某取水首部地下電站水工模型試驗研究

呂炎浩

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

某取水首部地下電站水工模型試驗研究

呂炎浩

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

目前國內(nèi)隧洞的消能型式有多種，某取水首部地下電站采取錐形閥進行消能，為研究其消能方案的可行性，判斷各部位水面線狀態(tài)及有無明滿流交替現(xiàn)象，現(xiàn)采用水工模型試驗的方法進行研究。文中綜合闡述了模型的設計、制作、量測裝置、量測方法及試驗成果。

取水首部；地下電站；水工模型；水面線；錐形閥

1 工程概況

某取水首部地下電站為有壓引水式的地下廠房，取水首部有進水口、有壓隧洞（2條）、地下廠房、尾水隧洞組成。取水口為獨立式進水口，其尺寸為33.3 m×（13～18.5）m（長×寬），總高度為56.8 m。取水口后接有2條長為178.04 m的圓形壓力隧洞，洞徑為4.5 m,隧洞起點底板高程為258.2 m。每條壓力隧洞在末端分岔，分別與廠房內(nèi)水輪發(fā)電機組和錐形消能閥相接。

地下式廠房設在進水口后178.04 m處的山體內(nèi)，樁號為0+178.04～0+198.44 m，其平面尺寸為95 m×20.4 m（長×寬），廠房高度為36.06 m。廠房內(nèi)設有2臺水輪發(fā)電機組（單臺裝機容量為1.3 MW）和2臺直徑為2.4 m的錐形消能閥。2臺機組布置在中間，機組間距為17.0 m。錐形閥布置在機組的兩側(cè)，與機組間距為17.0 m，每臺設備均設有單獨的尾水壓力洞，各尾水壓力洞在末端交匯到一起并與下游主洞相接。機組與錐形閥的安裝高程均為254.00 m。錐形閥出口為淹沒式出流，淹沒深度為12.34 m。錐形閥出口接壓力尾水洞長60 m，在距錐形閥出口23 m處，設有平板尾水檢修閘門。尾水洞斷面尺寸為5 m×5 m，尾水洞末端由壓力水流轉(zhuǎn)換為無壓水流與機組尾水洞匯合。尾水洞采用現(xiàn)澆混凝土襯砌。

2 試驗目的和內(nèi)容

2.1 試驗目的

該工程輸水流量為10～90 m3/s，水庫水位變化范圍為265～309.09 m，水頭變幅大，由于水輪機組適用水頭范圍有限，在低水頭情況下機組無法正常工作，并且為保證電站機組檢修（或事故）時不影響供水，在機組兩側(cè)布置2個旁通管，旁通管上安裝直徑為DN2400的錐形調(diào)流閥及檢修蝶閥，調(diào)流閥與水輪機配合共同完成該段的調(diào)流和消能任務。

機組與錐形閥尾水與無壓輸水隧洞相接，為了避免輸水隧洞出現(xiàn)明滿流交替，需保證隧洞凈空（大于15%）。機組發(fā)電尾水位可保證引水流量與水流穩(wěn)定性的要求。由于錐形閥消能率為70%～80%左右，水流剩余能量容易引起輸水隧洞的水位波動，影響隧洞的輸水安全。

水面線的研究通常采用試驗測量、理論計算以及數(shù)值模擬等。根據(jù)連續(xù)方程和能量方程得到的水面線數(shù)學模型進行計算，現(xiàn)行的水面線計算方法多為試算數(shù)學模型。然而現(xiàn)階段數(shù)值計算的方法還不夠成熟，很多時候更直接采用水工模型試驗的方法進行水面線的測量繪制。

該次水工模型試驗目的在于驗證調(diào)流閥消能方案設計的可行性，保證尾水水流平穩(wěn)進入輸水隧洞。

2.2 試驗內(nèi)容

水工模型試驗的主要研究內(nèi)容有：

1）研究尾水閘門井處水流流態(tài)以及水位波動情況，閘門井是否有噴水現(xiàn)象，氣流狀況，以及對運行人員安全的影響。

2）論證消力池內(nèi)水流銜接情況、尾水交匯洞室內(nèi)水面波動情況，水面以上凈空不能小于15%，水位波動不超過0.3 m。研究消除水面波動措施。

3 模型設計

3.1 模型設計及制作

模型依據(jù)重力相似原則設計，長度比尺為30∶1，各物理量模型比尺見表1。模型閥直徑80 mm，原型最大水頭52 m，采用3 m高的高位水箱給模型供水；進口段采用變態(tài)模型，模擬錐形閥前50 m，只保證阻力相似；下游模擬附件支洞出口后20 m；模型全部由有機玻璃制作，可以基本滿足糙率相似要求。

表1 模型試驗各物理量比尺表

3.2 量測裝置和量測方法

該次模型試驗：

1）進口采用電磁流量計或者超聲波流量計計量流量，出口采用三角形量水堰校核流量。流量在上游設流量計量測，在下游設直角三角形量水堰量測，模型流量計算公式：

式中：Q——流量，m3/s；H——堰上水頭，m。

2）上、下游水位由固定水尺讀取，量水堰水位讀數(shù)用精度為0.1 mm的固定測針施測。

3）水面線用固定水尺和鋼尺直量取。

4）試驗采用照相機或者攝像機進行照相與攝像。

4 試驗成果

試驗對1號、2號錐閥壓力尾水洞出口和1號與2號錐閥壓力尾水洞出口之間的無壓尾水洞的水面線進行施測，各工況無壓尾水洞水面線見表2。

試驗成果表明：尾水閘門井的水面基本與壓力尾水洞出口的水面相近；在錐閥全開時，閘門井內(nèi)水面波動隨錐閥過流量的增大而增大；實測各工況下的最高水面都在267.9 m以下。2號錐閥壓力尾水洞出口后，水面沿程略有壅高；無壓尾水洞內(nèi)沿程水面平順，水面波動值均在0.1 m以下，各工況無壓尾水洞水面波動見表3。

表2 各工況無壓尾水洞水面線成果匯總表

表3 各工況無壓尾水洞水面波動成果匯總表

5 研究結(jié)論

采用水工模型試驗的方法對取水首部地下電站采取錐形閥消能后各部位水面線狀態(tài)及明滿流交替現(xiàn)象進行了研究，較好的判斷了消能方案的可行性。通過試驗成果分析，可得出以下結(jié)論：

1）當有壓尾水洞處于滿水狀態(tài)，開啟錐形閥時，尾水閘門井水面變化平穩(wěn)，未有不利流態(tài)出現(xiàn)。尾水閘門井的水面基本與壓力尾水洞出口的水面相近；在錐閥全開時，閘門井內(nèi)水面波動隨錐閥過流量的增大而增大；實測各工況下的最高水面都在267.9 m以下。建議只在有壓尾水洞處于滿水開啟閥門，安裝旁通管以保證有壓，安裝檢修抽水水泵。

2）壓力尾水洞出口的無壓尾水洞內(nèi)水流平順，水面波動值均在0.1 m以下，滿足水面波動值小于0.3 m的要求。

［1］趙經(jīng)華.某隧洞出口段水工模型試驗研究［J］.人民黃河，2010（1）.

［2］袁榮庫，任玉平.彎彎川水電站引水發(fā)電隧洞水工模型試驗研究［J］.黑龍江水利科技，2012（11）：10-11．

［3］梁文龍，李貴平，余躍.隧洞進水口及洞內(nèi)消能水工模型試驗研究［J］.貴州工業(yè)大學學報，2001（3）：95-100.

TV731 < class="emphasis_bold"> ［文獻標識碼］A

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1002—0624（2017）09—0051—02

2016-08-18