某廠頂溢流式電站攔污柵破壞原因分析

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(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710100；2.陜西省桃曲坡水庫(kù)灌溉管理局，陜西 銅川 727000)

1 工程概況

漢江干流某梯級(jí)規(guī)劃開(kāi)發(fā)水電站采用低水頭徑流開(kāi)發(fā)方式。電站以發(fā)電為主，工程規(guī)模為Ⅱ等大(2)型，正常蓄水位217.3 m,水庫(kù)庫(kù)容1.74億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.24億m3，多年平均年徑流量231億m3，多年平均流量732 m3/s，年徑流量分布極不均勻。為減少基礎(chǔ)開(kāi)挖量和滿足泄洪要求，電站在設(shè)計(jì)上選用了結(jié)構(gòu)緊湊、國(guó)內(nèi)目前較少采用的機(jī)組層、泄洪表孔、廠房重疊布置的形式,即廠頂溢流的貫流式電站。電站安裝6臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組裝機(jī)45 MW。電站樞紐建筑物布置型式為Ⅰ線壩型，樞紐建筑物從右岸起依次為右副壩、垂直升船機(jī)壩段、泄洪閘、電站廠房壩段(泄洪表孔)、安裝間及左副壩等。廠房壩段(泄洪表孔)長(zhǎng)108.5 m，廠房進(jìn)口明渠段設(shè)有攔砂坎，頂高程為203.0 m。溢流表孔布置于廠房主機(jī)層與壩頂之間，共6孔，孔口尺寸為12 m×21 m(寬×高)，底高程為196.0 m。電站進(jìn)水口底板高程為172.5 m，上頂板為1∶2的斜坡段后接一段圓弧，起點(diǎn)高程為191.303 m，寬度與表孔同寬。進(jìn)水口設(shè)一道攔污柵，與檢修閘門(mén)同槽。當(dāng)電站遭遇5 a一遇洪水(16 900 m3/s)時(shí)，機(jī)組停機(jī)，表孔擋水閘門(mén)開(kāi)啟參與泄洪；遭遇小于5 a一遇洪水時(shí)，右岸泄洪，電站正常發(fā)電。

電站進(jìn)水口攔污柵選用16 mm厚Q345B材質(zhì)鋼板加工制造，每道攔污柵由1節(jié)底節(jié)柵片、5節(jié)中節(jié)柵片和1節(jié)頂節(jié)柵片組成，柵片之間采用連接板穿銷(xiāo)的方式連接，每節(jié)柵片高2.8 m，攔污柵總高度19.6 m，支撐跨距為12.8 m。每節(jié)柵片均為雙主梁結(jié)構(gòu)，橫梁間距為1.5 m，橫梁寬1.2 m，之間采用等距離的3道立筋板與梁焊接。每節(jié)柵片重約13 000 kg，總質(zhì)量為93 239 kg。設(shè)計(jì)水頭4 m，總水壓為9 120 kN。攔污柵柵槽寬1.4 m,深度0.75 m，攔污柵深入閘槽深度為0.65 m，柵片上、下有防止橫向水平滑動(dòng)的擋塊，水平滑動(dòng)距離不超過(guò)2 cm。

2 攔污柵破壞概況

電站在1#—4#機(jī)組投運(yùn)，5#和6#機(jī)組正處于安裝過(guò)程中，遭遇了略大于20 a一遇的洪水(23 100 m3/s)，洪峰流量為24 400 m3/s，此次洪水歷時(shí)近48 h，洪峰流量時(shí)攔沙坎頂水位為217.5 m。此次洪水過(guò)程中，1#—4#機(jī)組關(guān)停，相應(yīng)的泄洪表孔提閘泄洪，5#和6#機(jī)組泄洪表孔因故較1#—4#機(jī)組表孔泄洪晚了約15 h，且5#和6#機(jī)組進(jìn)水口落有檢修閘門(mén)。洪水過(guò)后，發(fā)現(xiàn)1#機(jī)組出力有所降低，停機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)1#機(jī)組進(jìn)水口沒(méi)有了攔污柵，僅剩底節(jié)柵節(jié)，檢查流道未發(fā)現(xiàn)脫落的柵節(jié)；2#和3#機(jī)組進(jìn)水口攔污柵也不知去向，流道內(nèi)同樣未發(fā)現(xiàn)一節(jié)柵片。至此，總計(jì)20節(jié)柵片脫槽不知去向，但4#機(jī)組攔污柵完好無(wú)損。通過(guò)對(duì)電站引水渠、尾水以及下游河道的搜尋，最后在引水渠和尾水發(fā)現(xiàn)了扭曲變形嚴(yán)重的攔污柵。

