梁艷梅 郭 敏 肖益民 徐蒯東 盤曉紅

白鶴灘水電站夾墻風管流動特性的模型試驗研究（一）

梁艷梅1郭 敏1肖益民1徐蒯東2盤曉紅2

（1.重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院 重慶 400030；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 杭州 311100）

為滿足地下水電站廠房的通風組織要求，需在廠房墻體和硐室?guī)r體壁面之間的夾墻空間設置大量風管。為使風管安裝適應巖壁錨索，提出了風管在錨索對應位置“穿孔”的解決方案。建立幾何比例為1:2的夾墻風管通風流動相似試驗模型，研究“穿孔”對夾墻風管通風道影響，通過試驗證明了方案的可行性，并對比了風機的不同安裝位置對系統(tǒng)風量的影響，結果表明，不同安裝位置下的系統(tǒng)風量無明顯差異。該結論可為類似工程建設提供理論支撐和設計參考。

水電站地下廠房；夾墻風管；巖壁錨索；相似模型試驗

0 引言

地下水電站的生產(chǎn)工藝過程基本相同，廠房布置和通風流程也具有很多共性。主廠房和主變洞的內部功能各層功能房間，多利用墻體與硐室?guī)r體壁面之間的夾墻空間設置風管來組織通風[1-3]。白鶴灘水電站位于我國西南，裝機容量16000MW，為當今世界上規(guī)模最大的地下廠房水電站，其主廠房的通風流程如圖1所示，空氣由發(fā)電機層經(jīng)夾墻風管并列送入中間層、水輪機層、蝸殼層，水輪機層及蝸殼層的排風經(jīng)夾墻風管回到中間層，統(tǒng)一排入母線洞。

（a）白鶴灘水電站主廠房通風流程圖

（b）白鶴灘水電站主廠房剖面通風流程圖

圖1 白鶴灘水電站主廠房通風流程圖

Fig.1 Ventilation flow chart of the main plant of Baihetan Hydropower Station

在夾墻空間內，對巖壁起支護作用的錨索[4]頭部和巖壁在施工時的超挖、欠挖情況，使夾墻空間中巖壁一側凹凸不平，特別是錨索頭部和錨桿，會在巖體壁面凸起一定高度，使得在原本就很狹窄的空間內設置風管更加困難，其中空間巖壁和錨索的現(xiàn)場施工圖見圖2。為在這樣的夾墻空間內順利安裝風管并保證其完整性，需要對風管結構進行一定的處理。基于此，本文提出了風管在錨索對應位置“穿孔”的解決方案，通過相似模型試驗研究采取一定處理措施后的夾墻風管的流動特性，并驗證其可行性，以供類似工程建設和設計提供參考。

1 解決方案的提出

白鶴灘水電站主廠房與主變洞共設計有40種不同尺寸的夾墻風管系統(tǒng)，它們均由兩個風口、兩個彎頭和一端豎直管段，以及設置在出風口附近的軸流風機組成。其中豎直管段的長度由風管連接的兩個空間的垂直距離決定，兩風口分別安裝在需要輸送空氣的兩個空間，進出口安裝蛋格式風口，整個風管完全安裝在廠房的墻壁與巖體之間的夾墻空間中。支護巖體的錨索，其索頭裸露在夾墻空間中[5]，整個水電站中共存在兩種索頭形式見圖3?？紤]風管最大寬度尺寸為4m，錨索布置情況呈3.8m×3.6m矩形布置，因此錨索與夾墻風管的投影位置關系可分為以下三種情況：（1）錨索投影在夾墻風管內（橫向不可能出現(xiàn)兩個索頭的情況）；（2）錨索投影在夾墻風管邊界上；（3）錨索投影在夾墻風管外。正向投影位置關系見圖4?？梢园l(fā)現(xiàn)三種投影關系中第一種情況中，錨索對風管的影響最大，因此本文主要研究第一種情況下，錨索對風管影響的解決方案。

