CCS水電站輸水隧洞水力特性研究

肖豫　邢建營　武彩萍

摘要：厄瓜多爾CCS水電站輸水隧洞連接首部樞紐沉沙池和調(diào)蓄水庫，隧洞總長24.8 km，正常運行工況下輸水隧洞為明流洞，在機組甩負(fù)荷關(guān)閉隧洞出口閘門時，隧洞后半段出現(xiàn)壓力流，因此需要對輸水隧洞進(jìn)行全面水力特性分析，確保輸水隧洞在各種工況下安全運行。分析隧洞過流能力、水面曲線、彎道水流特性以及出口閘關(guān)閉時間不同對洞內(nèi)流態(tài)的影響、消力池沖刷等表明，輸水隧洞正常運行工況下水流性態(tài)良好，通過出口閘門的適時調(diào)度，可將隧洞明滿流過渡段控制在較小的范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞：水力設(shè)計;水工模型試驗：CCS水電站

中圖分類號：TV62

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.06.020

1 輸水隧洞布置及相關(guān)水力要求

1.1 輸水隧洞布置

厄瓜多爾CCS水電站輸水隧洞連接首部樞紐沉沙池和調(diào)蓄水庫，隧洞由進(jìn)口及洞身段、出口閘室及消力池組成。進(jìn)口位于首部樞紐沉沙池靜水池下游側(cè)，不設(shè)置閘門，可通過首部樞紐取水口工作門控制水流。輸水隧洞進(jìn)口底板高程為1 266.9 m，其后接輸水隧洞，進(jìn)口及洞身段總長24.8 km。隧洞出口底高程為1 224.0 m，縱坡坡降為0.173%。隧洞出口設(shè)置事故閘門，閘室段長20.0 m，閘室段后設(shè)護(hù)坦、跌水及消力池，總長80.3 m。

正常運行工況下輸水隧洞為明流洞。機組甩負(fù)荷時，由于洞內(nèi)水體全部進(jìn)入調(diào)蓄水庫后，將抬高庫內(nèi)水位，影響庫區(qū)支溝生態(tài)環(huán)境，因此需臨時關(guān)閉隧洞出口閘門，隧洞出口部分洞段因洞內(nèi)水流持續(xù)向下游自流而逐漸出現(xiàn)壓力流狀態(tài)。

為確保整個工程在各種工況下安全運行和經(jīng)濟(jì)合理，在進(jìn)行工程布置時，需要對隧洞的過流能力、水面銜接、水面曲線等進(jìn)行全面分析，確定在正常運行工況下通過設(shè)計流量所需的最小斷面。

1.2 水力要求

首部樞紐逐日流量與保證率關(guān)系見表1，逐日流量已扣除生態(tài)基流和基多引水共23 m/s的流量。

輸水隧洞最大設(shè)計流量與最小設(shè)計流量分別采用222.00 m/s和72.70 m/s，其保證率分別可達(dá)到48%和98%。

在正常運行狀況下，輸水隧洞流量為設(shè)計流量，隧洞內(nèi)水流流態(tài)為明流，洞內(nèi)水面線以上凈空比應(yīng)不小于20%。當(dāng)出口閘門由于緊急狀況臨時關(guān)閉時，隧洞短暫存在壓力流狀態(tài)。隧洞下游的消能設(shè)施應(yīng)能滿足工程安全運行要求。

2 輸水隧洞水力學(xué)計算

2.1 糙率選擇

對于長距離輸水工程，工程設(shè)計中水力糙率n的取值對輸水建筑物斷面確定起著至關(guān)重要的作用，直接影響輸水?dāng)嗝娲笮?，進(jìn)而影響工期和建設(shè)投資。CCS水電站長24.8 km的輸水隧洞中約有1.5 km采用現(xiàn)澆混凝土襯砌，其他23.3 km采用預(yù)制管片襯砌，設(shè)計時糙率通過工程類比選用。國內(nèi)外部分輸水隧洞糙率取值情況見表2[1]。

CCS輸水隧洞絕大部分洞段采用預(yù)制管片襯砌，管片環(huán)寬1.8 m，分縫較少。所有管片均由高精度鋼模制作。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，考慮到工程設(shè)計保留一定的允許誤差，糙率設(shè)計值取0.014 5：在一維水力模型計算中，隧洞初期運行階段洞內(nèi)邊墻較光滑，糙率取0.013 3，隧洞后期運行階段糙率取0.014 5。

