宋 勇

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

0 引言

目前，西南地區(qū)已建或在建的幾十座大型水電站為了避免大規(guī)模地開挖山體，造成圍巖應(yīng)力的破壞，均將施工前期的導(dǎo)流洞改建成發(fā)電尾水洞，如二灘、溪洛渡和烏東德等大型水電站。但由于導(dǎo)流洞與尾水洞所承擔(dān)的任務(wù)不同，它們的布置形式通常也不盡相同，尾水洞的底部高程低而平緩，導(dǎo)流洞的底部高程相對較高，因此導(dǎo)流洞改建尾水洞會(huì)抬高尾水洞出口的底部高程[1-3]，其結(jié)果，一方面，尾水洞與下游河床的銜接方式不再是單一的斜坡銜接，也可以采用開挖量不大的平底銜接；另一方面，尾水位變幅較大的電站的下游尾水位可能會(huì)低于或接近于尾水洞洞頂高程。國內(nèi)學(xué)者丁振華等[4]結(jié)合某尾導(dǎo)結(jié)合型電站的水力模型試驗(yàn)，指出下游尾水位在尾水洞出口洞頂附近時(shí)，過渡過程中尾水洞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象，伴隨的壓力交變會(huì)對尾水洞襯砌造成破壞。因而對于尾水位變幅較大的尾導(dǎo)結(jié)合型電站，上述特殊的水力學(xué)現(xiàn)象均有可能發(fā)生，加之尾水洞出口與下游河床的銜接方式的多樣化，使尾水系統(tǒng)的水力特性變得更加復(fù)雜。因此為了澄清這些復(fù)雜因素的綜合影響，本文結(jié)合某尾導(dǎo)結(jié)合型電站引水發(fā)電系統(tǒng)的整體水工模型試驗(yàn)，研究不同尾水洞出口底坡對尾水洞內(nèi)不同流態(tài)的過渡過程中尾水調(diào)壓室的涌浪特性的影響。

1 模型簡介及典型試驗(yàn)工況

針對該水電站1#和2#機(jī)組組成的典型水力單元，依據(jù)相似原理和重力相似準(zhǔn)則，建立線性比尺為1:60的正態(tài)模型。整體水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄒ艿?、水輪機(jī)蝸殼、尾水管、尾水調(diào)壓室(兩機(jī)共用)、尾水洞(含部分導(dǎo)流洞)、尾水洞閘門井、尾水洞出口銜接段及出口下游河道。下游河道依據(jù)真實(shí)河道的地形圖采用磚石混凝土制作而成，整個(gè)物理模型的制作誤差不超過3%，滿足試驗(yàn)要求，該電站尾水系統(tǒng)的縱剖面見圖1。

在該物理模型試驗(yàn)中，尾水洞出口與下游河床的銜接方案有兩種：①尾水洞出口與下游河床采用斜坡銜接，i=25%的坡度；②尾水洞出口與下游河床采用平底銜接，i=0%的坡度，如圖2所示：

圖1 某水電站尾水系統(tǒng)的縱剖面

圖2 尾水洞的兩種出口銜接方案

為了研究尾水洞內(nèi)不同流態(tài)的過渡過程中尾水調(diào)壓室內(nèi)的涌浪特性，可根據(jù)尾水洞內(nèi)發(fā)生明滿流的過渡過程時(shí)所對應(yīng)的臨界尾水位，選取典型的試驗(yàn)工況，見表1。

表1 某水電站典型的試驗(yàn)工況

尾水洞出口頂部高程為396m，工況D1的下游尾水位高于尾水洞出口頂部高程及上臨界上限尾水位，則雙機(jī)甩負(fù)荷過程中尾水洞內(nèi)自始至終為滿流。工況D2和D3的下游尾水位在尾水洞出口頂部高程附近，介于上臨界下限尾水位和下臨界尾水位，則雙機(jī)甩負(fù)荷過程中尾水洞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)文獻(xiàn)[3]提出的特殊水力學(xué)現(xiàn)象—明滿流交替。工況D4、D5和D6的下游尾水位均低于尾水洞出口頂部高程及下臨界尾水位，則雙機(jī)甩負(fù)荷過程中導(dǎo)流洞改建尾水洞內(nèi)始終為明流，而導(dǎo)流洞上游段尾水系統(tǒng)內(nèi)為滿流。本文試驗(yàn)成果按水力過渡過程中導(dǎo)流洞改建尾水洞內(nèi)呈現(xiàn)的三種流態(tài)分別進(jìn)行現(xiàn)象描述和機(jī)理分析。