（a）2000kN錨索索頭

（b）2500kN錨索索頭

圖3 水電站內索頭形式

Fig.3 Cable head form in Hydroelectric power station

以發(fā)電機層至中間層的夾墻送風管為例，并參考土建專業(yè)錨索布置資料圖，夾墻風管的結構形式及風管與錨索的側向投影位置關系如圖5所示。

如果忽略巖壁錨索凸起的實際影響，安裝夾墻風管可能無法實施，或發(fā)生變形破壞?，F(xiàn)提出一種解決方案，使夾墻風管避開錨索。根據(jù)錨索與風管的投影位置關系，現(xiàn)擬采取改變風管結構的方案，即保持夾墻風管的0，1，（見圖4、圖5）不變，將夾墻風管上錨索投影對應位置挖空，將可能出現(xiàn)擠壓變形的位置完全避開，由圖3可知，外露索頭的最大尺寸為760mm×760mm，因此采用挖空尺寸寬度800mm×800mm，考慮兩種不同挖空方案見圖6，這樣改變風管結構勢必會改變風管內部的流通尺寸和形狀，可能對通風造成影響。

圖4 白鶴灘水電站錨索與夾墻風管投影關系圖

圖5 夾墻風管安裝布置與錨桿的相對位置投影關系圖

圖6 對應原型的模型風管和試驗模型風管圖（單位：mm）

2 試驗系統(tǒng)的設計和測試方法

2.1 相似設計

在幾何相似的前提下，動力相似是運動相似的表現(xiàn)。待研究的問題為水電站夾墻通風時風管的流動特性，屬于壓差作用下粘性力控制的流動問題，重力對流動沒有顯著的影響，壓力是粘性力和慣性力的合成，歐拉數(shù)是被動的，故應采用雷諾模型律作為相似判別的依據(jù)進行相似模型試驗設計。局部流動阻力系數(shù)主要取決于系統(tǒng)的幾何形狀、Re數(shù)、邊界粗糙度和邊界對流動的干擾，紊流條件下Re數(shù)的影響甚微，當流動狀態(tài)變?yōu)槲闪骱螅芸炀瓦M入紊流粗糙區(qū)[6,7]。由于局部幾何變形對流動的影響，當Re>4000時，試驗風管內的流動已進入紊流粗糙區(qū)。經(jīng)計算，原型風管流動Re數(shù)遠大于模型，因此，可以采用“自模型區(qū)”的概念開展試驗，即保證模型和原型的幾何相似，并且使模型風管流動處于紊流粗糙區(qū)，即可實現(xiàn)流動相似。

2.2 模型試驗系統(tǒng)和試驗方法

2.2.1 模型試驗系統(tǒng)設計

水電站地下廠房中夾墻風管的形式一致，但尺寸大小繁多，綜合考慮到時間、人力和各種成本等因素，考慮到挖空后方便安裝與測試，現(xiàn)選取位于主廠房發(fā)電機層至中間層的一種尺寸的夾墻風管作為原型進行試驗系統(tǒng)的設計，其主要尺寸為=4000mm，1=500mm，0=800mm，=8.9m。其中，根據(jù)風管與錨索的投影圖，可以知道在該風管的豎直管段的位置存在兩根錨索，其錨索索頭形狀見圖2（b）。根據(jù)試驗場地的限制和可選擇的風機尺寸，采用的幾何比例尺為1:2。挖空方案中，考慮到風管模型的制作和實際工程中風管截面的長寬比，將豎直方向上錨索索頭對應處挖空，避開索頭位置。共考慮三種試驗模型：兩個索頭位置同時挖空；兩個索頭及中間部分挖空；兩個索頭及中間部分挖空，同時豎直管段壓扁40%。各方案挖空的風管模型圖見圖7。

圖7 對應原型的模型風管和挖空后的模型風管圖（單位：mm）

至于風機安裝位置對夾墻風管系統(tǒng)流動特性的影響，通過在出風口處加長直管段來改變風機的安裝位置。原型風管中風機安裝位置離出風口的彎頭比較近，為了使管內流動流出局部構件——彎頭具有均勻的流速分布與脈動強度，現(xiàn)試驗加長的直管段長度分別為2de=0.9m和7.2de=3.2m兩種情況，其中de為夾墻風管豎直段的當量直徑。加長后的試驗系統(tǒng)見圖8。

