聯(lián)系梁對(duì)電站分層取水進(jìn)水口流態(tài)影響的試驗(yàn)研究

薛阿強(qiáng)，杜 蘭

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

聯(lián)系梁對(duì)電站分層取水進(jìn)水口流態(tài)影響的試驗(yàn)研究

薛阿強(qiáng)，杜 蘭

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

在大型電站分層取水進(jìn)水口1∶30大比尺模型上，對(duì)每層疊梁門進(jìn)行了最小淹沒水深的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)位于水流表層的聯(lián)系梁對(duì)進(jìn)口流態(tài)具有明顯的消渦作用，每層疊梁門運(yùn)行水位只要位于相應(yīng)的聯(lián)系梁底面以上，進(jìn)口流態(tài)均可滿足要求。水流表面離聯(lián)系梁越近，聯(lián)系梁的消渦作用越大；反之，水流表面離聯(lián)系梁距離越大，則淹沒度對(duì)進(jìn)口流態(tài)起主要作用了。進(jìn)水口體形是決定進(jìn)口流態(tài)的基礎(chǔ)，聯(lián)系梁布置恰當(dāng)，對(duì)消渦可起到關(guān)鍵作用。對(duì)電站進(jìn)水口聯(lián)系梁的布置具有指導(dǎo)意義，對(duì)其它建筑物的消渦措施具有借鑒作用。

分層取水進(jìn)水口；疊梁門；聯(lián)系梁；最小淹沒水深；進(jìn)口流態(tài)

1 研究背景

某大型電站單機(jī)容量1 000 MW，總裝機(jī)容量16 000 MW。每年3—7月為電站分層取水運(yùn)行時(shí)間。根據(jù)生態(tài)水溫控制要求，水庫分層取水水位范圍765～795 m。每孔門槽設(shè)置6層疊梁門，單節(jié)門高6 m，疊梁門頂、底高程分別為770，734 m，疊梁門槽與備用攔污柵槽共用；聯(lián)系梁間距為7 m，凈距為5．5 m，見圖1。單節(jié)疊梁門高與聯(lián)系梁間距較匹配。分層取水除了取表層溫水外，每層疊梁門的運(yùn)行，須滿足進(jìn)口流態(tài)要求，以保證機(jī)組的運(yùn)行安全。因此須試驗(yàn)出每層疊梁門的最小淹沒水深對(duì)應(yīng)的水位，為電站分層取水運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

對(duì)電站進(jìn)口段體形進(jìn)行優(yōu)化后，再安裝疊梁門，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水口前聯(lián)系梁的安裝高程是影響進(jìn)口流態(tài)的關(guān)鍵因素。為此，在有無疊梁門情況下，進(jìn)行了大量的不同高程聯(lián)系梁對(duì)進(jìn)口流態(tài)影響的試驗(yàn)研究，取得了一系列規(guī)律性的成果。該成果對(duì)同類工程聯(lián)系梁的布置或其它建筑物的消渦措施具有借鑒作用。

聯(lián)系梁是聯(lián)接攔污柵和進(jìn)口面的結(jié)構(gòu)梁，型式包括縱梁、橫梁和人字梁等。目前國內(nèi)外對(duì)電站進(jìn)水口聯(lián)系梁的研究較少，公開資料不多見，電站進(jìn)水口最小淹沒深度戈登公式中也沒有考慮聯(lián)系梁的影響。王友亮等［1］對(duì)三峽電站進(jìn)水口人字梁的不同頂面高程（132，131 m）進(jìn)行過試驗(yàn)研究，在最低運(yùn)行水位135 m條件下，頂面高程132 m比131 m人字梁對(duì)降低進(jìn)口表面漩渦強(qiáng)度和頻率的作用更明顯。王久晟等［2］根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出，消渦梁盡量靠近水面，可以基本消除漩渦；如采用浮排，則浮排隨表面環(huán)流緩慢旋轉(zhuǎn)，漩渦被破壞。施祖輝等［3］針對(duì)不同的行近流速，探討了3種消渦梁的消渦效果，但對(duì)不同高程消渦梁沒有進(jìn)行詳細(xì)研究。