2 試驗(yàn)成果及機(jī)理分析

2.1 導(dǎo)流洞內(nèi)為滿流的過渡過程中尾水調(diào)壓室水位波動(dòng)

導(dǎo)流洞改建尾水洞內(nèi)為滿流的過渡過程中，兩種尾水洞出口底坡方案下尾水調(diào)壓室內(nèi)的水位約以165s周期的正弦曲線衰減，如圖3所示，與公式(2)的計(jì)算結(jié)果一致，調(diào)壓室內(nèi)涌浪幅值最高達(dá)19.5m。

圖3 工況D1不同銜接方式下尾水調(diào)壓室水位波動(dòng)

如果不計(jì)水頭損失，機(jī)組棄全負(fù)荷時(shí)尾水調(diào)壓室水位波動(dòng)振幅Z[5]為：

(1)

(2)

式中：V0——尾水洞內(nèi)流速；f——尾水洞斷面積；L——尾水洞有壓段長度；F——調(diào)壓室斷面積。

式(1)表明：尾水調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)振幅Z與尾水系統(tǒng)有壓段長度、調(diào)壓室斷面積、尾水洞斷面積和機(jī)組引用流量有關(guān)。當(dāng)尾水系統(tǒng)有壓段長度越長，調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)振幅越大；反之，越小。由于水力過渡過程中尾水洞內(nèi)始終為滿流時(shí)，兩種尾水洞出口底坡方案下尾水系統(tǒng)有壓段長度相等，故調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)振幅相同且變化趨勢一致。此外，工況D1的有壓斷長度和機(jī)組引用流量均較其它典型工況大，因而工況D1下調(diào)壓室水位波動(dòng)振幅也是所有典型工況中最大的。

2.2 導(dǎo)流洞內(nèi)為明滿流的過渡過程中尾水調(diào)壓室水位波動(dòng)

圖4 工況D2不同銜接方式下尾水調(diào)壓室水位波動(dòng)

圖5 工況D3不同銜接方式下尾水調(diào)壓室水位波動(dòng)

導(dǎo)流洞改建尾水洞內(nèi)為明滿流的過渡過程中，兩種尾水洞出口底坡方案下尾水調(diào)壓室水位約以180s周期的正弦曲線衰減(如圖4、圖5所示)，且水位波動(dòng)振幅最高達(dá)19m。隨著機(jī)組甩負(fù)荷，經(jīng)過機(jī)組的流量減小，尾水洞內(nèi)呈現(xiàn)退水波，導(dǎo)流洞改建尾水洞洞頂出現(xiàn)氣囊，并隨著洞內(nèi)水位下降氣囊長度逐漸增長，且最終在調(diào)壓室內(nèi)水位與下游尾水位兩者水頭差的作用下，尾水洞出口處水體開始反向流動(dòng)，洞內(nèi)水面上升，洞頂氣囊被波動(dòng)的水面分割成若干段，并受擠壓潰散，造成尾水洞內(nèi)水體擾動(dòng)劇烈，因而工況D2和D3下調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)的周期和振幅較工況D1有一定的偏差。

2.3 導(dǎo)流洞內(nèi)為明流的過渡過程中尾水調(diào)壓室水位波動(dòng)

從圖5和圖6可以看出：導(dǎo)流洞改建尾水洞內(nèi)為明流的過渡過程中，兩種尾水洞出口底坡方案下尾水調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)是兩種完全不同規(guī)律的曲線，平坡方案下水位的最高值在涌浪第二振幅結(jié)束時(shí)達(dá)到，且第一振幅幅值小于第二振幅幅值，而斜坡方案下水位的最高值在第一振幅結(jié)束時(shí)達(dá)到，且第一振幅幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二振幅幅值，見表2；此外，同一工況下兩種尾水洞出口底坡方案下調(diào)壓室內(nèi)的初始水位高程相差2m～3m，最低水位高程相差3m～4m。

圖6 平底銜接方式下尾水調(diào)壓室水位波動(dòng)

圖7 斜坡銜接方式下尾水調(diào)壓室水位波動(dòng)

