兩河口水電站疊梁門分層取水進(jìn)水口水力特性研究

王 川，潘 露，蒲云娟，葉 茂，呂海艷

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 610072)

兩河口水電站疊梁門分層取水進(jìn)水口水力特性研究

王 川1，潘 露2，蒲云娟1，葉 茂1，呂海艷1

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 610072)

本文以兩河口水電站分層取水口為例，通過水工模型試驗，對疊梁門進(jìn)水口水力特性進(jìn)行研究。試驗結(jié)果表明，當(dāng)疊梁門頂水深超過20 m時，進(jìn)水室內(nèi)可保持良好的水流流態(tài)，且無有害漩渦出現(xiàn)，進(jìn)水口的水頭損失系數(shù)在0.56～0.65之間，其變化與疊梁門的總高度呈正比關(guān)系，疊梁門頂部的流速垂線分布均呈下大上小的形態(tài)，另外，在運行機組左右兩側(cè)相鄰2個及以上機組段同時放置疊梁門可保證下泄水流均為庫區(qū)疊梁門高程以上水體。

分層取水進(jìn)水口；疊梁門；水工模型試驗；水力特性

0 前 言

大型水庫壩前水溫呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象，水庫下層水體常年維持在較穩(wěn)定的低溫狀態(tài)，由于電站進(jìn)水口高程一般較低，發(fā)電時下泄的低溫水將對下游河道生態(tài)環(huán)境造成不利影響[1]。在進(jìn)水口前設(shè)置疊梁門進(jìn)行分層取水是緩減下泄低溫水體的有效措施[2]。但加設(shè)疊梁門后，進(jìn)口水流近似淹沒薄壁堰流，水流經(jīng)攔污柵、疊梁門頂進(jìn)入豎向流道，水流邊界條件復(fù)雜，從而派生出一系列新的水力學(xué)問題[3]。目前，國內(nèi)外在電站進(jìn)水口前設(shè)置疊梁門的設(shè)計經(jīng)驗不多，運行經(jīng)驗更少，其相關(guān)水力特性還有待進(jìn)一步研究。本文結(jié)合兩河口水電站分層取水進(jìn)水口水工模型試驗，對進(jìn)水口水流流態(tài)、水頭損失系數(shù)、流速分布、水流動規(guī)律等水力特性進(jìn)行研究，研究成果以供有關(guān)工程設(shè)計和運行管理參考。

1 工程概況及模型設(shè)計

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫。電站進(jìn)水口型式采用岸塔式，采用“單機單管供水”及“三機一室一洞尾水”的布置格局。廠房6孔進(jìn)水口呈“一”字型布置，塔體前緣總寬度159.8 m，順?biāo)鞣较蜷L33.0 m，進(jìn)水口底板高程2 765.00 m，塔頂高程2 875.00 m。進(jìn)水塔前半部為攔污柵及疊梁門段，每孔進(jìn)水口共設(shè)有4孔攔污柵閘，各進(jìn)水單元之間的攔污柵墩采用橫撐連接，攔污柵及疊梁門段和塔體段之間采用縱撐連接，相鄰機組攔污柵段在2 786.50 m高程以上用隔墻隔斷，以下各機組段連通。主塔體采用喇叭型進(jìn)口，壓力管道內(nèi)徑為7.5 m。電站進(jìn)水口采用疊梁門分層取水型式，進(jìn)水口疊梁門共四層，根據(jù)不同季節(jié)、水庫水位及下泄水溫要求，分別采用1層～4層擋水。電站進(jìn)水口布置見圖1。

模型試驗按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，采用1∶50的正態(tài)模型，模擬范圍包括進(jìn)水口前部分庫區(qū)、進(jìn)水口塔體及壓力管道。攔污柵結(jié)構(gòu)體、疊梁門、進(jìn)水喇叭口、壓力管道及各門槽均采用有機玻璃加工制作，水庫地形用水泥漿抹面制成，機組引流量采用電磁流量計控制。

2 試驗研究成果及分析

2.1 進(jìn)口漩渦及門頂最小淹沒水深

對于電站進(jìn)水口而言，必須保證各種工況下進(jìn)水室內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)，無有害漩渦的出現(xiàn)[3]。根據(jù)美國麻省Worcester Alder試驗室的分類方法，將電站取水口前自由表面誘發(fā)的漩渦分為6種類型[4]，已建工程的運行實踐表明，進(jìn)水口前盡量避免出現(xiàn)3類和4類漩渦，不允許出現(xiàn)5類和6類漩渦。電站疊梁門分層取水進(jìn)水室內(nèi)水流流態(tài)與疊梁門頂淹沒水深有著密切的關(guān)系，當(dāng)門頂淹沒水深過低時，疊梁門后出現(xiàn)類似薄壁堰流，水面跌落至閘室通倉流道內(nèi)，水流受到垂向拉伸作用，較容易產(chǎn)生漩渦。

