楊 剛，劉 健

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 400074)

石筍河四級水電站位于重慶市奉節(jié)縣石筍河。由于石筍河為典型的西南山區(qū)河流，水面比降大、水流急、水頭落差高，且平面布置受限制，需要設(shè)置長距離引水隧洞，總長為586.71m。本文通過數(shù)值模型計算分析，驗證石筍水電站長距離引水隧洞在特征工況下的水力變化過程及蝸殼壓力變化過程。

1 工況概況分析

1.1 工程概況

石筍河四級水電站工程設(shè)計等級為四級，正常蓄水位庫容為450萬m3，調(diào)節(jié)庫容為408萬m3。工程多年年均徑流量為32411m3/s，設(shè)計洪水位為451.69m，裝機容量為2×2400(一期)+4800(二期)=9600kW，多年平均發(fā)電量為2218kW·h。

其中，引水隧洞布置于左岸，為有壓隧洞，隧洞長587.72m，引水隧洞為圓形斷面，洞徑為5.5m，坡度為1.5∶10。進口底板高程438.00m，出口底板高程392.71m；沿線地面高程430～690m，埋深13～252m。

1.2 設(shè)計洪水

根據(jù)工程附近的把水寺站水文實測資料推算分析，工程段設(shè)計洪水計算結(jié)果見表1。

1.3 泥沙特性

根據(jù)工程附近把水寺站水文實測資料，工程河段多年平均懸移質(zhì)輸沙量為34.16萬t；多年平均推移質(zhì)輸沙量約為5.12萬t。泥沙輸移主要集中在6—10月。

1.4 水位、流量對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)工程附近把水寺站水文實測資料，工程段水位流量關(guān)系曲線如圖1所示，分析圖1可知，二者呈典型的乘冪曲線關(guān)系。

1.5 地形地貌及工程地質(zhì)

工程區(qū)地處新華夏系第三隆起帶和第三沉降帶之交接部位，亦即川鄂湘黔隆褶帶西北緣與四川沉降褶帶內(nèi)二級構(gòu)造-川東褶帶的接合部，其北緣與北西向的大巴山弧形構(gòu)造斜接、重接復(fù)合；在區(qū)域構(gòu)造上屬新華夏構(gòu)造體系。兩褶帶以齊耀山背斜為界，以南為新華夏系第三隆起帶，以北屬新華夏系第三沉降帶。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，無區(qū)域性斷裂通過，壓性和壓扭性斷層較發(fā)育，但規(guī)模不大。齊耀山背斜以東，區(qū)域一級褶皺構(gòu)造均呈NNE向展布，背斜兩翼往往不對稱，西北翼緩，南東翼陡，軸面時有扭轉(zhuǎn)。齊耀山背斜以西，從SW向NE，主要構(gòu)造線由NNE走向自然彎轉(zhuǎn)為近EW向，均消失于齊耀山背斜西北側(cè)，成為突向NW的弧形構(gòu)造帶。

表1 工程處石筍河設(shè)計洪水計算結(jié)果

圖1 工程處水位與流量關(guān)系曲線圖

石筍河分別流經(jīng)攔河壩向斜、梁橋背斜、巫山向斜、齊耀山背斜。在構(gòu)造形式上以褶皺變形為主，斷裂少見，區(qū)內(nèi)無深大斷裂分布，新構(gòu)造運動上升作用十分強烈，流水深蝕，形成高崖深谷，背斜成山，向斜成谷，主要山脈走向均與構(gòu)造線方向一致，使山峰巍峨聳立，巍然壯觀。

1.6 電站系統(tǒng)布置

廠區(qū)建筑物由主廠房、副廠房、升壓站、尾水建筑物等組成。廠址位于大壩樞紐下游1.1km鐵索橋處，廠房為岸邊式廠房，電站共裝機10000kW+4800kW+10000(備)kW。廠房總長45.4m，總寬31.0m。主廠房平行石筍河布置于左岸，副廠房布置于主廠房后側(cè)岸坡，尾水建筑物垂直主廠房布置。尾水建筑物垂直于廠房布置，正向出水，通過尾水隧洞銜接引向石筍河下游。升壓站為露天開敞式，位于廠房上游，長20.0m，寬12.0m。電站系統(tǒng)布置圖如圖3所示。