廠頂表孔泄洪期間，導(dǎo)葉關(guān)閉，機(jī)組停運(yùn)，流道不過(guò)流，使重達(dá)近百?lài)嵉臄r污柵脫槽破壞，說(shuō)明機(jī)組進(jìn)口前面引水渠內(nèi)的水流流態(tài)復(fù)雜。因此，有必要對(duì)引水渠內(nèi)水流的情況進(jìn)行研究。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

筆者曾參與該電站整體水工模型試驗(yàn)的部分研究工作，并見(jiàn)證過(guò)此次洪水過(guò)程，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是從模型試驗(yàn)，還是從原型觀測(cè)，都難以觀測(cè)到引水渠內(nèi)縱向水流流態(tài)。因此，筆者希望借助數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)，模擬引水渠內(nèi)縱向水流流態(tài)。

洪水期間，流量、水位隨時(shí)間變化，屬典型的非定常流動(dòng)。但是為簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)，流量和水位基本是穩(wěn)定的，可以視為定常流，因此，可以按照定常流來(lái)模擬洪峰時(shí)的水流流態(tài)，再采用水力學(xué)一些理論分析的方法，推斷洪水期間引水渠內(nèi)的水流流態(tài)。

3.1 控制方程

定常流動(dòng)屬于一般不可壓縮水流流動(dòng)問(wèn)題，可采用k-ε紊流模型封閉Reynolds方程，用VOF法追蹤自由水面[1-2],模型采用二維數(shù)值模型，其基本控制方程組如下。

連續(xù)性方程：

(1)

雷諾平均方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

式中：t為時(shí)間；ui，uj為速度分量(m/s)；xi，xj為坐標(biāo)分量(m)；ρ為容積分?jǐn)?shù)平均密度(kg/m3)；p為修正壓力(Pa)；μ為分子動(dòng)力黏性系數(shù)(N·m/s)；k為湍動(dòng)能(m2/s2)；ε為湍動(dòng)能耗散率(m2/s2)；σk，σε分別為湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε的普朗特?cái)?shù)(無(wú)因次)；c1ε，c2ε，cu為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(無(wú)因次)。計(jì)算時(shí)的模型常數(shù)值為：c1ε=1.44，c2ε=1.92，cu=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

3.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

3.2.1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

為了能較全面地反映縱向水流流態(tài)，數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域的范圍為從攔沙坎前面河床到電站尾水河床，總計(jì)356.72 m，計(jì)算區(qū)域的具體尺寸及形狀見(jiàn)圖1。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖1數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域
Fig.1Computationaldomainofnumericalsimulation

3.2.2 邊界條件

進(jìn)口邊界條件：進(jìn)口采用流速邊界進(jìn)口。進(jìn)口分水流進(jìn)口和空氣進(jìn)口，水流進(jìn)口流速的初始值取自模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，空氣進(jìn)口流速為0。

出口邊界條件：由于采用的是速度進(jìn)口，出口采用自由出流。

固體邊界條件：固體邊界條件采用無(wú)滑移邊界。

3.3 模擬結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)模擬計(jì)算的流速與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和洪水期間面流情況進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)流速基本吻合；試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)引水渠內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓的情況，但是未引起試驗(yàn)人員的足夠重視，以上說(shuō)明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本能夠真實(shí)反映引水渠內(nèi)縱向的水流情況。

