長(zhǎng)距離引水隧洞特征工況分析及蝸殼壓力計(jì)算

楊 剛，劉 健

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 400074)

石筍河四級(jí)水電站位于重慶市奉節(jié)縣石筍河。由于石筍河為典型的西南山區(qū)河流，水面比降大、水流急、水頭落差高，且平面布置受限制，需要設(shè)置長(zhǎng)距離引水隧洞，總長(zhǎng)為586.71m。本文通過(guò)數(shù)值模型計(jì)算分析，驗(yàn)證石筍水電站長(zhǎng)距離引水隧洞在特征工況下的水力變化過(guò)程及蝸殼壓力變化過(guò)程。

1 工況概況分析

1.1 工程概況

石筍河四級(jí)水電站工程設(shè)計(jì)等級(jí)為四級(jí)，正常蓄水位庫(kù)容為450萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為408萬(wàn)m3。工程多年年均徑流量為32411m3/s，設(shè)計(jì)洪水位為451.69m，裝機(jī)容量為2×2400(一期)+4800(二期)=9600kW，多年平均發(fā)電量為2218kW·h。

其中，引水隧洞布置于左岸，為有壓隧洞，隧洞長(zhǎng)587.72m，引水隧洞為圓形斷面，洞徑為5.5m，坡度為1.5∶10。進(jìn)口底板高程438.00m，出口底板高程392.71m；沿線地面高程430～690m，埋深13～252m。

1.2 設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)工程附近的把水寺站水文實(shí)測(cè)資料推算分析，工程段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果見表1。

1.3 泥沙特性

根據(jù)工程附近把水寺站水文實(shí)測(cè)資料，工程河段多年平均懸移質(zhì)輸沙量為34.16萬(wàn)t；多年平均推移質(zhì)輸沙量約為5.12萬(wàn)t。泥沙輸移主要集中在6—10月。

1.4 水位、流量對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)工程附近把水寺站水文實(shí)測(cè)資料，工程段水位流量關(guān)系曲線如圖1所示，分析圖1可知，二者呈典型的乘冪曲線關(guān)系。

1.5 地形地貌及工程地質(zhì)

工程區(qū)地處新華夏系第三隆起帶和第三沉降帶之交接部位，亦即川鄂湘黔隆褶帶西北緣與四川沉降褶帶內(nèi)二級(jí)構(gòu)造-川東褶帶的接合部，其北緣與北西向的大巴山弧形構(gòu)造斜接、重接復(fù)合；在區(qū)域構(gòu)造上屬新華夏構(gòu)造體系。兩褶帶以齊耀山背斜為界，以南為新華夏系第三隆起帶，以北屬新華夏系第三沉降帶。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，無(wú)區(qū)域性斷裂通過(guò)，壓性和壓扭性斷層較發(fā)育，但規(guī)模不大。齊耀山背斜以東，區(qū)域一級(jí)褶皺構(gòu)造均呈NNE向展布，背斜兩翼往往不對(duì)稱，西北翼緩，南東翼陡，軸面時(shí)有扭轉(zhuǎn)。齊耀山背斜以西，從SW向NE，主要構(gòu)造線由NNE走向自然彎轉(zhuǎn)為近EW向，均消失于齊耀山背斜西北側(cè)，成為突向NW的弧形構(gòu)造帶。

表1 工程處石筍河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果

圖1 工程處水位與流量關(guān)系曲線圖

石筍河分別流經(jīng)攔河壩向斜、梁橋背斜、巫山向斜、齊耀山背斜。在構(gòu)造形式上以褶皺變形為主，斷裂少見，區(qū)內(nèi)無(wú)深大斷裂分布，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)上升作用十分強(qiáng)烈，流水深蝕，形成高崖深谷，背斜成山，向斜成谷，主要山脈走向均與構(gòu)造線方向一致，使山峰巍峨聳立，巍然壯觀。

1.6 電站系統(tǒng)布置

廠區(qū)建筑物由主廠房、副廠房、升壓站、尾水建筑物等組成。廠址位于大壩樞紐下游1.1km鐵索橋處，廠房為岸邊式廠房，電站共裝機(jī)10000kW+4800kW+10000(備)kW。廠房總長(zhǎng)45.4m，總寬31.0m。主廠房平行石筍河布置于左岸，副廠房布置于主廠房后側(cè)岸坡，尾水建筑物垂直主廠房布置。尾水建筑物垂直于廠房布置，正向出水，通過(guò)尾水隧洞銜接引向石筍河下游。升壓站為露天開敞式，位于廠房上游，長(zhǎng)20.0m，寬12.0m。電站系統(tǒng)布置圖如圖3所示。

圖3 電站系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

2 數(shù)學(xué)模型建立與計(jì)算

2.1 模型建立

建立三維數(shù)學(xué)模型來(lái)分析典型工況下引水隧洞和蝸殼的水力過(guò)程及壓力分布。模型計(jì)算網(wǎng)格采用三角網(wǎng)格，間距設(shè)為3m，局部區(qū)域進(jìn)行加密處理。整個(gè)模型共有46229個(gè)網(wǎng)格和58192個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。其中，蝸殼處三維網(wǎng)格劃分如圖4所示。引水隧洞網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4 蝸殼網(wǎng)格劃分圖

