基于尾水隧洞中明滿流的危害及措施研究

李學(xué)宏

(黑龍江省富錦市水務(wù)局，黑龍江 富錦 156100)

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基于尾水隧洞中明滿流的危害及措施研究

李學(xué)宏

(黑龍江省富錦市水務(wù)局，黑龍江 富錦 156100)

隨著能源的開發(fā)和利用，空氣污染日益嚴(yán)重，而清潔的水電能源在可持續(xù)發(fā)展中具有了明顯的優(yōu)勢(shì)，水電站日益增多。很多水電站由于地形、地質(zhì)、整體布置或者利用已建的導(dǎo)流洞的原因，其尾水洞較長(zhǎng)，水力過渡過程十分重要。在下游低水位工況時(shí)，尾水洞會(huì)出現(xiàn)明滿流現(xiàn)象，其水力學(xué)現(xiàn)象十分復(fù)雜，對(duì)尾水隧洞造成巨大破壞，因此均需采取一定的預(yù)防措施。工程中多采用設(shè)置通氣孔的方式來減緩明滿流的危害，但通氣孔位置及尺寸的選擇也有著重要的影響。

尾水洞；明滿流；危害；解決措施；研究

1　明滿流的提出

能源是促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在人類的日常生活和各種生產(chǎn)活動(dòng)中時(shí)時(shí)處處都離不開能源。各種能源的開發(fā)和利用促進(jìn)了世界的繁榮和發(fā)展，與此同時(shí)，能源的消耗量也是與年劇增。然而化石能源的日益加劇地開采，不僅導(dǎo)致這些化石燃料的日漸枯竭，而且造成空氣污染，給人類的生存環(huán)境帶來大量的負(fù)面影響[1]。水能資源作為一種清潔且可再生能源，成為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的重要戰(zhàn)略措施，在可持續(xù)發(fā)展中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)水能資源豐富，理論蘊(yùn)藏量居世界第一。

許多大型水電站在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常把導(dǎo)流洞改做發(fā)電尾水洞，以減少巖體隧洞的開挖量，并且減少岸坡的處理工作，從而節(jié)省了大量的投資。在尾水洞較長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)流洞改作尾水洞的經(jīng)濟(jì)效益就更為顯著。導(dǎo)流洞的底部高程的設(shè)計(jì)一般比較高，以滿足施工導(dǎo)流的要求，而尾水管出口為了滿足真空度的要求設(shè)計(jì)得比較低，因此在導(dǎo)流洞與尾水洞相連接時(shí)，在尾水洞與導(dǎo)流洞兩者之間的連接處會(huì)有較大的反坡銜接段。

圖1與導(dǎo)流洞相結(jié)合的尾水洞的水電站引水發(fā)電系統(tǒng)縱剖面圖

導(dǎo)流洞的特殊布置形式，使得它在過渡過程中洞內(nèi)常發(fā)生明滿流交替流動(dòng)的現(xiàn)象。明滿流的出現(xiàn)對(duì)水電站的結(jié)構(gòu)安全造成一定的影響，由于現(xiàn)在多數(shù)水電站的裝機(jī)容量較大，因此其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定和供電質(zhì)量都有著至關(guān)重要的意義[2]。

2　明滿流的定義

明滿流現(xiàn)象廣泛存在于水工隧洞、排洪管道以及水電站的尾水系統(tǒng)中，在過渡過程中產(chǎn)生的這種復(fù)雜流態(tài)比非恒定有壓流和非恒定明渠流更為復(fù)雜。

明滿流至今被廣泛接受的有2種含義：①是指有壓流與無壓明流共存的狀態(tài)；②是指明流向滿流或者滿流向明流過渡過程中，在輸水系統(tǒng)的某段內(nèi)出現(xiàn)有壓流與無壓流交替的情況。兩者的主要區(qū)別在于有沒有考慮洞內(nèi)的截留空氣。如圖2所示，在文ujj 中出現(xiàn)的導(dǎo)流洞中的明滿流是第2種概念。

圖2　與導(dǎo)流洞相結(jié)合的尾水洞中的明滿流(第2類明滿流)

3　明滿流的危害

在實(shí)際的水電站工程中，導(dǎo)流洞出口處下游尾水位受到水電站運(yùn)行等諸多因素的影響。在出現(xiàn)尾水位與導(dǎo)流洞洞頂?shù)母叱滔嘟那闆r下，當(dāng)水電站負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)流洞改作的尾水洞中就會(huì)出現(xiàn)明滿流的現(xiàn)象。