數(shù)值模擬結(jié)果表明：從攔沙坎的背水面至機(jī)組流道燈泡頭部這段引水渠和流道內(nèi)，相對(duì)平穩(wěn)的面流之下，大大小小共出現(xiàn)了5個(gè)不同時(shí)針?lè)较虻匿鰷u，可見(jiàn)引水渠內(nèi)流態(tài)之復(fù)雜(圖2)。從圖2中可以看出:5個(gè)漩渦中，機(jī)組進(jìn)口前面的漩渦從范圍、強(qiáng)度來(lái)說(shuō)都是最大的，漩渦形狀接近完整圓形，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?；攔沙坎背面186 m平臺(tái)上的漩渦強(qiáng)度其次，范圍較小，形狀為橢圓形，也為順時(shí)針?lè)较?。漩渦所產(chǎn)生的回流直至攔沙坎頂部，再與過(guò)攔沙坎水流形成了一個(gè)很扁的橢圓形漩渦。由于機(jī)組進(jìn)水口強(qiáng)大漩渦的作用，在進(jìn)水口與燈泡頭部流道內(nèi)產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)度較小、靠近底部的逆時(shí)針?shù)鰷u，同時(shí)在攔沙坎的坡腳也產(chǎn)生了一個(gè)小的逆時(shí)針?shù)鰷u，這2個(gè)逆時(shí)針的漩渦是進(jìn)口強(qiáng)大漩渦的附屬產(chǎn)物。

圖2引水渠內(nèi)的水流流態(tài)
Fig.2Flowpatterninthewaterdiversioncanal

形成橫軸漩渦的主要原因是水流在攔沙坎后邊緣發(fā)生分離，這一點(diǎn)從回流到達(dá)的位置就能看出來(lái)，但是出現(xiàn)多個(gè)橫軸漩渦，主要是面流和地形共同作用的結(jié)果，與跌坎式底流消能坎后橫軸旋渦成因相類(lèi)似[3]。該電站攔污柵的破壞與引水渠內(nèi)的橫軸漩渦是否有直接關(guān)系，須對(duì)漩渦的破壞力作進(jìn)一步分析。

漩渦中心位置坐標(biāo)為：壩上0-8.6 m，高程187.2 m，漩渦直徑約27 m。圖3是過(guò)旋渦中心垂線和水平線的流速分布情況，可以看出：漩渦中心的流速接近為0，從漩渦中心到旋渦邊緣，流速?gòu)?增至約3 m/s,說(shuō)明漩渦沿半徑方向流速梯度大，剪切應(yīng)力相應(yīng)也很大，漩渦消耗了大量的能量，同時(shí)說(shuō)明漩渦蘊(yùn)藏著巨大動(dòng)能，具有強(qiáng)大的破壞力。

圖3過(guò)漩渦中心垂線、水平線流速分布
Fig.3Distributionsofverticalflowvelocityandhorizontalflowvelocityatvortexcenter

圖4是過(guò)漩渦中心垂線和水平線的壓力分布情況，可以看出漩渦使其所處區(qū)域形成了一片負(fù)壓區(qū)：從邊緣到漩渦中心， 絕對(duì)壓力由-14 Pa減至-24 Pa，但壓力的變化幅度不大。從泄洪表孔提閘泄洪開(kāi)始到引水渠內(nèi)出現(xiàn)橫軸漩渦，攔污柵所處的環(huán)境在較短時(shí)內(nèi)發(fā)生了劇烈變化，從承受十幾米水壓迅速降低至負(fù)壓，加載在攔污柵上的靜載荷全部消失。如果在脈動(dòng)水流的沖擊下，攔污柵的振動(dòng)幅度必然很大。

圖4過(guò)漩渦中心垂線、水平線壓力分布
Fig.4Distributionofverticalpressureandhorizontalpressureatvortexcenter

4 攔污柵受力分析

柵槽中心位置：壩下0+4.0 m，距離漩渦中心約12.5 m，攔污柵處于漩渦邊緣，此處流速最大，攔污柵橫梁受水流沖擊力也最大。柵節(jié)橫梁受到的沖擊力可以采用“恒定總流的動(dòng)量方程”計(jì)算[4]，即

ρQ(β2u2-β1u1)=F。

(5)

式中：β1，β2為動(dòng)量修正系數(shù)，均取1.0；ρ為水的密度，水流密度變化忽略不計(jì)；u1為水流流速；u2為水流撞擊攔污柵橫梁后的速度；Q為單位跨度橫梁對(duì)應(yīng)的流量，Q=Au，A為面積，為1.2 m2，u為流速，為2.0～3.0 m/s；F為單位寬度橫梁受到的沖擊力。