圖5 引水隧洞網(wǎng)格劃分圖

2.2 工況選擇

根據(jù)文獻(xiàn)[9]～[12]對(duì)水輪機(jī)各類工況的分析，以及石筍河四級(jí)水電站實(shí)際運(yùn)作情況，選擇水輪機(jī)機(jī)組在15s內(nèi)甩下100%負(fù)荷作為最大波動(dòng)工況；選擇水輪機(jī)機(jī)組在12s內(nèi)甩下10%負(fù)荷作為最小波動(dòng)工況。

選擇最大波動(dòng)工況和最小波動(dòng)工況這兩種工況作為典型工況進(jìn)行研究分析。

3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 最大波動(dòng)工況

最大波動(dòng)工況下，調(diào)壓井的水力變化過(guò)程如圖6所示。分析圖6可知，在水輪機(jī)機(jī)組甩下100%負(fù)荷后，調(diào)壓井內(nèi)的水位和流量都出現(xiàn)了周期性震蕩，其中波動(dòng)周期約為710s，波動(dòng)周期內(nèi)水位波峰為2822.6m，波谷為2769.1m，振幅達(dá)到53.5m。最大水位出現(xiàn)在210s左右區(qū)域。流量波動(dòng)周期與水位波動(dòng)周期基本一致，最大流量為205.3m3/s。

圖6 最大波動(dòng)工況下水力變化過(guò)程

最大波動(dòng)工況峰值處葉輪壓力、葉輪渦量、蝸殼壓力、管道壓力分布如圖7所示，分析可知：

(1)最大波動(dòng)工況峰值下，葉輪邊角切割水流，產(chǎn)生較大靜壓，最大可達(dá)到4.32×105Pa，小于設(shè)計(jì)閾值3.5×106Pa，滿足穩(wěn)定要求。同時(shí)，在葉輪邊角渦量較大，產(chǎn)生多處明顯漩渦。

(2)最大波動(dòng)工況峰值下，蝸殼最大壓力約為1.92×105Pa，小于設(shè)計(jì)閾值3.0×106Pa；管道最大壓力為5.45×105Pa，小于設(shè)計(jì)閾值6.8×106Pa，均滿足穩(wěn)定要求。

圖7 最大波動(dòng)工況下峰值水力特性數(shù)值模擬結(jié)果

3.2 最小波動(dòng)工況

最小波動(dòng)工況下，調(diào)壓井的水力變化過(guò)程如圖8所示。分析圖8可知，在水輪機(jī)機(jī)組甩下10%負(fù)荷后，調(diào)壓井內(nèi)的水位和流量都出現(xiàn)了周期性震蕩，其中波動(dòng)周期約為710s，波動(dòng)周期內(nèi)水位波峰為2812.33m，波谷為2763.28m，振幅達(dá)到49.05m。最大水位出現(xiàn)在210s左右區(qū)域。機(jī)組出力在經(jīng)過(guò)15s震蕩后基本維持在12.8萬(wàn)kW，較為穩(wěn)定。

圖8 最大波動(dòng)工況下水力變化過(guò)程

最小波動(dòng)工況峰值處葉輪壓力、葉輪渦量、蝸殼壓力、管道壓力分布如圖9所示，分析可知：

(1)最小波動(dòng)工況峰值下，葉輪最大靜壓可達(dá)到3.19×105Pa，小于設(shè)計(jì)閾值3.5×106Pa，滿足穩(wěn)定要求。同時(shí)，在葉輪邊角渦量較大，產(chǎn)生多處明顯漩渦。

(2)最小波動(dòng)工況峰值下，蝸殼最大壓力約為1.39×105Pa，小于設(shè)計(jì)閾值3.0×106Pa；管道最大壓力為1.18×105Pa，小于設(shè)計(jì)閾值6.8×106Pa，均滿足穩(wěn)定要求。

(3)在最小波動(dòng)工況下，水流對(duì)管道的壓力大幅下降。

圖9 最小波動(dòng)工況下峰值水力特性數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié)論

為研究長(zhǎng)距離引水隧洞水力過(guò)渡過(guò)程壓力分布規(guī)律，同時(shí)為石筍河四級(jí)水電站運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)，本文建立三維數(shù)學(xué)模型計(jì)算、分析，得到以下結(jié)論：

(1)在水輪機(jī)機(jī)組甩去部分或者全部負(fù)荷后，調(diào)壓井內(nèi)的水位和流量都出現(xiàn)了周期性震蕩，波動(dòng)周期均在710s左右，其中最大波動(dòng)工況震蕩幅度約為53.5m；最小波動(dòng)工況震蕩幅度約為49.050m。

(2)在各工況下，葉輪壓力、蝸殼壓力、管道壓力均小于設(shè)計(jì)閾值，滿足穩(wěn)定要求。總體來(lái)看，實(shí)例工程引水隧洞在各工況下運(yùn)行較為穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)針對(duì)機(jī)組甩去其他比例負(fù)荷的工況，以及各臺(tái)水輪機(jī)甩去負(fù)荷比例不同的工況有待進(jìn)一步分析研究。