糯扎渡水電站進(jìn)水口疊梁門(mén)分層取水研究

高志芹，趙洪明，董紹堯

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

1 工程概況

糯扎渡水電站為瀾滄江中下游河段梯級(jí)規(guī)劃的第五級(jí)，總裝機(jī)容量5 850 MW （9×650 MW），為一等大 （1）型工程。電站樞紐主要由心墻堆石壩、左岸開(kāi)敞式溢洪道、左岸泄洪洞、右岸泄洪洞、左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成，心墻堆石壩最大壩高261.5 m。水庫(kù)正常蓄水位812 m，死水位765 m，水庫(kù)總庫(kù)容237億m3，正常蓄水位以下庫(kù)容217億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容113億m3，水庫(kù)庫(kù)容巨大，具有多年調(diào)節(jié)特性。根據(jù)水溫預(yù)測(cè)成果分析，水庫(kù)建成蓄水后，水庫(kù)水溫將出現(xiàn)穩(wěn)定分層現(xiàn)象，屬溫度穩(wěn)定分層型水庫(kù)。

電站引水系統(tǒng)按單機(jī)單管布置9條引水道，單機(jī)引用流量389 m3/s。進(jìn)水塔采用岸塔式，正向進(jìn)水，底板高程736.00 m，頂部高程821.5 m，總寬225 m，單寬均為25 m。各進(jìn)水塔為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，之間設(shè)無(wú)寬結(jié)構(gòu)縫。進(jìn)水塔順?biāo)飨蛞来尾贾霉ぷ鲾r污柵、檢修攔污柵 （疊梁閘門(mén)）、檢修閘門(mén)、事故閘門(mén)和通氣孔，其中檢修攔污柵與疊梁閘門(mén)共用檢修攔污柵柵槽。攔污柵按每臺(tái)機(jī)4孔布置，孔口尺寸為3.8 m×66.5 m （寬×高）；疊梁閘門(mén)底坎高程736.00 m，最大擋水高程774.04 m，按每臺(tái)機(jī)4孔布置，孔口尺寸3.8 m×38.04 m （寬×高），分成三節(jié)布置，每節(jié)高度均為12.68 m；在疊梁閘門(mén)之后按單機(jī)單孔布置閘門(mén)，檢修閘門(mén)孔口尺寸7 m×12 m，事故閘門(mén)孔口尺寸7 m×11 m，通氣孔孔口尺寸7 m×2 m。疊梁門(mén)分層取水進(jìn)水口布置形式見(jiàn)圖1。

疊梁閘門(mén)整個(gè)擋水高度分成4擋，水庫(kù)水位高于803.0 m時(shí)，門(mén)葉整體擋水，擋水閘門(mén)頂高程774.04 m，為第一層取水；水庫(kù)水位在803.0 m與790.4 m之間時(shí)，吊起第一節(jié)疊梁門(mén)，僅用第二、第三節(jié)門(mén)葉擋水，此時(shí)擋水閘門(mén)頂高程為761.36 m，此為第二層取水；水庫(kù)水位在790.4 m與777.7 m之間時(shí)，繼續(xù)吊起第二節(jié)疊梁門(mén)，僅用第三節(jié)門(mén)葉擋水，此時(shí)擋水閘門(mén)頂高程為748.68 m，此為第三層取水；水庫(kù)水位降至777.7 m以下至765.0 m時(shí)，繼續(xù)吊起第三節(jié)疊梁門(mén)，無(wú)疊梁閘門(mén)擋水，此為第四層取水。

圖1 疊梁門(mén)分層取水進(jìn)水口縱剖面示意

2 疊梁門(mén)分層取水水力特性

進(jìn)水口采用疊梁門(mén)分層取水后，疊梁門(mén)門(mén)頂過(guò)流，類(lèi)似于堰流，水流條件較單層進(jìn)水口發(fā)生較大變化，水流條件相對(duì)復(fù)雜。通過(guò)水力學(xué)數(shù)值分析和物理模型試驗(yàn)研究疊梁門(mén)分層取水的水力特性。