采用1.0mm厚的鍍鋅鐵皮作為風管材料。蛋格式風口按照水電站中蛋格風口的格柵間距進行定做。在出風口安裝與原型設計類型和數(shù)量相同的風機，為了使風機工況可以調節(jié)，以便在多種工況下對比驗證挖空及挖空加壓扁方案和改變風機位置對系統(tǒng)造成的影響，出風口的四臺風機并聯(lián)安裝并可單獨控制，同時安裝一臺調壓器對風機的運行工況進行調節(jié)，其中風機運行工況考慮五種，分別是工況一：電壓為220V，風機全開；工況二：電壓220V，風機開3臺；工況三：電壓220V，風機開2臺；工況四：電壓為160V，風機全開；工況五：電壓為125V，風機全開。由前文分析可知，夾墻風管是地下廠房內部通風網(wǎng)絡中的主要通風路徑，主要作用是輸送廠房內的空氣從而確保設備運行環(huán)境的安全，因此對挖空及挖空加壓扁方案的可行性以及風機安裝位置造成的影響的論證是通過夾墻風管系統(tǒng)風量來衡量的。

模型試驗系統(tǒng)現(xiàn)場圖見圖9。

圖8 改變風機安裝位置的模型圖（單位：mm）

圖9 模型試驗系統(tǒng)現(xiàn)場圖

2.2.2 試驗方法與儀器

本試驗采用測試斷面風速的方法來計算系統(tǒng)風量。試驗要求盡量減少氣流擾動對測量結果的影響，應盡可能選在氣流分布均勻穩(wěn)定的直管段，避開產(chǎn)生渦流的局部阻力構件（如彎頭、三通、變徑管及閥門等），模型風管中將測量斷面選擇在兩個彎頭之間的直管段上，距離彎頭2.65m（6de）處[8]。

為了確保準確性，本試驗采用兩種不同的儀器（儀器1：多點風速儀；儀器2：熱球風速儀探頭和testo480多功能測試儀結合）來測量風管斷面風速，數(shù)據(jù)采集時間間隔為1s，每個測點的測試值為采集兩分鐘測試數(shù)據(jù)的平均值，最后取各測點的平均速度作為該斷面的氣流速度。測試斷面上的測點分布如圖10（a），但在同時挖空的情況下，距離6de斷面處于挖空處，因此會有（3）（4）位置兩個測點處于空缺狀態(tài)下，詳細測點布置圖見圖10（b）。

在測試過程中，四種試驗模型中方案3為最不利的一種，這種工況用兩種不同的測速儀器對系統(tǒng)同一斷面風速的測試結果如圖11所示，其中測試斷面的尺寸為1600mm×150mm。

（a）對應原型的模型風管測量斷面測點布置圖（單位：mm）

（b）對應同時挖空的模型風管測量斷面測點布置圖（單位：mm）

圖10 模型風管測量斷面測點布置圖（單位：mm）

Fig.10 Model duct survey point layout

圖11 風機在彎頭處不同工況下兩種儀器測試結果

注：圖中測量溫度變化范圍為19℃～20℃，大氣壓力為988hPa空氣密度為1.17539kg/m3。

多點風速儀可以多個測試點同時測試，以保證測出的數(shù)據(jù)是同一時刻的速度，且從圖11可以看出，儀器1和儀器2測出的數(shù)據(jù)偏差都在5%以內。因此后文系統(tǒng)風量均為儀器1多點風速儀測出的速度計算獲得，為了減小隨機誤差，對同一種工況重復測試3次。下文的系統(tǒng)風量為：

式中，為斷面風速，m/s，是多點風速儀三次測試的平均值；和1為測試斷面長和寬的實際尺寸，m。

2.2.3 試驗誤差分析

多點風速儀精度為±0.15m/s（0～5m/s），測量卷尺的精度±0.5mm。風量的誤差可根據(jù)相對誤差傳遞公式[9]計算。取2.2.2節(jié)中，方案3中220V情況下開四臺風機的速度和尺寸計算綜合誤差，其中=1600mm，1=150mm，=3.27m/s，則絕對誤差σ=0.036m3/s，計算方案3中測試風量為Q=0.785m3/s，則相對誤差=σ/×100%=4.6%。

3 試驗結果及分析

3.1 挖空前后系統(tǒng)風量對比

風機安裝位置與工程中相同，即在彎頭處時，分別測試對應原型的模型風管：方案1、方案2、方案3。不同方案風量與原型風管的風量對比的風量系數(shù)（風量系數(shù)=方案風量/原型風量）的結果如圖12所示。

