一種確定側(cè)式進(jìn)/出水口分流墩間距的方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

曾少岳，苗寶廣，周 琦，顧 莉

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

0 引 言

抽水蓄能電站進(jìn)/出水口是電站上、下水庫(kù)連接機(jī)組引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)的重要建筑物。與常規(guī)水電站的進(jìn)、出水口不同，抽水蓄能電站的進(jìn)/出水口具有發(fā)電、抽水兩種運(yùn)行工況，因此其具有雙向水流的特點(diǎn)。以上水庫(kù)進(jìn)/出水口為例，發(fā)電工況時(shí)為進(jìn)流，抽水時(shí)為出流；下水庫(kù)進(jìn)/出水口與之相反。

進(jìn)/出水口一般有兩種基本形式，即豎井式和側(cè)式。當(dāng)抽水蓄能電站的輸水道與上水庫(kù)水平連接時(shí)，宜采用側(cè)式進(jìn)/出水口。雖然側(cè)式進(jìn)/出水口的工程量較大，但便于施工，對(duì)引水道的施工也有一定方便之處。由于水流從水平方向流入進(jìn)/出水口，與井式相比流向沒(méi)有發(fā)生急劇變化，能夠得到良好的水流條件。側(cè)式進(jìn)/出水口在國(guó)內(nèi)外得到普遍采用。根據(jù)78個(gè)抽水蓄能電站進(jìn)/出水口的統(tǒng)計(jì)，側(cè)式進(jìn)/出水口共有57個(gè)，占73%；豎井式進(jìn)/出水口共有21個(gè)，占27%[1]。豎井式進(jìn)/出水口在美國(guó)采用較多，我國(guó)多采用側(cè)式進(jìn)/出水口[1]。

側(cè)式進(jìn)/出水口主要包括有防渦梁消渦結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)、整流段結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1[2]。為了使擴(kuò)散段內(nèi)水流分布均勻、減小阻力系數(shù)，我國(guó)的抽水蓄能工程中擴(kuò)散段內(nèi)一般布置成“兩隔墩三流道”或“三隔墩四流道”的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)置分流墩的目的是為了保證水流在較短的距離內(nèi)能夠均勻擴(kuò)散，而決定擴(kuò)散段各流道流量分配的主要因素是分流墩的形狀和布置方式。如果設(shè)置不合理，不僅會(huì)增加進(jìn)/出水口的水頭損失，而且會(huì)使各流道分流不均，局部流速過(guò)高，引起攔污柵的振動(dòng)甚至破壞。因此，對(duì)于側(cè)式進(jìn)/出水口的分流墩布置進(jìn)行深入研究是非常必要的，分流墩間距的設(shè)計(jì)是重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 常規(guī)側(cè)式進(jìn)/出水口平、剖面示意

1 分流墩布置

“二隔墩三流道”均采用齊頭布置方式。“三隔墩四流道”常見(jiàn)的分流墩布置見(jiàn)圖2，其中圖2a為齊頭形；圖2b為中墩長(zhǎng)邊墩短，常稱為凸形布置；圖2c、2d為中墩短邊墩長(zhǎng)，常稱為凹形布置，不同之處在于邊墩頭部距離擴(kuò)散段起始端的距離不同。

