某水電站工程尾水渠擴散段水力優(yōu)化研究

王二平, 朱瑞平, 張 欣

(華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州 450045)

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某水電站工程尾水渠擴散段水力優(yōu)化研究

王二平, 朱瑞平, 張 欣

(華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州 450045)

某水電站尾水渠擴散段在工程設計時為提高過流能力,實現尾水洞出口斷面低水位運行,采取較大擴散角的布置形式.模型試驗表明:設計方案下擴散段流態(tài)紊亂,過流能力較低.先后采取在擴散段設置控導流設施、減小擴散段的擴散角、調整閘室位置與修改閘室及上、下游連接段體型等3種修改方案進行試驗研究.其中第3種修改方案較好地順應了水流的流動特性,尾水渠各流段流態(tài)平順,過流能力相對較強,實現了尾水洞出口斷面較低水位運行；同時節(jié)省工程量,基本達到預期效果.該水力優(yōu)化措施已應用于工程設計.

尾水渠;擴散段;擴散角；水力優(yōu)化；水流流態(tài);水面線;導流墩

在輸水渠道中,當相鄰兩段渠道的斷面不同時,常采用擴散段進行銜接過渡.合理地選取擴散段的擴散角度對保證水流平順過渡至關重要.若擴散角度選取不合理,不適應擴散水流的流動特性,有可能出現邊界層分離、折沖水流等不利流態(tài),降低過流能力,抬高渠道的水面線，與設計預期的效果相差甚遠[1].筆者以某典型水電站尾水渠工程設計為例,借助物理模型試驗進行尾水渠擴散段的水力優(yōu)化研究.

1 某水電站工程尾水渠設計

某典型水電站總裝機容量1 500 MW,機組安裝高程為611.10 m[2].水輪機泄水流經493 m長的尾水洞后,經尾水渠擴散段、閘室段及尾水渠段泄入下游河道.由于機組安裝高程與下游河道尾水位的高差不大,為了保證電站出力,設計要求盡可能降低尾水洞出口水位,以保證機組安裝高程到機坑水面的凈空高度不小于3.2 m,同時避免尾水洞出現明、滿流交替現象.當汛期下游河道出現高水位、機坑水面以上凈空高度不滿足要求時,則施加高壓氣體使水面下落,以保證機組正常發(fā)電.對此，尾水渠的設計方案如圖1所示.

圖1 尾水渠設計方案(單位:m)

工程設計中,尾水渠擴散段長18 m,單側擴散角為30.25°,以期獲得較大的過流能力,降低尾水洞出口水位,減少汛期河道高水位時對機坑實施壓氣的時間.擴散段下游與四孔閘室相銜接,閘室下游為10 m長的矩形斷面過渡段,之后接122 m長的尾水渠段泄水入河道.其中擴散段、閘室段及過渡段的底板為平坡,底板高程為598.5 m;尾水渠段縱坡為逆坡，其坡度i=- 0.024,出口高程為601.41 m.由于設計方案下尾水渠擴散段采用的擴散角較大,能否達到預期效果,需要通過模型試驗進行檢驗.

2 設計方案下尾水渠擴散段流態(tài)及沿程水面線

模型試驗中,需進行包括尾水渠擴散段及其下游渠道過流區(qū)域在內的單體模型試驗,重點研究擴散段及其下游流段的水流流態(tài)及過流能力,驗證設計方案的可行性與實際效果,并針對存在的問題提出優(yōu)化措施.單體模型的幾何比尺為1∶40.

根據水電站機組運行時的泄流量及下游河道斷面出現的特征水位進行放水試驗.其中機組滿發(fā)設計流量為278.4 m3/s,下游河道斷面正常水位為603.65 m,正常高水位為607.83 m.試驗表明,當水流從尾水洞進入擴散段時,因擴散角過大,水流未能擴散到整個邊界而形成邊界層分離現象:沿兩側邊墻附近出現較強的回流區(qū),且回流區(qū)大小及位置具有不確定性,當下游河道斷面為正常水位603.65 m時,回流最寬處為3～4 m.兩側的回流擠壓出洞水流,使其集中流向中間兩個閘孔.過閘室后水流基本沿過渡段中部流動,未能全斷面過流.至尾水渠段過水斷面為梯形,過流寬度進一步增大,盡管設置了長16 m的漸變段,水流仍難以擴散到整個過流斷面.在過渡段至尾水渠上游段之間的左、右岸形成范圍較大的弱回流區(qū),單側回流區(qū)長24～30 m,寬7～9 m,如圖2所示.