2.2 最小凈空

我國《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》[3]規(guī)定：低流速無壓隧洞橫斷面尺寸應(yīng)符合在恒定流情況下，當(dāng)通氣條件良好時，洞內(nèi)水面線以上凈空面積不宜小于隧洞斷面面積的15%.高度不應(yīng)小于0.4 m。

美國墾務(wù)局《Design of Small Dams》[4]要求：為保證隧洞內(nèi)為明流，水流斷面面積與隧洞總面積的比值通?？刂圃?5%，即凈空比不小于25%。

美國墾務(wù)局設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)第3卷《Water ConveyanceFacilities， Fish Facilities， and Roads and Bridges》c5]規(guī)定水深為0.82倍隧洞內(nèi)徑（換算凈空比為12.240-/0）。

結(jié)合中美相關(guān)規(guī)范的要求，CCS水電站輸水隧洞最小凈空比采用20%。

2.3 水力計算[6]

根據(jù)謝才公式和明渠均勻流的性質(zhì)：

按照最大設(shè)計流量下最小凈空比不小于200-/0的要求確定輸水隧洞內(nèi)徑為8.2 m，相應(yīng)的均勻流正常水深在流量為222.0 m/s時為6.13 m，在流量為72.7m/s時為3.06 m（見表3）。

采用明渠均勻流理論復(fù)核隧洞過流能力，推算隧洞全程水面曲線，復(fù)核隧洞的凈空比。計算結(jié)果表明，在正常運行工況下，不同設(shè)計流量下隧洞全線過流能力均滿足要求，不會發(fā)生明滿流交替情況。

2.4 彎道水流

彎道水流[7]產(chǎn)生的離心力引起了彎道外側(cè)水流水面的抬升及內(nèi)側(cè)水流水面的下降。彎道外側(cè)水面與中心線理論水面的最大高差計算公式為中心線曲率半徑。

輸水隧洞彎道段水力計算結(jié)果見表4。

2.5 一維恒定流和非恒定流數(shù)值模擬

采用一維非恒定流數(shù)學(xué)模型[8]作為研究手段。首先構(gòu)建輸水隧洞一維非恒定流模型并進(jìn)行驗證，然后根據(jù)擬定的計算工況進(jìn)行計算，結(jié)合計算結(jié)果分析不同計算條件下隧洞的水流特性，并為隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

數(shù)值模擬中考慮了以下工況：①工況1，引水流量222.0 m3/s.出口處水位1 229.5 m（輸水隧洞出口最高運行水位）;②工況2，引水流量222.0 m3/s，出口處水位1 216.0 m（輸水隧洞出口最低運行水位）;③工況3.引水流量72.7 m/s，出口處水位1 229.5 m;④工況4.引水流量72.7 m/s，出口處水位1 216.0 m;⑤工況5，引水流量222.0 m/s、出口處水位1 229.5 m時，沉沙池閘門先行瞬間關(guān)閉，出口閘門延時20 min逐漸關(guān)閉，穩(wěn)定后再重新開啟;⑥工況6，引水流量222.0 m/s時，沉沙池閘門先行瞬間關(guān)閉，出口閘門控泄（控泄流量50.0 m/s），然后重新開啟。

利用一維非恒定流數(shù)學(xué)模型研究了輸水隧洞內(nèi)不同運行條件下的水力特性，主要結(jié)論如下。

（1）基于Priessman提出的“窄縫法”對一維明渠非恒定流模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了有壓流動和無壓流動的通用模型，并以此為基礎(chǔ)研究輸水隧洞內(nèi)水流特性。模型驗證結(jié)果表明：該模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬不同條件下的恒定及非恒定流動，計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好。

（2）隧洞運行后期的恒定流（工況1-4）計算結(jié)果表明：隧洞通過流量為222.0 m/s時，洞內(nèi)正常水深為6.12 m，平均流速為5.24 m/s;隧洞通過流量為72.7m/s時，洞內(nèi)正常水深為3.06 m，平均流速為4.04 m/s：由于隧洞內(nèi)流態(tài)為急流，因此隧洞出口水位對洞內(nèi)水流特性影響不大：隧洞運行初期采用的糙率小，洞內(nèi)水深比運行后期小。

（3）隧洞運行后期非恒定流（工況5、6）計算結(jié)果表明：在閘門調(diào)節(jié)下，隧洞出口段出現(xiàn)明滿流交替狀態(tài)，在水力過渡過程中隧洞出口斷面頂部的最大水擊壓強水頭達(dá)30.84 m，運行初期同樣工況下最大水擊壓強水頭為29.21 m。