2.1 數(shù)值模擬研究

利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程紊流模型對(duì)疊梁門(mén)分層取水進(jìn)水口進(jìn)行水力學(xué)三維數(shù)值模擬，研究疊梁門(mén)分層取水進(jìn)水口的水頭損失、流速分布等水力學(xué)特性。取庫(kù)內(nèi)進(jìn)口上游210 m斷面為進(jìn)流邊界，壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律給出；引水道漸變段下游100 m處斷面為出流邊界，流速按引水道平均流速給出。計(jì)算結(jié)果表明：

（1）隨著疊梁門(mén)擋水高度的增加，水頭損失有所增加。第一層取水的水頭損失為1.97 m，水頭損失系數(shù)1.10。

（2）疊梁門(mén)第一、二、三層取水時(shí)，下游側(cè)近底部有一回流；第四層取水時(shí)，進(jìn)口處流態(tài)較好，無(wú)回流。沿橫向，第四層取水時(shí)靠近進(jìn)口軸線的中間兩扇攔污柵孔口的流速較大；沿鉛直方向，在第一、二、三層取水時(shí)，流速在疊梁門(mén)頂上下一定范圍內(nèi)流速較大，說(shuō)明所取水體大部分為該層水體，第四層取水時(shí)，流速在進(jìn)口高度范圍流速較大，說(shuō)明所取水體大部分為該層水體。

2.2 模型試驗(yàn)研究

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型，以保證幾何邊界和流速分布的相似，綜合各種因素，模型幾何 （長(zhǎng)度）比尺 （原型量/模型量）選取λl=39.15。

通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)水頭損失、流速分布、漩渦、時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力、進(jìn)水口局部水流現(xiàn)象、事故閘門(mén)快速關(guān)閉引起的水力要素變化、機(jī)組突甩或突增負(fù)荷引起的水力要素變化等水力學(xué)特性進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

（1）同一層疊梁門(mén)取水，水位高時(shí)水頭損失稍大；不同層取水時(shí)，隨著疊梁門(mén)擋水高度的增加，水頭損失有所增加。

（2）第四層取水時(shí)，進(jìn)水口前流速沿水深分布規(guī)律為進(jìn)水口高度范圍流速較大，說(shuō)明所取水體大部分為底部進(jìn)水口高度范圍內(nèi)的水體；第一、二、三層取水時(shí)，進(jìn)水口前流速沿水深分布規(guī)律為自疊梁門(mén)頂至以上約20 m范圍流速較大，近似拋物線分布，說(shuō)明各層疊梁門(mén)取水時(shí)，所取水體大部分為疊梁門(mén)上部水體。

（3）第四層取水在765.0 m和777.7 m水位之間運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水口不會(huì)產(chǎn)生有害漩渦；第一、二、三層取水時(shí)，水流經(jīng)疊梁門(mén)流入進(jìn)水口，類(lèi)似于堰流，不會(huì)發(fā)生漩渦。

（4）各正常運(yùn)行工況下，進(jìn)水口壓強(qiáng)都比較穩(wěn)定，疊梁門(mén)后底板未受到經(jīng)疊梁門(mén)水流的沖擊。

（5）疊梁門(mén)取水時(shí)，快速關(guān)閉事故門(mén)引起的進(jìn)水口壓強(qiáng)變化大于無(wú)疊梁門(mén)的常規(guī)底層取水時(shí)的壓強(qiáng)變化。

（6）各工況運(yùn)行時(shí)，機(jī)組突甩和突增負(fù)荷，最大正、負(fù)水擊壓強(qiáng)均出現(xiàn)在通氣孔下游側(cè)；進(jìn)水口不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓強(qiáng)。