圖2 “三隔墩四流道”常見(jiàn)分流墩布置示意

河海大學(xué)蔡付林[3]、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院孫雙科[4]、中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司韓立[5]等對(duì)分流墩的布置進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究。對(duì)于“三隔墩四流道”布置，不宜將分流墩布置成中墩長(zhǎng)、邊墩短的形式或墩頭平齊的形式，宜采用中墩短、邊墩長(zhǎng)的凹形布置方式，在水流擴(kuò)散之前由兩側(cè)分流墩進(jìn)行第1次流量分配，然后由中間分流墩進(jìn)行第2次流量分配。試驗(yàn)成果表明，采取這種形式的分流墩對(duì)均衡擴(kuò)散流狀態(tài)時(shí)進(jìn)/出水口孔間的流量分配非常有效，又能滿足收縮流狀態(tài)的水力條件[6]。通過(guò)多個(gè)抽水蓄能電站側(cè)式進(jìn)/出水口的模型試驗(yàn)研究得到了類似的結(jié)論，若同時(shí)將分流墩墩頭移至擴(kuò)散段起始端還可以更好地保證各流道分流均勻[7-8]。具體來(lái)說(shuō)對(duì)于“二隔墩三流道”布置，將2個(gè)隔墩均移至擴(kuò)散段起始端。對(duì)于“三隔墩四流道”布置，則將2個(gè)邊墩移至擴(kuò)散段起始端，見(jiàn)圖2d。這樣布置的好處在于分流界限清晰，在來(lái)流還未擴(kuò)散之前分流更加穩(wěn)定。但是對(duì)于“四隔墩五流道”的布置，類似的將邊墩移至擴(kuò)散段起始端，將2個(gè)中墩后移形成凹形布置。但不宜將所有的隔墩都移至擴(kuò)散段起始端，這樣會(huì)造成局部過(guò)于擁擠，不但會(huì)增加進(jìn)/出水口的局部水頭損失，而且也不利于施工。

2 確定分流墩間距的方法

為了將相鄰流道的流量分配差異控制在10%以內(nèi)，NB/T 10072—2018《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了分流墩間距的建議值[2]，即采用分流墩在擴(kuò)散段起始端的寬度比來(lái)設(shè)計(jì)分流墩間距，稱之為寬度比法。對(duì)于“二隔墩三流道”的布置，中間孔道寬占30%，兩邊孔道占70%為宜，見(jiàn)圖3a，其中b1=0.35b，b2=0.3b。對(duì)于“三隔墩四流道”的布置，分流墩采用凹形布置，見(jiàn)圖3b，中墩后退距離約相當(dāng)于進(jìn)口寬度的1/2，中間兩孔占總寬度的44%，兩邊孔占56%，即b1=0.28b，b2=0.22b，l=0.5b，或者說(shuō)單一中間孔道寬與相鄰邊孔寬之比大約為0.785。對(duì)于“四隔墩五流道”的情況，也為凹形布置，見(jiàn)圖3c，但設(shè)計(jì)規(guī)范中沒(méi)有給定分流寬度的建議值。

圖3 分流墩間距示意

中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司承擔(dān)了國(guó)內(nèi)多個(gè)抽水蓄能電站的勘測(cè)設(shè)計(jì)任務(wù)，大量的進(jìn)/出水口模型試驗(yàn)研究成果表明：采用設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦的分流墩間距在擴(kuò)散出流工況時(shí)并不能取得滿意的效果，相鄰流道的流量分配差異經(jīng)常超出10%，難以滿足設(shè)計(jì)要求。分流比過(guò)大將導(dǎo)致攔污柵斷面局部流速過(guò)高，不但增加了水頭損失，而且對(duì)攔污柵的安全運(yùn)行也會(huì)造成一定的危害。

設(shè)置分流墩間距的寬度比法僅參考分流墩在擴(kuò)散段起始端的寬度，沒(méi)有考慮到分流墩的形狀、位置，因此無(wú)法真正代表各孔流道的控制過(guò)流面積，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。而且影響分流比的因素眾多，如進(jìn)/出水口本身的結(jié)構(gòu)形式及輪廓尺寸，分流墩墩頭形狀及布置，進(jìn)/出水口后隧洞的連接方式等，所以給定精確的分流墩間距非常困難。

管道流量Q計(jì)算公式為

Q=μcAv

(1)

式中，μc為管道流量系數(shù)；A為過(guò)流斷面處的面積；v為流速。

在管道流量系數(shù)、流速不變情況下，過(guò)流流量受過(guò)流斷面處的面積A控制。進(jìn)/出水口擴(kuò)散段呈漸擴(kuò)或漸縮狀，各流道的最小斷面位于各分流墩末端附近，當(dāng)進(jìn)、出口水流平穩(wěn)時(shí)，各流道的實(shí)際過(guò)流量受此斷面控制，因此，本文提出了一種設(shè)置分流墩間距的簡(jiǎn)單方法，即采用各孔流道控制斷面面積比來(lái)確定分流墩的間距，稱之為面積比法。