下面就以水電站機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)導(dǎo)流洞中水體從明流轉(zhuǎn)為明滿流的現(xiàn)象為例進(jìn)行描述。在尾水位稍低于洞頂出口高程時(shí)，如果水電站發(fā)生較大的甩負(fù)荷變化，隨著導(dǎo)葉的迅速關(guān)閉，尾水洞流速減小，尾水系統(tǒng)水位下降，引起降壓波向下游傳播。因?yàn)橄掠嗡畮毂容^大，傳來的降壓波便在與水庫相接的出口處變成向上游傳播的升壓波，該升壓波與向下游傳來的降壓波進(jìn)行疊加后，水面便會(huì)在波的作用下涌起并且不時(shí)的出現(xiàn)封頂現(xiàn)象[3]。上游的入射波和下游反射波在相遇處發(fā)生疊加，使得改為尾水洞的導(dǎo)流洞沿線隨時(shí)間變化不斷出現(xiàn)涌波，該涌波就可能出現(xiàn)觸頂?shù)默F(xiàn)象，在導(dǎo)流洞段就會(huì)出現(xiàn)氣囊。氣囊在水體的作用下不斷的發(fā)生壓縮和膨脹變形，該變化中會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)壓。此時(shí)，該氣囊的形成及消失會(huì)產(chǎn)生比較復(fù)雜的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象。這種復(fù)雜的水流現(xiàn)象稱為明滿流。

水電站的引水系統(tǒng)在負(fù)荷變化的過渡過程中所產(chǎn)生的明滿流現(xiàn)象，是一個(gè)變化很快的壓力交變過程。在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的正、負(fù)壓力并且造成劇烈的壓力脈動(dòng)。在該水流的作用下，由于正負(fù)壓力的不斷變化會(huì)破壞尾水洞段的混凝土，致使其強(qiáng)度降低甚至剝落，進(jìn)而對(duì)尾水洞的安全及水電站的正常運(yùn)行會(huì)造成較大的危害。

4　解決措施

在尾水位位于洞頂附近時(shí)，當(dāng)機(jī)組甩荷或增荷，尾水洞內(nèi)水面會(huì)出現(xiàn)劇烈的起伏，在洞頂處形成氣囊，之后氣囊破滅，氣囊在形成和破滅時(shí)會(huì)形成較大的壓力變化，形成正負(fù)交替的壓強(qiáng)，對(duì)尾水洞的破壞較大。因此，一般在工程中采用設(shè)置通氣孔的方式來減緩明滿流現(xiàn)象，而通氣孔尺寸的大小對(duì)進(jìn)/排氣量的大小有影響。

通氣孔的作用是在尾水洞內(nèi)水位發(fā)生變化時(shí)，通過通氣孔來補(bǔ)氣和排氣，以減小氣囊的壓縮或者膨脹時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓及壓力脈動(dòng)。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程的研究發(fā)現(xiàn)，尾水洞中不設(shè)置通氣孔時(shí)，洞頂壓力平緩變化，隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，負(fù)壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且極值較大。具有通氣孔的尾水洞雖然洞頂仍然出現(xiàn)負(fù)壓，但相比于不設(shè)置通氣孔的情況，負(fù)壓較小且持續(xù)時(shí)間也較短。因此，通氣孔能夠較好的減緩明滿流對(duì)洞頂產(chǎn)生的負(fù)壓。

通氣孔位置及尺寸大小決定了進(jìn)/排氣量的大小，進(jìn)而對(duì)明滿流的減緩作用有著較大的影響，因此，通氣孔的位置及尺寸選擇需根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究確定。

5　結(jié)　語

隨著許多大型水電工程的籌建和設(shè)計(jì)，很多大型水電站由于地質(zhì)或地形原因，同時(shí)為了節(jié)約投資，常將導(dǎo)流洞改作尾水洞，在尾水位接近洞頂高程時(shí)，不可避免的會(huì)發(fā)生明滿流這種復(fù)雜的水力現(xiàn)象。明滿流對(duì)尾水洞及機(jī)組的正常運(yùn)行造成破壞。因此對(duì)尾水隧洞中明滿流的研究及采取相應(yīng)措施有著重要的意義。

[1]李方正．新能源[M].北京：北京工業(yè)出版社,2008：5-7.

[2]許景賢．導(dǎo)流洞改作水電站尾水洞的技術(shù)問題的試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù),1992(04)：58-61.

[3]胡明，蔡付林，周建旭．溪洛渡水電站尾水系統(tǒng)水力動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù),2002(03)：11-13+39.

1007-7596(2016)06-0128-02

2016-04-12

李學(xué)宏(1974-)，男，黑龍江富錦人，高級(jí)工程師。

TV134.3

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