從以上水力學(xué)數(shù)值分析和物理模型試驗(yàn)研究成果可知，進(jìn)水口疊梁門(mén)分層取水方案的水力特性能滿(mǎn)足工程要求。從水力學(xué)角度看，進(jìn)水口采用疊梁門(mén)分層取水是可行且合適的。

3 疊梁閘門(mén)流激振動(dòng)分析

疊梁閘門(mén)是輕型薄壁鋼結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜水流作用下，可能存在流激振動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究進(jìn)水口疊梁閘門(mén)結(jié)構(gòu)的激流振動(dòng)現(xiàn)象，分析由于水流作用誘發(fā)的振動(dòng)是否會(huì)危及閘門(mén)的安全,從而對(duì)疊梁閘門(mén)過(guò)流的安全性進(jìn)行評(píng)估。

3.1 模型試驗(yàn)研究

為模擬水流和閘門(mén)結(jié)構(gòu)的相互作用，模型應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足水動(dòng)力系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)相似。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，按水彈性相似模擬疊梁閘門(mén)，模型幾何比尺λl=30.82。

對(duì)疊梁閘門(mén)分別建立水力學(xué)模型和水彈性模型，前者測(cè)量作用于閘門(mén)上的時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力，后者測(cè)量閘門(mén)流激振動(dòng)響應(yīng)。試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）各運(yùn)行工況下，作用于閘門(mén)的水流脈動(dòng)荷載主要集中在閘門(mén)的第三節(jié)，且水流脈動(dòng)的主頻在0.1 Hz左右，屬于低頻區(qū)。

（2）閘門(mén)的干模態(tài)各階振型主要表現(xiàn)為順?biāo)鞣较虻恼駝?dòng)，且閘門(mén)的自振頻率隨著閘門(mén)高度的升高而降低。

（3）閘門(mén)的濕模態(tài)各階振型主要表現(xiàn)為順?biāo)鞣较虻恼駝?dòng)，且閘門(mén)的濕模態(tài)各階頻率隨著閘門(mén)高度的升高而降低，三層疊梁閘門(mén)工作時(shí)的基頻最小，為2.31 Hz。而作用于閘門(mén)的水流脈動(dòng)頻率在0.1 Hz左右，在實(shí)際運(yùn)行期間，水流對(duì)閘門(mén)的振動(dòng)影響不大，不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

（4）各運(yùn)行工況下，閘門(mén)的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)水平很低。從動(dòng)應(yīng)力的功率譜圖分析可知，動(dòng)應(yīng)力頻率主要集中在0.1 Hz左右，與動(dòng)水壓力荷載的主頻基本一致，說(shuō)明疊梁閘門(mén)產(chǎn)生的振動(dòng)為強(qiáng)迫振動(dòng)，故閘門(mén)產(chǎn)生低階共振的可能性很小。

（5）各運(yùn)行工況下，閘門(mén)的動(dòng)位移響應(yīng)值均不大，閘門(mén)可正常運(yùn)行。

3.2 數(shù)值分析

建立三維有限元模型，采用非線性有限元方法進(jìn)行數(shù)值仿真分析。利用附加質(zhì)量法模擬動(dòng)水對(duì)閘門(mén)的作用，對(duì)閘門(mén)的自振特性進(jìn)行分析。根據(jù)水彈性模型試驗(yàn)結(jié)果，利用隨機(jī)振動(dòng)功率譜法進(jìn)行閘門(mén)結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)分析，研究閘門(mén)在水脈動(dòng)壓強(qiáng)下的隨機(jī)動(dòng)力響應(yīng)。計(jì)算工況同試驗(yàn)工況。計(jì)算結(jié)果表明：

（1）各工況下閘門(mén)產(chǎn)生流激振動(dòng)的主要部位為第三節(jié)門(mén)葉。閘門(mén)12.68～38.04 m高處水流平緩，無(wú)水流脈動(dòng)情況產(chǎn)生。