圖1 攔污柵和疊梁門縱剖面圖Fig．1 Longitudinal profile of the trash rack and stoplog gate

2 模型布置

本模型共安裝了3臺(tái)進(jìn)水口管道，模擬的范圍包括進(jìn)水渠長度120 m、攔污柵段、胸墻、進(jìn)口段、檢修門井、快速閘門井、通氣孔、漸變段至水輪機(jī)進(jìn)口。模型進(jìn)水渠寬度為3臺(tái)機(jī)組的寬度，兩側(cè)面及底板安裝塑料擋板，使進(jìn)水渠的行近流速相似。模型比尺Lr＝30，則邊壁糙率比尺為301／6≈1．76。原型進(jìn)水口段砼邊壁糙率約為0．014，則要求模型相應(yīng)的糙率為0．008，用有機(jī)玻璃制作模型，邊壁糙率為0．008，可滿足進(jìn)口段邊壁糙率的相似要求。模型雷諾數(shù)可達(dá)4．32×105，可滿足模型與原型漩渦的相似要求。

3 疊梁門最小淹沒水深試驗(yàn)成果

在分層取水范圍765～795 m，需試驗(yàn)出6層疊梁門的最小淹沒水深水位，各疊梁門最小淹沒水深試驗(yàn)方法為：水位漸變下降，觀察進(jìn)水口、通倉段和引水渠的流態(tài)，直至流態(tài)不能滿足要求，則進(jìn)口流態(tài)滿足要求的最低水位對(duì)應(yīng)的水深為該疊梁門的最小淹沒水深。一般要試驗(yàn)4～8個(gè)水位，才能試驗(yàn)出最小淹沒水深對(duì)應(yīng)的水位。試驗(yàn)流量各水位均相同，為548 m3／s。主要成果如下。

（1）1層、2層疊梁門：在最低水位765 m，進(jìn)口流態(tài)均為淺表游離型微渦，流態(tài)較好，可滿足要求。

（2）3層疊梁門，共試驗(yàn)了4個(gè)水位：768．5，766．7 m水位，進(jìn)口流態(tài)均可滿足要求；765，764 m水位，進(jìn)口水流湍急，紊動(dòng)較大，出現(xiàn)了較大的漩渦，挾帶氣泡進(jìn)入流道，進(jìn)口流態(tài)均不能滿足要求。因此，最小淹沒水深對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)水位為766．7 m，該水位在第3層聯(lián)系梁頂面高程766．5 m上附近，見表1，取766．5 m。

表1 各聯(lián)系梁頂面、底面高程和疊梁門最小淹沒水深水位比較表Table 1 Comparison among them inimum submergence depth levels at the connection beam’s top and bottom and the stoplog m

（3）4層疊梁門，共試驗(yàn)了7個(gè)水位：781，776，775．4，774．8 m水位，進(jìn)口表面均為游離型漩渦；774．8 m水位離第4層聯(lián)系梁頂面773．5 m近些，水流較平順，幾乎沒有漩渦；772 m水位，水流從進(jìn)水渠通過柵墩時(shí)，開始有跌水現(xiàn)象發(fā)生，水流紊動(dòng)加大，有翻花，游離型漩渦，不時(shí)有單個(gè)氣泡進(jìn)入流道；769．8，768．8 m水位，進(jìn)口水面紊動(dòng)較大，漩渦強(qiáng)度大，有連續(xù)的散粒氣泡進(jìn)入流道。

從上述試驗(yàn)結(jié)果看出，滿足進(jìn)口流態(tài)要求的最低水位應(yīng)高于772 m，可低于773．5 m，取773 m。

（4）5層疊梁門，共試驗(yàn)了8個(gè)水位：785．2， 783．2，780．8，779．8 m水位，進(jìn)口表面均為游離型漩渦，進(jìn)口流態(tài)可滿足要求；779．0，777．8 m水位，這2個(gè)水位下降至第5層聯(lián)系梁底面（779．0 m）和第4層頂面（773．5 m）之間，水面脫離了第5層聯(lián)系梁，而離第4層聯(lián)系梁頂面又較遠(yuǎn)，因而均出現(xiàn)了較大的漩渦，漩渦頻率較高，機(jī)組應(yīng)盡量避免在該水位運(yùn)行；776．6，774．2 m水位，水位降低，有大量的散粒氣泡進(jìn)入流道。從上述試驗(yàn)結(jié)果看出，滿足進(jìn)口流態(tài)要求的最低水位為779．8 m，取780 m。

