樂昌峽水電站進水口水力模型試驗研究

黃智敏，何小惠，鐘勇明，陳卓英，付 波

(廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510610)

1 前 言

樂昌峽水利樞紐工程位于廣東省樂昌市境內(nèi)的北江一級支流武水樂昌峽河段內(nèi)，是一以防洪為主，結(jié)合發(fā)電、灌溉、供水、改善航運等綜合利用的大型水利樞紐工程。樞紐工程電站引水系統(tǒng)布置在擋水大壩的左側(cè)，主要由電站進水口、引水隧洞、廠房、尾水隧洞、出水口等建筑物組成(見圖1)。電站安裝3臺水輪發(fā)電機組，總裝機容量為132MW，發(fā)電設(shè)計流量為3×118.04m3/s。

樂昌峽水利樞紐工程為Ⅱ等大(2)型工程，樞紐工程的設(shè)計洪水位為162.2m，正常蓄水位154.5m，汛限水位144.5m，極限死水位138.5m。在樞紐工程電站引水系統(tǒng)的初步設(shè)計階段，電站進水口進行了兩種布置方案的水力模型試驗比較，模型按重力相似律設(shè)計為正態(tài)，幾何比尺Lr=60。本文介紹電站進水口兩種布置方案的水力模型試驗研究成果。

圖1 樂昌峽水利樞紐工程平面布置

2 進水口方案1試驗

2.1 方案布置

電站進水口位于壩軸線上游約200m的左岸處，三臺機組的三個進水口并排布置，各機組隧洞中心線間距為21.5m，引水隧洞直徑為6.2m。

方案1電站進水口為側(cè)式進水口，三臺機組進水口體型相同，進水口進口底板高程為124.9m，進水口段由漸縮段和閘門井段組成，長度為31.7m。進水口體型尺寸(見圖2):

(1)電站進水口前沿進水渠底高程為124.9m，底寬為64.5m。各進水口漸縮段進口斷面設(shè)分流墩分為2孔，每孔孔口凈寬8.6m、高8.2m，分流墩厚1.3m;進水口前緣布置有一道攔污柵。

(2)各進水口漸縮段為2孔方形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長度18.5m;各漸縮段平面以直線形式漸縮至1孔，漸縮段平面總收縮角42.05°;立面頂部由進口高度8.2m收縮至末端6.2m，收縮角為6.71°。

(3)進水口漸縮段下游接閘門井段，閘門井為明露塔式結(jié)構(gòu)，過水?dāng)嗝鏋?.2m×6.2m矩形斷面，設(shè)有一道事故閘門和一道檢修閘門，閘門井頂部高程為163.7m。閘門井段下游接方變圓管段，方變圓管段下游接彎管段與引水隧洞連接。

2.2 進水口入流漩渦及防渦工程措施

2.2.1 進水口入流漩渦形態(tài)

圖2 電站進水口方案1布置(m)

在發(fā)電設(shè)計流量(Q=3×118.04 m3/s)運行時，庫水位從高水位162.2m開始下降，1～3號機組進水口水面出現(xiàn)較大范圍的順時針旋轉(zhuǎn)環(huán)流;庫水位降至約150.0m時，進水口水面環(huán)流范圍和強度逐漸增大，并出現(xiàn)凹陷漏斗狀漩渦，尤其是1號機組進水口水面漩渦狀況較為明顯，漩渦直徑約1.5～2.0m，此現(xiàn)象直至庫水位降至極限死水位138.5m以下才消除。

為了避免進水口產(chǎn)生漩渦吸氣引起隧洞及機組產(chǎn)生振動等，有必要采取防渦消渦的工程措施。

2.2.2 防渦工程措施及運行流態(tài)

參考國內(nèi)外有關(guān)電站進水口防渦工程措施［1－4］，經(jīng)試驗比較，得出方案1進水口的防渦梁布置和體型見圖3:進水口進口前緣上方布置3道防渦梁，防渦梁高2.2m、寬1.6m，3號防渦梁與進水口上蓋板橫梁的間距為1.4m，其余各道防渦梁間距為1.3m，防渦梁頂部高程為137.1m。

2.2.3 進水口運行流態(tài)

進水口設(shè)置防渦梁后，在發(fā)電設(shè)計流量運行時，進水口水面較平靜和平穩(wěn)，進水口(1～3號機組)水面出現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)的環(huán)流。當(dāng)庫水位Z＜150.0m運行時，各機組進水口水面偶爾出現(xiàn)游動性小漩渦，無較明顯的凹陷漩渦出現(xiàn)。

2.2.4 模型進水口入流漩渦相似問題

圖3 方案1—電站進水口防渦梁布置(m)

由于模型進水口水流的雷諾數(shù)Re比原型工程水流雷諾數(shù)小L1.5r倍，模型水流的粘滯力和表面張力比原型工程水流相應(yīng)要大，因此按重力相似律設(shè)計的進水口模型的入流漩渦狀況與原型工程并不完全相似，模型比尺Lr越大，相似性越差。目前，國內(nèi)外較普遍采用加大進水口模型試驗的流量，使進水口模型的雷諾數(shù)Re達(dá)到或超過某一臨界值(見表1)，以防不測。