圖12 壓扁前后系統(tǒng)風量對比圖

以原型風管的風量為基準，對比變形之后風管的風量變化率（風量變化量=丨方案風量-原型風量丨/原型風量），其變化率見表1。

表1 壓扁后的模型風管系統(tǒng)風量變化率（%）

從表2中風量變化率可以看出，與原型風量對比，這五種工況下任意一種工況的變化率均在10%以內，在工程允許誤差范圍內。同時也可以發(fā)現(xiàn)，相同模型中，工況三和工況五的變化率相對偏大，但偏差也在10%以內，因此可以認為挖空壓扁之后的風管對系統(tǒng)風量影響不大，則可以認為該方案可行。

3.2 風機在不同位置處對系統(tǒng)風量的影響

考慮挖空和壓扁兩種變形同時存在的情況可能是對風機最不利的情況，因此方案3的情況，風機安裝在彎頭處對風機的影響可能最大。則以方案3的模型風管為研究對象，使風機安裝位置分別位于出風口彎頭處、直管段加長2de和直管段加長7.2de來改變風機的安裝位置（見圖7），測試在不同的風機運行工況下系統(tǒng)的風量系數(shù)，結果如圖13所示。

圖13 風機在不同安裝位置時系統(tǒng)風量對比圖

以方案3的模型風管風機在彎頭處的風量為基準，計算改變風機位置后系統(tǒng)的風量變化率，如下表2。

表2 改變風機位置的模型風管系統(tǒng)風量變化率（%）

從表3中風量變化率可以看出，5種不同運行工況下，改變風機位置后，系統(tǒng)風量變化率絕對值在3%以內，可以認為風機安裝位置對系統(tǒng)風量影響不大。

4 結論

根據(jù)以上測試結果分析，可以得出以下結論：

（1）將夾墻風管與錨索沖突的位置挖空，使風管避開錨索索頭影響的兩種處理方案，即將風管在兩個索頭對應位置獨立挖空或索頭部位及中間連通部分同時挖空，對夾墻風管系統(tǒng)風量的影響均在10%以內，處于工程允許的偏差范圍內。因此在施工過程中，夾墻風管遇到錨索影響的情況下，可以參考上述兩種挖空處理方案。

（2）將風管對應兩個索頭部位及中間連通部分挖空，并同時將風管豎直部分的厚度壓縮40%，對夾墻風管系統(tǒng)風量的影響也在10%以內。故工程中如夾墻風管遇到錨索影響的同時，還存在巖壁凹凸不平等土建因素的影響，還可參考本試驗結果進一步壓縮風管的厚度。

（3）夾墻風管系統(tǒng)中風機位置位于出口彎管附近，與位于出口彎管后加長的直管段2de、7.2de處，系統(tǒng)風量并無明顯差異，說明工程中可將風機安裝在出口彎管附近處。

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Model Test Study on Flow Characteristics of Clamped Wall Duct of Baihetan Hydropower Station（one）

Liang Yanmei1Guo Min1Xiao Yimin1Xu Kuaidong2Pan Xiaohong2

( 1.Chongqing University, College of Construction and Environmental Engineering, Chongqing, 400030;2.Huadong Engineering Co., Ltd, Hangzhou, 311100 )

In order to meet the ventilation requirements of each part of the underground hydropower station, a large number of air ducts should be installed in the clamped wall space between the wall of the workshop and the wall surface of the cave rock. In order to adapt the installation of the air duct to the anchor cable of rock wall, a solution for the "perforation" of the air duct at the corresponding position of the anchor cable is proposed. A similar test model for the ventilation flow of the wall duct with a geometric ratio of 1:2 was established to study the influence of "perforation" on the air duct of the wall duct. The feasibility of the scheme was proved by experiments, and the influence of different installation positions of the fan on the air volume of the system was compared. The results show that there is no significant difference in system air volume at different installation positions. This conclusion can provide theoretical support and design reference for similar projects.

underground power station; clamped wall duct; anchor rope; similarity model test

TU834

A

1671-6612（2019）05-471-07

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司科研項目“白鶴灘水電站超大型復雜通風空調系統(tǒng)氣流交互及網(wǎng)絡平衡優(yōu)化研究”資助；國家自然科學基金項目（51678088）資助

梁艷梅（1994.8-），女，在讀碩士研究生，E-mail：99211449@qq.com

肖益民（1974.2-），男，教授，博導，E-mail：xiaoyimin1974@126.com

2019-03-15