2.6 消力池沖刷計算

為確定消力池底板高程，采用Veronese、Yildiz&Uzucek、Damle、Chian Min Wu、Martins、Manson&Aru-mugan等公式進(jìn)行消力池沖刷計算，計算結(jié)果見表5。

通過理論計算及水工模型試驗驗證，消力池底板高程采用1 203.0 m。

2.7 出口閘門關(guān)閉工況水力計算及運行要求

輸水隧洞中部布置2B施工支洞，施工期作為TBM2拆機及出洞通道，TBM2拆除后改建為檢修通道，洞口底板高程為1 261.5 m。當(dāng)輸水隧洞出口閘門關(guān)閉時，隧洞內(nèi)剩余水量及不斷補給的滲漏水量可能會造成隧洞內(nèi)的水從2B洞口溢出。根據(jù)輸水隧洞滲漏實測資料可知，其滲漏量為145 - 742 L/s。

假定閘門勻速關(guān)閉，出口閘泄水量持續(xù)減少，計算不同關(guān)閉閘門時間、滲漏量分別為145、742 L/s時，保證洞內(nèi)水流不從2B洞口溢出的時間，結(jié)果見表6。運行時可以根據(jù)滲漏量監(jiān)測資料和出口閘門設(shè)置的水位計觀測結(jié)果選擇出口閘門關(guān)閉時間。

3 水工模型試驗

3.1 首部樞紐沉沙池輸水隧洞進(jìn)口模型試驗

3.1.1 試驗?zāi)康?/p>

首部樞紐沉沙池模型[9]包括取水口、沉沙池、輸水隧洞進(jìn)口前靜水池和長300 m的輸水隧洞，模型幾何比尺取1：20。

模型試驗?zāi)康氖茄芯砍辽吵爻辽澈团派承Ч?、沉沙池出口水流與輸水隧洞進(jìn)口水面的銜接等。

3.1.2 試驗內(nèi)容

對于輸水隧洞進(jìn)口，具體試驗內(nèi)容如下：①研究沉沙池出口水流與輸水隧洞進(jìn)口水面的銜接：②觀測沉沙池不同組合運用情況對輸水隧洞進(jìn)流的影響：③量測不同引用流量下隧洞進(jìn)口段及洞身段水面線：④對輸水隧洞進(jìn)口體形進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.3 結(jié)論及建議

進(jìn)行多次水工模型試驗得到以下結(jié)論：

（1）原設(shè)計方案輸水隧洞進(jìn)口體形為矩形，當(dāng)引水流量為222.0 m/s時，靜水池內(nèi)流態(tài)基本平順。水流自靜水池進(jìn)入輸水隧洞后，在進(jìn)口段產(chǎn)生明顯的水面跌落，隧洞內(nèi)水面波動較大。

（2）進(jìn)口體形修改為進(jìn)口兩側(cè)邊墻曲線為半徑4m半圓弧方案和1/4橢圓曲線方案時，洞內(nèi)進(jìn)口段水面跌落減小，洞內(nèi)流態(tài)得到改善。但引水流量為222.0m/s時，洞內(nèi)水流波動仍較大，且進(jìn)口段局部最小洞頂高度余幅較小，建議將洞進(jìn)口段及漸變段洞頂抬高1m，漸變段加長，以滿足洞頂高度余幅的要求。

3.1.4 設(shè)計修正

根據(jù)水工模型試驗結(jié)果，對輸水隧洞進(jìn)口段結(jié)構(gòu)修正如下：①進(jìn)口采用1/4橢圓曲線方案：②為滿足洞頂高度余幅的要求，樁號0+000-0+270段隧洞內(nèi)徑加大為9.20 m;③樁號0+270-0+290為漸變段，隧洞內(nèi)徑由9.20 m漸變?yōu)?.20 m;④樁號0+290以后隧洞內(nèi)徑為8.20 m;⑤進(jìn)口漸變段長度由15 m加長至20m，以避免脈動流沖擊頂板，使水流流態(tài)更順暢。

3.2 調(diào)蓄水庫輸水隧洞出口模型試驗

3.2.1 試驗?zāi)康?/p>

調(diào)蓄水庫水工模型試驗[1O]模擬范圍包括整個調(diào)蓄水庫。建筑物模擬輸水隧洞出口段（模擬長度為400 m）、2條壓力洞進(jìn)口段（模擬長度為300 m）及放空洞進(jìn)口段。模型幾何比尺取1：40。