方案1進水口在發(fā)電設(shè)計流量運行時，其Re(Re=VD/υ，V為進水口入流平均流速，D為進水口進口高度，υ為水流運動粘滯系數(shù))原型值約7.5×106，模型值約1.6×104，明顯小于表1中有關(guān)專家和學(xué)者建議的臨界值。因此，模型進水口施放了3倍發(fā)電流量(Q=3×3×118.04m3/s)運行的試驗，模型進水口入流的Re約4.8×104，可達(dá)到眾多學(xué)者提出的模型Re數(shù)臨界值的要求(見表1)。

進水口施放3倍發(fā)電設(shè)計流量運行的試驗表明，在各級庫水位運行條件下，各機組進水口水面的環(huán)流范圍和強度略增大，各機組進水口水面出現(xiàn)凹陷小漩渦，但沒有形成較明顯的漏斗狀漩渦。

表1 電站進水口雷諾數(shù)Re比較

2.3 進水口前沿庫區(qū)流態(tài)和進口流速分布

電站進水口前沿區(qū)域來流較平順，水流較平穩(wěn)，無較明顯偏流和回流區(qū)。各進水口通道的入流流速分布較均勻，流態(tài)良好。

2.4 進水口段水頭損失

電站進水口段水頭損失可采用式(1)～(2)計算:

式中 hj——進水口段水頭損失，m;

H0——庫水位，m;

Hi——管道量測斷面測壓管水位，m;

V——管道量測斷面平均流速，m/s;

α——斷面流速分布系數(shù)，取α=1。

經(jīng)測試和計算，進水口段(包括進口漸縮段、閘門井段、方變圓管段等，總長度41.7m)的水頭損失值為0.18m，水頭損失系數(shù)η為0.22?？梢姡桨?電站進水口的水頭損失較小。

3 進水口方案2試驗

3.1 方案布置

為了滿足工程區(qū)域河流生態(tài)的要求，電站進水口應(yīng)盡量引取水庫上層水溫較高的水體，經(jīng)發(fā)電后輸回到下游河道。因此，工程設(shè)計將電站進水口的體型修改為(見圖4):

(1)電站進水口的位置和進洞點與方案1相同，進水口段由隔水門段、進水口閘門井段、方變圓段三部分組成。

(2)進水口底高程仍為124.9m。隔水門段(樁號0－031.7～0－014.8)主要由閘墩、攔污柵、隔水門等組成，每臺機組的隔水門段分為兩孔，每孔凈寬8.6m。進水口閘門井段為方形管段(樁號0－014.8～0+000)，進口斷面高度為10m，進口斷面頂蓋板由1/4橢圓曲線漸縮為進口高度6.2m(樁號0－009.8);進口斷面左、右兩側(cè)墻采用半徑2.48m的1/4圓弧曲線連接。

圖4 電站進水口方案2布置(m)

3.2 進水口運行方式

(1)當(dāng)水庫蓄水至死水位141.5m時，電站開始取水發(fā)電。在汛期，當(dāng)庫水位上升至汛限水位144.5m時放下隔水門，隔水門頂高程為135.4m，每孔設(shè)置有3塊隔水門板，每塊高度3.5m。電站取表層水發(fā)電，直至水庫蓄水至正常蓄水位154.5m;當(dāng)庫水位由正常蓄水位降至汛限水位時，隔水門頂高程維持為135.4m不變。

(2)當(dāng)庫水位由汛限水位144.5m下降至死水位141.5m的過程中，將隔水門逐塊吊起，保持隔水門頂有9～10m水深運行，以降低隔水門頂上的入流流速。

3.3 進水口入流漩渦及防渦工程措施

3.3.1 進水口入流漩渦

(1)三臺機組滿發(fā)運行時(Q=3×118.04 m3/s)，放下隔水門，庫水位從高水位162.2m開始下降，右側(cè)1號機組進水口右側(cè)庫區(qū)來流繞其右邊墩進入進水口右側(cè)通道，1號機組進水口右通道(即隔水門段右邊孔)水面出現(xiàn)較明顯的漏斗狀漩渦，漩渦直徑約2.0～2.5m;2～3號機組進水口水面出現(xiàn)較明顯的環(huán)流和凹陷小漩渦，但沒有出現(xiàn)較明顯的漏斗狀漩渦(見圖5)。

圖5 進水口入流漩渦和環(huán)流示意

(2)當(dāng)庫水位Z＜144.5m運行時，將隔水門逐塊吊起(保持隔水門頂上入流水深h≥9m)，各機組進水口水面出現(xiàn)環(huán)流，水面出現(xiàn)游動性凹陷小漩渦，漩渦直徑約1.0m，此現(xiàn)象直至庫水位降至極限死水位138.5m以下。

3.3.2 防渦工程措施及運行流態(tài)