表2 兩種尾水洞出口底坡方案下

當(dāng)下游尾水位較低時(shí)，機(jī)組甩負(fù)荷過程中整個(gè)導(dǎo)流洞改建尾水洞內(nèi)水流流態(tài)始終為明流，在調(diào)壓室水位與下游尾水位兩者水頭差的作用下，尾水系統(tǒng)內(nèi)水體往復(fù)波動(dòng)，正向波與逆向波在尾水洞內(nèi)相遇疊加，影響著尾水調(diào)壓室內(nèi)的水位波動(dòng)。兩種尾水洞出口底坡方案對尾水調(diào)壓室內(nèi)水位波動(dòng)的具體影響過程如下：

(1)平坡銜接方案：隨著機(jī)組甩負(fù)荷，尾水調(diào)壓室內(nèi)水位下降至最低點(diǎn)且在降水波的作用下導(dǎo)流洞改建尾水洞段內(nèi)明流水深減小，流速增大，易在尾水洞與導(dǎo)流洞結(jié)合點(diǎn)的位置出現(xiàn)水流流速與降水波波速相等，甚至前者大于后者的現(xiàn)象，形成斷波，阻礙導(dǎo)流洞改建尾水洞段內(nèi)水體補(bǔ)充調(diào)壓室，因而在尾水調(diào)壓室水位下降至最低點(diǎn)的下一時(shí)刻，尾水洞與導(dǎo)流洞銜接段斜坡上的水體在自重的作用下，開始回補(bǔ)調(diào)壓室，調(diào)壓室內(nèi)水位開始回升，升至局部最高點(diǎn)，與此同時(shí)，導(dǎo)流洞改建尾水洞段內(nèi)水體仍涌向尾水洞出口，洞內(nèi)水面與出口處水面存在較大的水頭差，形成向上游傳遞的行波，因而調(diào)壓室內(nèi)水位再次下降的同時(shí)，行波向上游傳遞，導(dǎo)流洞改建尾水洞段內(nèi)水面升高，尾水調(diào)壓室內(nèi)水位回升，且此次回升幅度較第一次回升幅度大，見圖5。最終隨著水體能量的耗散，尾水調(diào)壓室內(nèi)水位衰減至下游河床水位附近。

(2)斜坡銜接方案：隨著機(jī)組甩負(fù)荷，尾水調(diào)壓室內(nèi)水位下降至最低點(diǎn)，與平坡銜接方案不同的是由于尾水洞出口斜坡的存在，導(dǎo)流洞改建尾水洞段內(nèi)明流水位相對較高，流速相對較小，不易出現(xiàn)水流流速與降水波波速相等，或者前者大于后者的現(xiàn)象，因而也不會(huì)形成斷波，故尾水調(diào)壓室內(nèi)水位下降至最低點(diǎn)的下一時(shí)刻，斜坡銜接方案下尾水洞內(nèi)回補(bǔ)調(diào)壓室的水體不僅僅是銜接段水體，還有導(dǎo)流洞改建尾水洞內(nèi)水體，且此次回升的幅度也較平坡方案下調(diào)壓室內(nèi)水位第一次回升的幅度大，與此同時(shí)，調(diào)壓室內(nèi)水位與下游河床水位形成新的水頭差，調(diào)壓室內(nèi)水位再次下降，其中下降平緩段可能是由于水錘波傳遞至尾水調(diào)壓室時(shí)波疊加的結(jié)果，之后調(diào)壓室內(nèi)水位回升和下降是調(diào)壓室內(nèi)水位與下游河床水位再次形成水頭差的結(jié)果，之后水位較快地衰減至下游尾水位附近，見圖6。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)導(dǎo)流洞改建尾水洞內(nèi)自始至終為滿流或出現(xiàn)明滿流的過渡過程中，兩種尾水洞出口底坡對尾水調(diào)壓室內(nèi)的水位波動(dòng)和調(diào)壓室底板壓差的壓力變化趨勢影響不大。

(2)當(dāng)導(dǎo)流洞改建尾水洞段為明流的過渡過程中，兩種尾水洞出口底坡方案下尾水調(diào)壓室內(nèi)的水位波動(dòng)是兩種完全不同規(guī)律的曲線，且尾水洞出口斜坡方案下調(diào)壓室內(nèi)水位的最低值比平坡方案下高，即尾水洞出口采用斜坡銜接方案，尾水調(diào)壓室阻抗底板以上水深有更大的裕度。