證阻力相似；下游模擬附件支洞出口后20 m；模型全部由有機(jī)玻璃制作，可以基本滿足糙率相似要求。

表1 模型試驗(yàn)各物理量比尺表

3.2 量測裝置和量測方法

該次模型試驗(yàn)：

1）進(jìn)口采用電磁流量計(jì)或者超聲波流量計(jì)計(jì)量流量，出口采用三角形量水堰校核流量。流量在上游設(shè)流量計(jì)量測，在下游設(shè)直角三角形量水堰量測，模型流量計(jì)算公式：

式中：Q——流量，m3/s；H——堰上水頭，m。

2）上、下游水位由固定水尺讀取，量水堰水位讀數(shù)用精度為0.1 mm的固定測針施測。

3）水面線用固定水尺和鋼尺直量取。

4）試驗(yàn)采用照相機(jī)或者攝像機(jī)進(jìn)行照相與攝像。

4 試驗(yàn)成果

試驗(yàn)對1號、2號錐閥壓力尾水洞出口和1號與2號錐閥壓力尾水洞出口之間的無壓尾水洞的水面線進(jìn)行施測，各工況無壓尾水洞水面線見表2。

試驗(yàn)成果表明：尾水閘門井的水面基本與壓力尾水洞出口的水面相近；在錐閥全開時，閘門井內(nèi)水面波動隨錐閥過流量的增大而增大；實(shí)測各工況下的最高水面都在267.9 m以下。2號錐閥壓力尾水洞出口后，水面沿程略有壅高；無壓尾水洞內(nèi)沿程水面平順，水面波動值均在0.1 m以下，各工況無壓尾水洞水面波動見表3。

表2 各工況無壓尾水洞水面線成果匯總表

表3 各工況無壓尾水洞水面波動成果匯總表

5 研究結(jié)論

采用水工模型試驗(yàn)的方法對取水首部地下電站采取錐形閥消能后各部位水面線狀態(tài)及明滿流交替現(xiàn)象進(jìn)行了研究，較好的判斷了消能方案的可行性。通過試驗(yàn)成果分析，可得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)有壓尾水洞處于滿水狀態(tài)，開啟錐形閥時，尾水閘門井水面變化平穩(wěn)，未有不利流態(tài)出現(xiàn)。尾水閘門井的水面基本與壓力尾水洞出口的水面相近；在錐閥全開時，閘門井內(nèi)水面波動隨錐閥過流量的增大而增大；實(shí)測各工況下的最高水面都在267.9 m以下。建議只在有壓尾水洞處于滿水開啟閥門，安裝旁通管以保證有壓，安裝檢修抽水水泵。

2）壓力尾水洞出口的無壓尾水洞內(nèi)水流平順，水面波動值均在0.1 m以下，滿足水面波動值小于0.3 m的要求。

［1］趙經(jīng)華.某隧洞出口段水工模型試驗(yàn)研究［J］.人民黃河，2010（1）.

［2］袁榮庫，任玉平.彎彎川水電站引水發(fā)電隧洞水工模型試驗(yàn)研究［J］.黑龍江水利科技，2012（11）：10-11．

［3］梁文龍，李貴平，余躍.隧洞進(jìn)水口及洞內(nèi)消能水工模型試驗(yàn)研究［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（3）：95-100.

TV731 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

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2016-08-18