經(jīng)多方案試驗比較之后，得出方案2電站進水口防渦梁的布置為:(1)各機組進水口的各通道進口前緣上方設(shè)置二道水平防渦梁，防渦梁高2.0m、寬1.6m，梁頂高程為138.0m，防渦梁的間距為1.3m;(2)在1號機組隔水門段右通道的攔污柵槽與隔水門槽之間上方設(shè)置三道防渦橫梁，防渦橫梁高2.0m、寬1.2m，各防渦橫梁高度間隔為1.2m，防渦橫梁布置的高程范圍為154.0～145.6m(見圖6)。

由表1可見，在發(fā)電設(shè)計流量運行條件下，方案2進水口模型雷諾數(shù)Re約4.5×104，比方案1進水口模型雷諾數(shù)明顯增大，因此，對方案2進水口進行了增大1倍設(shè)計流量運行的試驗。發(fā)電設(shè)計流量和2倍發(fā)電設(shè)計流量(Q=2×3×118.04m3/s)的運行試驗表明:

(1)在庫水位Z=162.2～145.6m運行時，1號機組進水口右通道(右邊孔)水面環(huán)流中心偶爾出現(xiàn)游動性凹陷小漩渦，漩渦直徑0.8～1.0m，環(huán)流在兩門槽之間的防渦橫梁阻隔作用下，無法形成漏斗狀漩渦;2～3號機組進水口水面出現(xiàn)以順時針方向旋轉(zhuǎn)為主的環(huán)流。

(2)在庫水位Z=145.6～144.5m運行時，各機組進水口正向入流流速相應(yīng)增大，1號機組進水口右通道入流受右邊墩的影響作用減小，水面環(huán)流減弱，各機組進水口水面出現(xiàn)游動性凹陷小漩渦，漩渦沒有出現(xiàn)漏斗狀和串通。

(3)當(dāng)庫水位Z＜144.5m運行時，將隔水門逐塊吊起，保持隔水門頂上入流水深h≥9m，各機組進水口水面出現(xiàn)較明顯環(huán)流和游動性凹陷小漩渦，但漩渦沒有出現(xiàn)漏斗狀和串通，此現(xiàn)象直至庫水位降至極限死水位138.5m以下。

因此，電站進水口設(shè)置了防渦梁之后，不會出現(xiàn)有害的吸氣漩渦，工程運行是安全的。

圖6 電站進水口方案2防渦梁布置(m)

3.4 進水口前沿庫區(qū)流態(tài)和進口入流流速分布

(1)當(dāng)庫水位Z≥144.5m運行時，各隔水門孔和進水口進口斷面的垂線流速分布較均勻。汛限水位144.5m運行時的隔水門頂和進水口進口斷面流速分布見圖7。由圖7可見，各隔水門頂垂線流速分布的特性為面流速小、底流速大，流速值約為0.7～1.2m/s;各進水口進口斷面入流的各垂線平均流速約2.7～3.0m/s。

(2)在庫水位Z＜138.5m運行時，吊起隔水門，各隔水門孔入流較均勻，流速降低;各進水口進口斷面的流速分布特性與汛限水位(144.5m)運行的流速分布相近。

3.5 進水口段水頭損失

電站進水口段設(shè)置了隔水門，進水口段水頭損失值與庫水位Z有關(guān)。經(jīng)測試和計算，有、無隔水門的進水口段(樁號0－031.70～0+010)水頭損失hj與庫水位Z關(guān)系見圖8。試驗表明:

(1)在設(shè)置隔水門條件下，電站進水口段的水頭損失比無隔水門工況運行的水頭損失增大，如隔水門頂水深h分別在4.6m和3.1m運行時，進水口段的水頭損失值分別為1.12m和2.45m;在隔水門頂水深h≥9m的運行條件下，進水口段的水頭損失值hj＜0.4m。因此，在工程實際運行中，應(yīng)盡量保持在隔水門頂水深h≥9m的條件下運行。

(2)在無隔水門運行條件下，電站進水口段的水頭損失hj＜0.4m，水頭損失值相應(yīng)較小。

4 結(jié)束語

(1)本文對樂昌峽水利樞紐工程電站進水口的兩種布置方案進行水力模型試驗，提出了改善進水口運行流態(tài)、入流漩渦、水頭損失等的工程措施和方法，優(yōu)化了進水口體型。

圖7 電站進水口垂線流速分布

圖8 電站進水口段水頭損失hj—庫水位Z關(guān)系

(2)試驗研究表明，方案1進水口的進口入流流速、水頭損失均較小，水力特性較優(yōu)，由于無法取用水庫上層水溫較高的水體，不能滿足河流生態(tài)的要求;方案2進水口設(shè)置了隔水門段之后，發(fā)電取水可滿足河流生態(tài)的要求，但其進水口段水頭損失相應(yīng)增大。本文對方案2進水口水頭損失的影響因素和變化規(guī)律進行試驗研究及分析，提出了減少電站進水口水頭損失的運行措施。

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