（2）在脈動(dòng)水流作用下，各種工況下閘門(mén)的動(dòng)力響應(yīng)值均不大。

（3）三種工況對(duì)比，工況一閘門(mén)的動(dòng)力響應(yīng)最大。

（4）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各測(cè)點(diǎn)動(dòng)位移功率譜圖波峰主要出現(xiàn)在低頻0.1 Hz左右，根據(jù)水彈性模型試驗(yàn)結(jié)果得出的數(shù)據(jù)，位移功率譜圖波峰主頻與動(dòng)水壓力荷載的基頻基本一致。

通過(guò)以上疊梁閘門(mén)流激振動(dòng)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析可知，進(jìn)水口疊梁閘門(mén)的流激振動(dòng)安全性是有保證的。

4 疊梁門(mén)分層取水下泄水溫分析

水溫是魚(yú)類(lèi)生存的重要環(huán)境因子之一，每種魚(yú)類(lèi)都有一個(gè)最適宜生長(zhǎng)和繁殖的水溫范圍，高于或低于這個(gè)范圍，魚(yú)類(lèi)就會(huì)受到影響。瀾滄江中下游魚(yú)類(lèi)種類(lèi)較豐富，屬溫?zé)釒~(yú)類(lèi)，產(chǎn)卵期通常在4月～8月，這一時(shí)段的河道水溫分布對(duì)魚(yú)類(lèi)的繁殖有重要影響。

根據(jù)水庫(kù)水溫分布情況，建立水庫(kù)和下泄水流的數(shù)值分析方程，采用三維數(shù)學(xué)模型對(duì)糯扎渡水電站進(jìn)水口疊梁門(mén)分層取水的下泄水溫進(jìn)行數(shù)值模擬，分析水庫(kù)水流經(jīng)過(guò)引水發(fā)電系統(tǒng)下泄的水溫分布。為進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)常規(guī)進(jìn)水口底層單層取水的下泄水溫進(jìn)行數(shù)值模擬。

分別在典型平水年、典型豐水年、典型枯水年里對(duì)分層取水和單層取水進(jìn)行下泄水溫的計(jì)算，對(duì)兩種取水方式的下泄水溫年變化過(guò)程進(jìn)行比較。限于篇幅，只列出典型平水年的計(jì)算結(jié)果 （見(jiàn)表2）。典型豐水年、典型枯水年計(jì)算結(jié)果規(guī)律相同。

表2 典型平水年糯扎渡下泄水溫與壩址天然水溫比較 ℃

從表2可知，疊梁門(mén)分層取水方案的下泄水溫與天然水溫的差距較小，接近天然水溫情況，水溫恢復(fù)效果明顯，對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的保護(hù)可起到積極作用。

5 結(jié)語(yǔ)

水電是可再生的清潔能源，水電站在運(yùn)行過(guò)程中幾乎無(wú)污染物排放。但大江大河上的高壩大庫(kù)建設(shè)將一定程度改變河道水溫分布，對(duì)水生生態(tài)，特別是魚(yú)類(lèi)將產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)電站進(jìn)水口按常規(guī)設(shè)計(jì)底層取水造成下泄水溫偏低時(shí)，有必要采用適當(dāng)?shù)姆謱尤∷胧┮帽韺铀w以提高下泄水溫，恢復(fù)河道水溫分布，盡量降低對(duì)水生生物的不利影響。

本文對(duì)糯扎渡水電站進(jìn)水口疊梁門(mén)分層取水水力特性、流激振動(dòng)、下泄水溫預(yù)測(cè)等進(jìn)行了數(shù)值分析和模型試驗(yàn)，論證了疊梁門(mén)分層取水是可行且合適的。疊梁門(mén)分層取水能有效提高下泄水體水溫，是促進(jìn)水電開(kāi)發(fā)與水生生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的有效措施之一。望本文的研究對(duì)推動(dòng)進(jìn)水口分層取水在我國(guó)大型水電工程中的應(yīng)用起到積極作用，為類(lèi)似有分層取水要求的水電工程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

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