由于側(cè)式進(jìn)/出水口擴(kuò)散段的立面擴(kuò)散角一般僅為3°～5°，因此控制斷面面積比基本為各孔流道控制斷面的寬度之比。圖3a、3b為“二隔墩三流道”和“三隔墩四流道”布置，a1、a2分別為邊流道、中間流道的控制斷面寬度。圖3c為“四隔墩五流道”布置，類似的a1、a2、a3分別為邊流道、次流道、中間流道的控制斷面寬度。在實(shí)際操作過(guò)程中，只需找到各流道的控制斷面位置，并確定a1、a2、a3間的比值就基本可以保證分流均勻。多個(gè)工程的試驗(yàn)研究表明，a1與a2的比值、a2與a3的比值均定為1.1是基本合適的。

3 工程實(shí)例

本文以平江抽水蓄能電站、梅州抽水蓄能電站、白蓮河抽水蓄能電站的進(jìn)/出水口為例，對(duì)確定分流墩間距的面積比法予以驗(yàn)證。這3個(gè)工程的進(jìn)/出水口均為側(cè)式，分別為三流道、四流道和五流道，分流墩均為凹形布置，具有一定的代表性。

3.1 平江抽水蓄能電站[9]

平江抽水蓄能電站位于湖南省平江縣福壽山鎮(zhèn)境內(nèi)，總裝機(jī)容量1 400 MW。下水庫(kù)采用側(cè)式進(jìn)/出水口，二隔墩三流道布置，如圖4所示。原方案分流墩在擴(kuò)散段起始端的寬度依次為2.1、1.8 m，相應(yīng)的寬度比為0.35∶0.30，與設(shè)計(jì)規(guī)范的建議值相同，如圖4a所示。擴(kuò)散出流(發(fā)電工況)時(shí)流道最大平均流速值達(dá)到1.35 m/s，各流道分流不均勻，最大分流比為1.52，過(guò)柵流速和分流比均不滿足要求。通過(guò)分析認(rèn)為，分流墩墩頭與擴(kuò)散段起始斷面的距離、邊流道與中間流量實(shí)際控制斷面的面積比值均較大，導(dǎo)致了分流不均和流速過(guò)大。試驗(yàn)優(yōu)化方案，將分流墩墩頭延伸至擴(kuò)散段起始斷面，同時(shí)，按照

圖4 平江抽水蓄能電站下水庫(kù)進(jìn)/出水口平面示意(單位：m)

各流道控制斷面面積比法重新設(shè)置了分流墩間距，分流墩在擴(kuò)散段起始端的寬度均為2.0 m，相應(yīng)的流道控制斷面處的寬度比由1.2降至1.1，如圖4b所示。在擴(kuò)散出流(發(fā)電工況)時(shí)流道內(nèi)最大平均流速值降低至0.9 m/s，流道最大分流比降低至1.15，分流效果得到了明顯改善。

3.2 梅州抽水蓄能電站[10]

梅州抽水蓄能電站地處廣州～汕頭粵東部分的中部，位于廣東省梅州市五華縣南部的龍村鎮(zhèn)黃獅村境內(nèi)，電站一期裝機(jī)容量1 200 MW。上水庫(kù)側(cè)式進(jìn)/出水口采用三隔墩四流道布置，如圖5所示。原方案分流墩在擴(kuò)散段起始端的寬度依次為1.8、1.3 m，邊流道和中間流道相應(yīng)的寬度比為0.21∶0.29，與設(shè)計(jì)規(guī)范建議值基本一致，如圖5a所示。擴(kuò)散出流(抽水工況)時(shí)，邊流道的平均流速均超過(guò)了1.0 m/s，最大值達(dá)到了1.24 m/s。流道分流比在0.62～1.61之間，分流效果較差。導(dǎo)致水流分流不均和流速過(guò)大的原因是分流墩墩頭與擴(kuò)散段起始斷面的距離過(guò)大，引水隧洞與擴(kuò)散段采用圓弧銜接導(dǎo)致邊界層分離現(xiàn)象提前。試驗(yàn)優(yōu)化方案按照各流道控制斷面面積比法重新設(shè)置了分流墩間距，同時(shí)，將引水隧洞與擴(kuò)散段采用直線銜接，分流墩在擴(kuò)散段起始端的寬度分別為1.65 m和1.45 m，相應(yīng)的流道控制斷面處的寬度比由1.5調(diào)至1.1，如圖5b所示。試驗(yàn)成果表明，優(yōu)化方案在擴(kuò)散出流(抽水工況)時(shí)流道內(nèi)的最大平均流速值降低至0.85 m/s，流道最大分流比降低至1.15，分流效果良好。