圖2 設計方案下尾水渠流態(tài)圖

在流態(tài)觀測的同時,對尾水洞出口及下游各觀測斷面的水深進行了量測,得到如圖3所示的沿程水面線.

圖3 設計方案下尾水渠沿程水面線

由圖3可知，尾水渠擴散段流態(tài)不滿足要求.由于回流區(qū)漩渦擠壓過流寬度,將導致過流能力降低,試驗測得的尾水洞出口水位必將高于設計期望的較低值,設計方案未能達到預期效果.因此,為了改善尾水渠擴散段流態(tài),降低尾水洞出口水位,必須對擴散段采取修改措施.項目組先后提出了3種修改方案.

3 尾水渠擴散段修改方案及試驗成果

3.1 在擴散段設置導流墩的方案

從干預水流促使其沿擴散段兩翼流動的角度考慮,提出在擴散段設置導流墩的修改方案,以期通過導流墩的控導作用促使水流產生適度的橫向擴散流動,從而達到預期目的.

3.1.1 導流墩體型設計與布置

為了達到控導效果,導流墩的幾何形狀、尺寸大小以及在擴散段的相對位置與水流條件要滿足一定的制約關系.同時在干預控導水流的過程中,導流墩對水流產生的附加阻力應盡可能較低.借鑒類似的工程經驗[3],擬采用平面上呈八字形的導流墩.初步擬定導流墩單側墩體厚1.0 m,高6.5 m,迎流面呈傾斜狀,迎流角為半徑3.5 m的尖圓角,以減小水流阻力與壅水高度;同時將墩體上游段設計為實體墩,下游段為間隔斷開1.0～1.6 m的間斷體,利用墩體斷開空間的連通作用,使墩體兩側水流的動量能夠相互交換,平衡由于導流作用不均衡所產生的動量差,使過流斷面動量分布趨于均勻.導流墩實體段與斷開段的長度及其分布設計,需根據控導水流的效果,通過對比試驗加以確定.

共選取了3種不同墩體長度及虛實分布的導流墩設計方案,分別進行不同布置方案的對比試驗.最終確定的導流墩設計方案為立面上呈梯形,梯形底全長12.0 m,梯形頂全長9.0 m,下游段按1.6 m 和1.4 m間隔斷開;其他尺寸不變.導流墩體型尺寸如圖4所示.該導流墩在平面布置上單側墩體軸線與來水流向的夾角β為21.37°,八字形墩體上游端開口間距為4.5 m,墩體首端距擴散段起始端的距離為2 m.導流墩布置如圖5所示.

圖4 導流墩體型設計圖(單位:m)

圖5 導流墩布置圖(單位:m)

3.1.2 導流墩方案下尾水渠水流流態(tài)及水面線

根據確定的導流墩體型設計及布置方案進行放水試驗.在試驗中看到,水流從尾水洞進入擴散段后,在導流墩的控導下,分成3股流向閘室.其中,中間股水流流向中間兩閘孔,兩側股水流沿著接近導流墩軸線方向分別流向兩邊閘孔.在水流流經導流墩后半段、通過墩體間的空隙時，水流動量有所交換,流向有所調整.在低尾水位時,擴散段內的流態(tài)得到明顯改善,回流區(qū)消失,水流平順地進入閘室段,兩邊孔的過流能力得到加強.在高尾水位時,導流墩被淹沒,導流墩的控導作用有所減弱,流經擴散段兩側的流量有所減少,但擴散段流態(tài)基本正常,未出現回流區(qū)等不利流態(tài).由于4個閘孔均有流量通過,基本消除了尾水渠上游漸變段處的回流區(qū).