通過模型試驗，研究輸水隧洞正常運用和閘門啟閉時出口消能效果，觀測調(diào)蓄水庫流態(tài)和流速分布，壓力管道進(jìn)口流態(tài)及壓力分布，輸水隧洞出流對壓力管道進(jìn)流流態(tài)的影響，庫區(qū)淤積對電站引水的影響。

3.2.2 試驗內(nèi)容

（1）進(jìn)行輸水隧洞出口消能型式試驗研究。

（2）驗證正常運行工況設(shè)計流量222.0 m/s和最小流量72.7 m/s時對應(yīng)調(diào)蓄水庫正常蓄水位和死水位情況輸水隧洞出口消能效果。

（3）觀測非常運行工況輸水隧洞出口閘門啟閉時，對應(yīng)調(diào)蓄水庫死水位的輸水隧洞出口流態(tài)。

3.2.3 結(jié)論及建議

通過多次水工模型試驗得到以下結(jié)論。

（1）將輸水隧洞出口閘室段由2孔調(diào)整為1孔，修改后閘室流態(tài)平順。

（2）將消力池加深、加長后，不同流量下消力池消能充分，水流均勻平順進(jìn)入下游河道，水庫內(nèi)各斷面流速分布均勻，電站進(jìn)水口流態(tài)平順，沒有出現(xiàn)串通性漏斗旋渦。

（3）引水流量為72.7 m3/s，水庫水位1 216.0 m時洞出口為自由跌水，出口段水面線為降水曲線：水庫水位1 229.5 m時，受洞出口淹沒影響，洞出口段水深較自由出流時明顯增大。

（4）引水流量為222.0 m/s，水庫水位1 216.0 m時，洞出口為自由跌水，出口段水面線為降水曲線;水庫水位1 229.5 m時，洞出口為淹沒出流，閘室段水深增大，但洞內(nèi)水深與自由出流時變化不大。

（5）將輸水隧洞出口護(hù)坦段右側(cè)邊墻擴(kuò)散角減小為0°，水流出洞后主流擺向水庫中部，水庫流態(tài)得到改善。

（6）引水流量為222.0 m/s，當(dāng)水庫水位高于正常蓄水位1 229.5 m時，隧洞出口段將產(chǎn)生壅水，洞內(nèi)水深大于設(shè)計正常水深，不滿足洞內(nèi)高度余幅設(shè)計要求。因此，輸水隧洞出口底板最低高程不能低于1 224.0 m，

（7）消力池底板上壓力水頭隨著調(diào)蓄水庫水位的升高而增大，底板壓力水頭接近水深。

（8）根據(jù)輸水隧洞出口閘門關(guān)閉時的水流條件，輸水隧洞出口閘門接觸到水面后洞內(nèi)產(chǎn)生水擊波，閘門關(guān)閉約1.6 min后水擊波傳播至距洞出口300 m處。閘門關(guān)閉過程中隧洞存在明滿流過渡流態(tài)。

（9）根據(jù)輸水隧洞出口閘門開啟時的水流條件，閘門開啟過程中水舌挑距相對較遠(yuǎn)，水庫水面有較大波動。當(dāng)沉沙池正常運行（閘前水頭42.9 m）、輸水隧洞出口閘門開啟時，水庫水面波動較設(shè)計水流條件時更為劇烈。

（10）局部修改消力池體形后，雖然在高水位時水庫流態(tài)變化不大，但在死水位附近時水流流態(tài)得到改善。

3.2.4 設(shè)計修正

根據(jù)水工模型試驗結(jié)果，對輸水隧洞出口段結(jié)構(gòu)修正如下：①出口閘室由2孔調(diào)整為1孔：②消力池底板高程降至1 203.0 m，消力池中心線長度加長至57.79 m;③根據(jù)試驗結(jié)果局部修改消力池尾部體型，改善水流流態(tài)。

4 結(jié)語

CCS水電站輸水隧洞存在不同運行工況下水力差異顯著的問題，采取相關(guān)措施，將隧洞不利水力條件控制在較小的運行范圍內(nèi)，再結(jié)合閘門的適時調(diào)度，可以解決隧洞各運行階段的相關(guān)水力學(xué)問題。CCS水電站輸水隧洞自2016年竣工以來運行良好。

大流量、水流條件復(fù)雜的水工隧洞設(shè)計條件和運行條件都很特殊，僅通過工程類比和計算分析難以準(zhǔn)確確定設(shè)計參數(shù)和工程措施，而其一旦失事或設(shè)計失誤將造成較大甚至不易彌補的損失，故應(yīng)結(jié)合局部或整體水工模型試驗進(jìn)行綜合研究。

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