圖5 梅州抽水蓄能電站上水庫(kù)進(jìn)/出水口平面示意(單位：m)

3.3 白蓮河抽水蓄能電站[11]

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉(xiāng)境內(nèi)，總裝機(jī)容量1 200 MW。上水庫(kù)進(jìn)/出水口為側(cè)式，采用四隔墩五流道布置，如圖6所示。原方案分流墩在擴(kuò)散段起始端的寬度依次為2.1、1.72、1.36 m，相應(yīng)的寬度比為0.233∶0.191∶0.151，如圖6a所示。擴(kuò)散出流(抽水工況)時(shí)，各流道分流極不均勻，分流比在0.31～1.66之間，導(dǎo)致個(gè)別流道的過(guò)柵平均流速超過(guò)了1.2 m/s，最大值為1.33 m/s，過(guò)柵流速和分流比難以滿足要求。通過(guò)分析認(rèn)為，分流墩墩頭與擴(kuò)散段起始斷面的距離較大、流道間流量實(shí)際控制斷面的面積比值不合理，導(dǎo)致了分流不均和流速過(guò)大。試驗(yàn)優(yōu)化方案，將分流墩墩頭延伸至擴(kuò)散段起始斷面，同時(shí)，按照各流道控制斷面面積比法重新設(shè)置了分流墩間距，分流墩在擴(kuò)散段起始端的寬度依次為2.1、1.75、1.30 m，相應(yīng)的邊流道與次流道的控制斷面面積比由1.12調(diào)整為1.15，次流道與中間流道的控制斷面面積比由0.99調(diào)整為1.10，如圖6b所示。流道的分流效果得到很大的改善，同樣在擴(kuò)散出流(抽水工況)時(shí)流道分流比減小為0.87～1.28，各流道平均流速基本在1 m/s以下，僅個(gè)別流道的平均流速略大于1 m/s。分流效果亦得到了明顯改善。

圖6 白蓮河抽水蓄能電站上水庫(kù)進(jìn)/出水口平面示意(單位：m)

4 結(jié) 論

(1)設(shè)置分流墩間距的寬度比法僅參考分流墩在擴(kuò)散段起始端的寬度，沒(méi)有考慮到分流墩的形狀、位置，因此無(wú)法真正代表各孔流道的控制過(guò)流面積，必定會(huì)產(chǎn)出一定的誤差。

(2)多個(gè)工程的模型試驗(yàn)結(jié)果表明：相較于寬度比法，本文提出的采用各孔流道控制斷面的面積比來(lái)確定分流墩間距的方法更準(zhǔn)確、合理，能使各孔流道分流更均勻，利于減小進(jìn)/出水口的水頭損失和確保攔污柵的安全運(yùn)行。

(3)設(shè)置分流墩間距的面積比法具有一定的通用性，對(duì)側(cè)式進(jìn)/出水口常見(jiàn)的“二隔墩三流道”“三隔墩四流道”“四隔墩五流道”的布置均適用。該方法可以作為同類工程設(shè)計(jì)的參考。

(4)采用面積比法確定側(cè)式進(jìn)/出水口的分流墩間距時(shí)，只需找到各流道的控制斷面位置，控制斷面面積比可參考本文建議的數(shù)值，基本可以保證分流均勻。對(duì)于三流道、四流道布置，邊流道與中間流道的控制斷面面積比建議值為1.1，對(duì)于五流道布置，邊流道與次流道以及次流道與中間流道的控制斷面面積比設(shè)為1.1也是基本合適的，可根據(jù)工程實(shí)際情況微調(diào)。