通過對尾水洞出口及下游各觀測斷面的水深進行量測,得到沿程水面線如圖6所示.從圖6可以看出,導流墩方案有效降低了主洞出口水位及擴散段沿程水面線,如主洞出口水位在正常尾水位和正常高尾水位時分別降低了0.18 m與0.07 m.

圖6 導流墩方案下尾水渠沿程水面線

雖然導流墩修改方案能有效降低尾水洞出口水位及擴散段水面線,但降幅是否為可能的較大值,即尾水洞出口斷面水位是否為可能出現的較低值,由于缺少比較方案,這里還無法作出評判.

3.2 減小擴散段擴散角的方案

第2種修改方案為減小擴散段單側擴散角方案.該方案保持擴散段長度不變,將下游四孔閘改為兩孔閘,取消兩邊孔,使閘室寬度縮小為原來寬度的1/2,此時擴散段單側的擴散角為5.71°.閘室段寬度減小后其下游過渡段變?yōu)閿U散段，并與尾水渠段連接.由于尾水渠縱坡為逆坡且坡度較大,為避免增大渠道縱坡使水流產生橫軸漩渦而影響過流能力,保持其坡度值不變,過渡段及尾水渠長度仍取設計值,其中過渡段長10 m,單側擴散角為40°.該修改方案(這里稱之為兩孔閘方案)如圖7所示.

對該方案進行試驗看到,水流從尾水洞流出，先后經過兩級擴散流入下游河道.由于降低了閘室上游擴散段的擴散角,水流流經該流段時未出現邊界層分離現象,水流沿邊界自然擴散,流態(tài)較為順暢.流經閘室段時通過兩閘孔的流量也基本均衡.但當水流流入閘室過渡段時,由于過渡段擴散角偏大,仍出現了邊界層分離現象,過渡段兩側的回流區(qū)一直延伸到尾水渠漸變段下游斷面.該方案的沿程水面線如圖8所示.

圖7 兩孔閘方案尾水渠模型布置圖(單位:m)

圖8 兩孔閘方案下尾水渠沿程水面線

由圖8可以看出,該方案的擴散段沿程水面線不僅低于設計方案,也低于導流墩修改方案.如在正常尾水位和正常高尾水位情況下，主洞出口水位較設計方案分別降低了0.27 m與0.13 m，較導流墩方案分別降低了0.09 m與0.06 m.分析試驗結果可知,減小擴散段的擴散角可使水流沿邊界自然擴散,通過改善流態(tài)能夠有效降低水流流經擴散段時的流動阻力, 使過流能力顯著提高[4], 不僅超過設計方案，也優(yōu)于導流墩方案.同時也說明，順應擴散水流流動特性進行擴散段體型修改優(yōu)于采取人為干預水流的工程措施.因為導流設施在干預控導水流的過程中不可避免地會產生附加阻力,該阻力通過影響流速而降低過流能力[5].

盡管本修改方案使尾水洞出口水位顯著降低且優(yōu)于導流墩方案,但在閘室下游段兩側仍存在較大的回流區(qū),該回流漩渦雖然強度較弱但范圍較大,對過流仍有擠壓作用而影響水流通過.另外，在兩種尾水位情況下,尾水洞出口及下游各斷面水流均為緩流,該處水流受到的擠壓作用必將或多或少地影響到閘室上游擴散段[6]的過流,導致尾水洞出口斷面水位抬升.故該方案仍需要修改.

3.3 上移閘室位置及修改閘室設計,降低閘室上下游連接段擴散角的方案

基于對以上試驗方案成果的分析,同時結合尾水洞出口附近及下游各個流段的地形、地質條件與結構設計的可行性,項目組提出了第3種修改方案,如圖9所示.

圖9 單孔閘方案尾水渠模型布置圖(單位:m)

將閘室位置上移至尾水洞出口處,以增加閘室下游擴散段的長度,降低擴散角;同時改多孔閘為單孔閘,以消除閘墩對水流產生的阻力影響,并進一步降低上游連接段的擴散角.閘室修改后,閘孔凈寬為12 m,上游設20 m長連接段,閘室段長度為9.2 m,擴散段單側的擴散角降低到11°.由于下游尾水渠為逆坡渠道,為了便于水流擴散,降低流動阻力,使擴散段沿平坡增加長度,同時不增大尾水渠縱坡[7],故通過上移閘室位置來實現.