（5）6層疊梁門，共試驗(yàn)了8個(gè)水位：795，790．5，788 m水位，進(jìn)口流態(tài)很好，幾乎沒有漩渦；786．7，784．5 m水位均位于第6層聯(lián)系梁底面（787 m）和第5層聯(lián)系梁頂面（780．5 m）之間。水面脫離了第6層聯(lián)系梁，而離第5層聯(lián)系梁頂面又較遠(yuǎn)，因而均出現(xiàn)了較大的漩渦，并且有單個(gè)氣泡進(jìn)入流道；782，780．5，777．5 m水位，隨著疊梁門頂淹沒水深的減小，出現(xiàn)進(jìn)口表面水流湍急；與橫梁拍打，水流不太穩(wěn)定；大量氣泡進(jìn)入流道等水力現(xiàn)象。從上述試驗(yàn)結(jié)果看出，滿足進(jìn)口流態(tài)要求的最低水位為788 m。以上系列試驗(yàn)成果可發(fā)現(xiàn)共同規(guī)律：3層至6層疊梁門，進(jìn)口流態(tài)從滿足要求到不滿足要求，均處在聯(lián)系梁的底面；水位位于聯(lián)系梁內(nèi)或以上，進(jìn)口流態(tài)可滿足要求，水面脫離了該聯(lián)系梁的底面，即會(huì)出現(xiàn)較大的漩渦；水位再降低，有散粒氣泡進(jìn)入流道。

從圖1中看出，795 m高程以下共布置了6層聯(lián)系梁，與6層疊梁門的數(shù)目相同，可使每層疊梁門與每層聯(lián)系梁相對(duì)應(yīng)。將聯(lián)系梁頂、底面高程，疊梁門頂高程，最小淹沒水深及對(duì)應(yīng)的水位，匯總于表1。從表1中看出，3層至6層疊梁門，最小淹沒水深水位均處在相應(yīng)聯(lián)系梁內(nèi)或頂面附近，說明位于水流表層的聯(lián)系梁具有明顯的消渦作用；最小淹沒水深為14．5～18 m。

4 聯(lián)系梁對(duì)進(jìn)口流態(tài)的影響試驗(yàn)成果

對(duì)圖1死水位765 m下的2層聯(lián)系梁（包括縱梁和橫梁），在無疊梁門運(yùn)行（每年的8月至次年2月）工況下，試驗(yàn)出對(duì)進(jìn)口流態(tài)的影響程度。上層聯(lián)系梁頂面距離水面高度和2層聯(lián)系梁的凈距均為5．5 m。將縱梁、橫梁的上層和下層分別去掉，以求得每一層縱、橫梁對(duì)進(jìn)口流態(tài)的影響程度，共進(jìn)行了5組試驗(yàn)，試驗(yàn)水位、流量組合為765 m，548 m3／s：

（1）去掉上層縱梁，保留了下層縱梁和2層橫梁。該工況進(jìn)口流態(tài)變差，水流紊動(dòng)增加，漩渦尺度加大，漩渦出現(xiàn)的頻率明顯增加，漩渦最大直徑為1．5 m（去掉前為0．9 m），深0．9 m（去掉前為0．6 m），漩渦持續(xù)的最長時(shí)間為44 s，但沒有氣泡進(jìn)入流道。說明上層縱梁對(duì)減少漩渦的頻率和尺度起了較大的作用。

（2）去掉上、下層縱梁，保留2層橫梁。該工況墩尾更容易出現(xiàn)漩渦，水流表面紊動(dòng)仍較大，漩渦的頻率、尺度和進(jìn)口流態(tài)的性質(zhì)與試驗(yàn)方案（1）相當(dāng)。說明布置在墩尾的上、下層縱梁對(duì)墩尾的漩渦具有一定的消除作用，但下層縱梁對(duì)表面漩渦的影響較小，原因可能是下層縱梁離水流表面距離較遠(yuǎn)的緣故。

（3）去掉上、下層縱梁，上層橫梁，僅保留下層橫梁。去掉上層橫梁后，水流表面紊動(dòng)減小，水流變得平緩，漩渦的頻率也有所減少。但陣發(fā)性單個(gè)漩渦的尺度有所加大，時(shí)間延長，最大直徑為1．5～1．8 m，持續(xù)的時(shí)間延長到82～137 s。說明處在過流斷面的橫梁，對(duì)水流有阻礙作用，加大了水流的紊動(dòng)。

（4）去掉全部縱梁、橫梁。去掉全部橫梁后，水流進(jìn)一步變得平緩，漩渦的頻率減少，而單個(gè)漩渦強(qiáng)度更強(qiáng)，時(shí)間更長，單個(gè)漩渦最大直徑為1．8～2．1 m，持續(xù)的時(shí)間延長到220 s。該工況進(jìn)一步說明了處在主流斷面的橫梁對(duì)水流的阻礙作用，加劇了水流的紊動(dòng)。

（5）去掉下層縱梁、橫梁，保留上層縱梁、橫梁。該工況進(jìn)水口水流平緩，紊動(dòng)減小，沒有出現(xiàn)大尺度、長時(shí)間的漩渦，最大漩渦直徑約1 m，一般漩渦可持續(xù)27～38 s。該組試驗(yàn)進(jìn)一步證明了上層縱梁和橫梁具有消渦作用。