圖1 電站進(jìn)水口布置示意

圖2為不同門頂淹沒水深時，進(jìn)水室內(nèi)水流流態(tài)。以兩層疊梁門為例，當(dāng)門頂水深大于20 m時，進(jìn)水室內(nèi)水流平穩(wěn)，無明顯水流波動;門頂水深減低至16 m時，進(jìn)水室內(nèi)水面凹陷，出現(xiàn)表面漩渦，屬于3～4類漩渦;門頂水深13 m時,進(jìn)水室內(nèi)出現(xiàn)喇叭狀旋渦，有間隙吸氣現(xiàn)象，屬于4～5類漩渦;門頂水深低于13 m，進(jìn)水室內(nèi)水面波動劇烈，并出現(xiàn)漏斗型吸氣漩渦。

因此，為保證進(jìn)水口前水流平穩(wěn)，無有害漩渦出現(xiàn)，疊梁門頂最小淹沒水深應(yīng)大于20 m，另外，試驗研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增大疊梁門墩與胸墻之間間距，減小通倉流道豎向流速，有助于改善進(jìn)水室內(nèi)水流流態(tài)。

根據(jù)《水電站進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范》中采用戈登(Gordon)公式來計算進(jìn)水口臨界淹沒水深：

S=cva1/2

(1)

式中S——為臨界淹沒水深,m;

a——為門高，m;

v——為閘門處流速，m/s;

c——為系數(shù)，側(cè)向取水時取0.73。

對于兩河口水電站疊梁門分層取水進(jìn)水口，工作閘門處高度為7.5 m，正常引流量248.67 m3/s，工作閘門處流速約為5.5 m/s，按常規(guī)進(jìn)水口側(cè)向取水計算的臨界淹沒水深為11.05 m，低于模型試驗觀測到避免有害吸氣漩渦時的門頂淹沒水頭值，說明疊梁門分層取水進(jìn)水口的臨界淹沒水深不能完全采用戈登公式進(jìn)行計算，還需考慮疊梁門、通倉流道的影響。

a.門頂水深20 m b.門頂水深16 m c.門頂水深13 m

圖2 不同疊梁門頂淹沒水深時進(jìn)水室內(nèi)水流流態(tài)(兩層疊梁門)

2.2 水頭損失系數(shù)

模型中以壓力管道漸變段后2倍管徑處為參考斷面，測量了不設(shè)疊梁門、設(shè)置一層疊梁門、兩層疊梁門情況時進(jìn)水口段的水頭損失。三種工況下，進(jìn)水口段的水頭損失及水頭損失系數(shù)見表1，水頭損失系數(shù)按式(2)計算。

(2)

式中ζ——為水頭損失系數(shù);

h——為庫水位與參考斷面之間總水頭損失，m;

v——為參考斷面平均流速，m/s;

g——為重力加速度,m/s2。

表1 進(jìn)水口段水頭損失及水頭損失系數(shù)

試驗表明：

(1)進(jìn)水口前設(shè)置疊梁門后，水流越過疊梁門進(jìn)入壓力管道過程中流向經(jīng)歷兩次90°轉(zhuǎn)彎，水流條件復(fù)雜，局部水頭損失增加，進(jìn)水口段水頭損失系數(shù)較不設(shè)疊梁門時明顯增大，進(jìn)水口前不設(shè)疊梁門時，進(jìn)水口段水頭損失系數(shù)為0.22，設(shè)置疊梁門時，進(jìn)水口段水流損失系數(shù)為0.56～0.65。

(2)進(jìn)水口段的水頭損失系數(shù)隨著疊梁門層數(shù)增多略有增大，其原因為通倉流量內(nèi)支撐梁增多引起的局部水頭損失增大。

2.3 流速分布

進(jìn)水口前設(shè)置兩層疊梁門取水，門頂淹沒水深25 m時，疊梁門頂流速垂線分布如圖3所示。疊梁門頂流速垂線分布下大上小，主流集中在門頂10 m范圍內(nèi)，流速值為0.9～2.1 m/s，底部主流流速約為平均流速的1.3～1.5倍，疊梁門頂10 m以上水層的流速值大幅降低，基本在0.4～0.7 m/s范圍內(nèi)。