模型修改后的試驗表明,由于降低了閘室下游擴散段的擴散角,水流通過時沿擴散段邊界均衡擴散,未出現邊界層分離現象.在兩種尾水位條件下,尾水洞泄流從出口至下游河道的各個流段均過渡平順,銜接順暢.

該方案的沿程水面線如圖10所示.可以看出，擴散段沿程水面線相對最低,實測結果與理論分析基本一致.在兩種尾水位情況下主洞出口水位比兩孔閘修改方案分別降低了0.12 m與0.06 m.試驗成果基本達到了預期目的,同時能夠節(jié)省工程量,該修改方案得到了工程設計方的認可.

圖10 單孔閘方案下尾水渠沿程水面線

4 結 語

針對某水電站尾水渠擴散段設計方案存在的水力學問題,通過模型試驗分析比較了3種修改方案的實際效果,第3種修改方案的尾水洞出口斷面運行水位相對最低,能夠保證水電站汛期運行期間對其實施壓氣措施的時間相對最短,該修改方案已應用于工程修改設計.在此過程中有以下認識.

1)在明渠擴散段設計中,為實現水流均衡擴散、平順過渡,擴散角的選取應不大于水流沿邊界流動的自然擴散角,以避免水流產生邊界層分離現象.

2)設計中若由于某種原因不得已采取較大擴散角時,可采用分導流設施控導水流擴散,使流態(tài)得以恢復.但控導設施在擾動水流的過程中不可避免地產生附加阻力,造成過流能力的部分損失,故選擇分導流設施時應權衡利弊.

[1]孫東坡,李林昊,趙寶帥,等.明渠擴散段急流運動特性及調控方法研究綜述[J].華北水利水電大學學報(自然科學版),2014,35(4)：1-6.

[2]李國慶,王二平.厄瓜多爾CCS水電站尾水洞水力學模型試驗報告[R].鄭州:華北水利水電學院,2012.

[3]王二平,方進,金輝.導流墩在電廠循環(huán)水流道中的應用研究[J].中國農村水利水電,2011(5):141-144.

[4]夏震寰.現代水力學[M].2版.北京:高等教育出版社,1990.

[5]李君濤,張公略,馮小香.導流墩改善口門區(qū)水流條件機理研究[J].中國港灣建設,2011,173(2):1-3.

[6]吳持恭.水力學[M].4版.北京:高等教育出版社,2008.

[7]寧利中.急流擴散段沖擊波的水力計算問題[J].西北水力發(fā)電,2004,20(3):2-4.

(責任編輯：陳海濤)

Hydraulic Optimization Research for Diffusion Section of Tailrace in a Hydropower Station

WANG Erping, ZHU Ruiping, ZHANG Xin

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045， China)

In order to improve the flow capacity, and make the outlet section of tailrace tunnel operating with low water level, the diffusion section of tailrace in a hydropower station was arranged the layout with large diffusion angle. The results from model experiments show that the diffusion section has disordered flow regime and low flow capacity. Then we designed three modified schemes, namely setting up control and diversion facilities and reducing the diffusion angle in the diffusion section, changing the location and shape of the lock chamber and modifying the figure of the connected section between upstream and downstream, and researched the flow capacity under three modified schemes by experiments. The experimental results show that the third scheme better conforms to the characteristics of water flow, the flow regime remains steady in every sections of the tailrace, the flow capacity is relatively strong, the outlet section of tailrace tunnel is realized to operate with lower water level. In addition, this scheme reduces the workload and basically achieves the expected results. This hydraulic optimized measures have already been applied to practical engineering design.

tailrace; diffusion section; diffusion angle; hydraulic optimization; water flow regime; water surface curve; diversion pier

2014-11-07

國家自然科學基金資助項目(50779019).

王二平(1960—),男,河南鄭州人,教授,主要從事水力學與河流動力學方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.004

TV731

A

1002-5634(2015)01-0016-05