從流態(tài)(圖2)可以看出，攔污柵主梁基本是受水流的正向沖擊，如忽略攔污柵的沖擊變形，則u2≈0，u1取3.0 m/s，則單位長(zhǎng)度攔污柵橫梁受到的沖擊力約10.8 kN。攔污柵主梁剪應(yīng)力的設(shè)計(jì)容許值為95 MPa，則攔污柵主梁設(shè)計(jì)容許剪力約為18.2 kN。僅從攔污柵主梁受力的比較來(lái)看，攔污柵是不容易被沖擊破壞的，但攔污柵作為一個(gè)框架結(jié)構(gòu)，受力相對(duì)要復(fù)雜得多。

另外，泄洪期間，流量、流速隨時(shí)間變化，橫軸漩渦的強(qiáng)度、范圍也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，加之存在多個(gè)橫軸漩渦，漩渦相鄰區(qū)域水流紊動(dòng)劇烈，從而引發(fā)漩渦位置、強(qiáng)度發(fā)生變化，因此，攔污柵橫梁受到水流的沖擊力也時(shí)刻在變化。文獻(xiàn)[5]研究了同類(lèi)型電站泄洪表孔水流的脈動(dòng)頻率，為0.05～0.72 Hz，則48 h水流的脈動(dòng)次數(shù)為8.6×103～1.25×105。上文在計(jì)算攔污柵橫梁受到水流沖擊力時(shí)，假定攔污柵主梁是固定的，不發(fā)生彈性形變，但柵節(jié)是大跨度鋼制框架結(jié)構(gòu)，在外力不能直接使其發(fā)生塑性變形的情況下，受水流長(zhǎng)時(shí)間脈動(dòng)沖力和負(fù)壓共同作用，從而引發(fā)攔污柵的振動(dòng)，并存在引發(fā)共振的可能[6]。振動(dòng)致使連接?xùn)殴?jié)的銷(xiāo)軸、連接板脫落，攔污柵解體成獨(dú)立的一節(jié)一節(jié)，焊縫等應(yīng)力集中的薄弱處發(fā)生開(kāi)裂，柵節(jié)強(qiáng)度降低，最終使發(fā)生較大變形脫槽破壞[7]。

1#機(jī)組進(jìn)水口底節(jié)柵片和4#機(jī)組攔污柵沒(méi)有脫槽破壞，分析原因主要是1#機(jī)組靠近安裝間大表孔，大表孔泄洪產(chǎn)生的橫軸漩渦和1#機(jī)組泄洪表孔泄洪產(chǎn)生的漩渦中心不同軸，泄洪表孔下部由于邊壁的影響，漩渦中心要靠上一些，同時(shí)1#機(jī)組靠近岸邊，以及漩渦在靠近底部流向與柵節(jié)橫梁接近平行，所以，沖擊力大為減弱，沒(méi)有破壞；4#機(jī)組攔污柵受5#和6#機(jī)組上部表孔泄水晚、機(jī)組進(jìn)水口有檢修閘門(mén)的影響，4#泄洪表孔泄洪時(shí)由漩渦形成負(fù)壓促使5#和6#機(jī)組引水渠內(nèi)的水流發(fā)生了橫向流動(dòng)，大大削減了漩渦的強(qiáng)度，4#機(jī)組柵片橫梁受到的沖擊的強(qiáng)度都大為降低，因此未發(fā)生破壞，也從側(cè)面印證了攔污柵是受水流長(zhǎng)時(shí)間沖擊發(fā)生疲勞、變形破壞的推斷。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)該電站的攔污柵破壞原因進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)都很難得到引水渠內(nèi)縱向水流流態(tài)，模型試驗(yàn)即使能測(cè)量到引水渠出現(xiàn)的負(fù)壓，也難能深入研究，因此，在設(shè)計(jì)中就很難考慮到表孔泄洪時(shí)會(huì)生成強(qiáng)大的橫軸漩渦的不利因素。

(2)沒(méi)有在進(jìn)水口設(shè)置胸墻對(duì)進(jìn)水口進(jìn)行分割，因此攔污柵的跨度大，整體剛度低。

(3)由于水流沖擊力脈動(dòng)和負(fù)壓環(huán)境，框架結(jié)構(gòu)很容易引起振動(dòng)，發(fā)生疲勞和變形。

漢江洪水峰高量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型電站雖然表孔也有參與泄洪運(yùn)行，但遭受如此大流量洪水的考驗(yàn)，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可供設(shè)計(jì)參考，希望設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)同類(lèi)型電站攔污柵時(shí)，考慮橫向水流的沖擊力，避免同類(lèi)事件發(fā)生。