綜上所述，位于通倉內(nèi)的上層縱梁離水面較近，對(duì)進(jìn)口流態(tài)具有明顯的消渦作用；下層縱梁距水面較遠(yuǎn)，對(duì)進(jìn)口流態(tài)影響不明顯。位于過流區(qū)的上、下層橫梁對(duì)進(jìn)口水流有阻礙作用（水頭損失約3 cm），使漩渦出現(xiàn)的頻度增加，但可破除大漩渦。

5 結(jié) 論

（1）本工程單節(jié)疊梁門高度與聯(lián)系梁間距較匹配，布置較合理，可使每層疊梁門的最小淹沒水深較接近。

（2）位于水流表層的聯(lián)系梁對(duì)進(jìn)口流態(tài)具有明顯的消渦作用，每層疊梁門運(yùn)行水位只要位于相應(yīng)的聯(lián)系梁內(nèi)或頂面附近，進(jìn)口流態(tài)均可滿足要求；水位脫離該聯(lián)系梁的底面，就會(huì)出現(xiàn)較大的漩渦，進(jìn)口流態(tài)不能滿足要求。

（3）水流表面離聯(lián)系梁越近，聯(lián)系梁的消渦作用越大；反之，水流表面離聯(lián)系梁距離越大，則淹沒度對(duì)進(jìn)口流態(tài)起主要作用了。

（4）該成果對(duì)電站進(jìn)水口聯(lián)系梁的布置和運(yùn)行具有指導(dǎo)意義：當(dāng)水位一定時(shí)，聯(lián)系梁可布置在該水面以下附近；當(dāng)聯(lián)系梁高程一定時(shí)，水位可在聯(lián)系梁底面以上運(yùn)行，進(jìn)口流態(tài)即可滿足要求。

［1］ 王友亮，徐詩銀，劉然心．三峽電站進(jìn)水口體型優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］．人民長江，1996，27（12）：1－4．（WANG You li ang，XU Shi yin，LIU Ran xin．Experimental Study on the Optimization of Inlet Configuration for Three Gorges Power Station［J］．Yangtze River，1996，27（12）：1－4．（in Chi nese））

［2］ 王久晟，程觀富．某水庫泄洪洞進(jìn)口消渦梁消渦效果試驗(yàn)研究［J］．治淮，2002，18（5）：35－37．（WANG Jiu sheng，CHENG Guan fu．Experimental Study on the Vor tex Elimination Effect of the Vortex Eliminating Beam at the Inlet of a Reservoir Flood Discharging Tunnel［J］．Harnessing the Huaihe River，2002，18（5）：35－37．（in Chinese））

［3］ 施祖輝，陳青生，周春天．消渦梁在抽水蓄能電站進(jìn)水口中的應(yīng)用［J］．紅水河，2005，24（4）：16－19．（SHIZu hui，CHEN Qing sheng，ZHOU Chun tian．Application of Eddy eliminating Beam in the Intake of Pumped storage Power Station［J］．Hongshui River，2005，24（4）：16－19．（in Chinese） ）

（編輯：陳 敏）

Influence of Connection Beam on the Flow Pattern at the M ulti levelW ater Intake of Hydropower Station

XUE A qiang，DU Lan
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

By using a large scale 1∶30 model of themulti level water intake of hydropower station，we carried out experiment to research theminimum submergence depth for each stoplog．Itwas found that the connection beam onwater surface could obviously eliminate the vortex at the inlet．The flow pattern at the inlet could meet the require mentwhen the operating water level of each stoplog gate is above the bottom of its corresponding connection beam．The closer the connection beam to thewater surface，the better the vortex elimination effect is；when the distance of the beam from thewater surface increases，the inlet flow pattern ismainly affected by submergence．Inlet configura tion is the basic factor which determines the flow pattern，and the proper configuration of connection beam plays a key role in eliminating vortex．The research findings provide guidance for the arrangementof connection beam at the intake of power station，and serve as a reference for other buildings to eliminate vortex．

multi levelwater intake；stoplog gate；connection beam；minimum submergence depth；flow pattern at the inlet

TV131．63

A

1001－5485（2013）08－0010－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．003

2013，30（08）：10－13

2013－04－18；

2013－07－01

薛阿強(qiáng)（1963－），男，浙江湖州人，高級(jí)工程師，主要從事樞紐和電站水力學(xué)研究，（電話）13667186063（電子信箱）xueaqiang＠163．com。