圖3 電站系統(tǒng)布置簡圖

2 數(shù)學模型建立與計算

2.1 模型建立

建立三維數(shù)學模型來分析典型工況下引水隧洞和蝸殼的水力過程及壓力分布。模型計算網(wǎng)格采用三角網(wǎng)格，間距設(shè)為3m，局部區(qū)域進行加密處理。整個模型共有46229個網(wǎng)格和58192個網(wǎng)格節(jié)點。其中，蝸殼處三維網(wǎng)格劃分如圖4所示。引水隧洞網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4 蝸殼網(wǎng)格劃分圖

圖5 引水隧洞網(wǎng)格劃分圖

2.2 工況選擇

根據(jù)文獻[9]～[12]對水輪機各類工況的分析，以及石筍河四級水電站實際運作情況，選擇水輪機機組在15s內(nèi)甩下100%負荷作為最大波動工況；選擇水輪機機組在12s內(nèi)甩下10%負荷作為最小波動工況。

選擇最大波動工況和最小波動工況這兩種工況作為典型工況進行研究分析。

3 數(shù)學模型計算結(jié)果與分析

3.1 最大波動工況

最大波動工況下，調(diào)壓井的水力變化過程如圖6所示。分析圖6可知，在水輪機機組甩下100%負荷后，調(diào)壓井內(nèi)的水位和流量都出現(xiàn)了周期性震蕩，其中波動周期約為710s，波動周期內(nèi)水位波峰為2822.6m，波谷為2769.1m，振幅達到53.5m。最大水位出現(xiàn)在210s左右區(qū)域。流量波動周期與水位波動周期基本一致，最大流量為205.3m3/s。

圖6 最大波動工況下水力變化過程

最大波動工況峰值處葉輪壓力、葉輪渦量、蝸殼壓力、管道壓力分布如圖7所示，分析可知：

(1)最大波動工況峰值下，葉輪邊角切割水流，產(chǎn)生較大靜壓，最大可達到4.32×105Pa，小于設(shè)計閾值3.5×106Pa，滿足穩(wěn)定要求。同時，在葉輪邊角渦量較大，產(chǎn)生多處明顯漩渦。

(2)最大波動工況峰值下，蝸殼最大壓力約為1.92×105Pa，小于設(shè)計閾值3.0×106Pa；管道最大壓力為5.45×105Pa，小于設(shè)計閾值6.8×106Pa，均滿足穩(wěn)定要求。

圖7 最大波動工況下峰值水力特性數(shù)值模擬結(jié)果

3.2 最小波動工況

最小波動工況下，調(diào)壓井的水力變化過程如圖8所示。分析圖8可知，在水輪機機組甩下10%負荷后，調(diào)壓井內(nèi)的水位和流量都出現(xiàn)了周期性震蕩，其中波動周期約為710s，波動周期內(nèi)水位波峰為2812.33m，波谷為2763.28m，振幅達到49.05m。最大水位出現(xiàn)在210s左右區(qū)域。機組出力在經(jīng)過15s震蕩后基本維持在12.8萬kW，較為穩(wěn)定。

圖8 最大波動工況下水力變化過程

最小波動工況峰值處葉輪壓力、葉輪渦量、蝸殼壓力、管道壓力分布如圖9所示，分析可知：

(1)最小波動工況峰值下，葉輪最大靜壓可達到3.19×105Pa，小于設(shè)計閾值3.5×106Pa，滿足穩(wěn)定要求。同時，在葉輪邊角渦量較大，產(chǎn)生多處明顯漩渦。

(2)最小波動工況峰值下，蝸殼最大壓力約為1.39×105Pa，小于設(shè)計閾值3.0×106Pa；管道最大壓力為1.18×105Pa，小于設(shè)計閾值6.8×106Pa，均滿足穩(wěn)定要求。

(3)在最小波動工況下，水流對管道的壓力大幅下降。

圖9 最小波動工況下峰值水力特性數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié)論

為研究長距離引水隧洞水力過渡過程壓力分布規(guī)律，同時為石筍河四級水電站運營提供依據(jù)，本文建立三維數(shù)學模型計算、分析，得到以下結(jié)論：

(1)在水輪機機組甩去部分或者全部負荷后，調(diào)壓井內(nèi)的水位和流量都出現(xiàn)了周期性震蕩，波動周期均在710s左右，其中最大波動工況震蕩幅度約為53.5m；最小波動工況震蕩幅度約為49.050m。

(2)在各工況下，葉輪壓力、蝸殼壓力、管道壓力均小于設(shè)計閾值，滿足穩(wěn)定要求?？傮w來看，實例工程引水隧洞在各工況下運行較為穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。

(3)針對機組甩去其他比例負荷的工況，以及各臺水輪機甩去負荷比例不同的工況有待進一步分析研究。