圖3 疊梁門頂淹沒水深25 m時疊梁門頂流速垂線分布(兩層疊梁門)

2.4 進(jìn)水單元之間水流動規(guī)律

電站進(jìn)水口相鄰機組攔污柵段在2 786.50 m高程以上用隔墻隔斷，以下各機組段連通補水。圖4為進(jìn)水口前放置疊梁門后，相鄰機組之間橫向流速分布，橫向流速越大，補水量越大。

試驗結(jié)果表明：當(dāng)5號和6號機組開機，僅5號和6號機組進(jìn)水口前放置疊梁門運行時，4號取水單元對5號取水單元有一定補水，3號取水單元對4號和5號取水單元無補水效果，此時4號取水單元前底層冷水以向5號取水單元補水的形式下泄；當(dāng)5號和6號機組開機，4號、5號、6號機組進(jìn)水口前放置疊梁門運行時，4號取水單元對5號取水單元有一定補水，3號取水單元對4號和5號取水單元有少量補水，2號取水單元對3～5號取水單元無補水效果，此時3號取水單元前少量底層冷水以向4號和5號取水單元補水的形式下泄；當(dāng)5號和6號機組開機，3號、4號、5號、6號機組進(jìn)水口前放置疊梁門運行時，4號取水單元對5號取水單元有一定補水，3號取水單元對4號和5號取水單元有少量補水，2號取水單元對3～5號取水單元無補水效果，此時5號和6號機組下泄水流均為進(jìn)水口前上層水體。因此，廠房進(jìn)水口設(shè)置疊梁門取水時，在運行機組左右兩側(cè)相鄰2個及以上機組段同時放置疊梁門可保證機組下泄水流均為進(jìn)水口前上層水體。

大型水電站進(jìn)水口疊梁門數(shù)量及層數(shù)較多，疊梁門一次吊放時間較長，同時，為適應(yīng)庫水位變化，進(jìn)水口前疊梁門放置層數(shù)須不斷變化，這導(dǎo)致疊梁門的運行方式變得十分復(fù)雜。對進(jìn)水單元之間水流動規(guī)律的研究成果可擬定較好的疊梁門運行方式。

3 結(jié) 語

本文以兩河口水電站疊梁門分層取水進(jìn)水口水工模型為基礎(chǔ)，對進(jìn)水口的水流流態(tài)、水流損失系數(shù)、流速分布及水流動規(guī)律等水力特性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

(1)為保證進(jìn)水口前水流平穩(wěn)，無有害漩渦出現(xiàn)，疊梁門頂最小淹沒水深應(yīng)大于20 m；疊梁門分層取水進(jìn)水口的臨界淹沒水深不能完全采用戈登公式進(jìn)行計算。

a.5號、6號機組運行，5號、6號機組進(jìn)水口前放置疊梁門

c.5號、6號機組運行，3號、4號、5號、6號機組進(jìn)水口前放置疊梁門

(2)進(jìn)水口前設(shè)置疊梁門時，進(jìn)水口段水流損失系數(shù)為0.56～0.65，大于進(jìn)水口前不設(shè)疊梁門時；進(jìn)水口段的水頭損失系數(shù)與疊梁門總高度成正比關(guān)系。

(3)疊梁門頂流速垂線分布下大上小，底部流速約為平均流速的1.3～1.5倍。

(4)廠房進(jìn)水口設(shè)置疊梁門取水時，在運行機組左右兩側(cè)相鄰2個及以上機組段同時放置疊梁門可保證機組下泄水流均為庫區(qū)疊梁門高程以上。

[1] 高學(xué)平,等.水電站疊梁門分層取水流動規(guī)律及取水效果[J].

天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2013,46(10):895-900.

[2] 高志芹,等.糯扎渡水電站進(jìn)水口疊梁門分層取水研究[J].云南水力發(fā)電,2012,28(4):15-19.

[3] 柳海濤,等.光照水電站分層取水進(jìn)水口水力特性研究[C]//.水力學(xué)及水動力學(xué)進(jìn)展,南京:河海大學(xué)出版社，2007:306-311.

[4] Tracy B. Vermeyen. Glen Canyon Dam Multi-level Intake Structure Hydraulic Model Study[R]. Technical report R-99-02, U.S. Department of the Interior, 1999.

[5] 章晉雄，張東，吳一紅，等.錦屏一級水電站分層取水疊梁門進(jìn)水口水力特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2010,29(2):1-6.

2016-07-12

王川(1986-)，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，從事高速水流的泄洪消能研究工作。

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