彎彎川水電站引水發(fā)電隧洞水工模型試驗(yàn)研究

袁榮庫(kù)，任玉平

( 吉林省江河工程咨詢有限公司，長(zhǎng)春130021)

1 問(wèn)題提出

1) 由原來(lái)是一條引水發(fā)電隧洞，要新修建一條引水隧洞與舊洞并聯(lián)引水發(fā)電，通過(guò)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證引水發(fā)電隧洞并聯(lián)后，是否滿足機(jī)組設(shè)計(jì)工作水頭11.50 m 的要求。

2) 通過(guò)水工模型試驗(yàn)，引水隧洞并聯(lián)情況下，在庫(kù)水位365.00 m，引水流量105 m/s 時(shí)，調(diào)壓塔的涌高水位是多少。新、舊洞的各自引進(jìn)流量是多少，計(jì)算出新、舊隧洞分流比。

3)通過(guò)水工模型驗(yàn)證試驗(yàn)，計(jì)算出舊引水隧洞的糙率值。

2 工程概況

彎彎川水電站位于吉林省通化市境內(nèi)的渾江干流上。是一座以發(fā)電為主的水利樞紐工程，由攔江閘壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和尾水渠等水工建筑物組成的低水頭大流量引水式徑流水力發(fā)電站。攔江壩全長(zhǎng)295 m。壩頂高程370.5 m，最大壩高15.5 m。溢流閘壩在壩左側(cè)，全長(zhǎng)212 m，共設(shè)15 孔弧形閘門(mén)，每孔凈寬12 m，高5.5 m，堰頂高程360.00 m，閘門(mén)頂部高程365.5 m。引水系統(tǒng)包括新、舊引水發(fā)電隧洞的進(jìn)水口、閘室段、漸變段、引水隧洞、調(diào)壓塔、壓力管道等建筑物。舊引水發(fā)電隧洞全長(zhǎng)702.88 m。隧洞斷面為城門(mén)洞型，上部半圓直徑6.3 m，下部矩形高3.15 m。在隧洞進(jìn)口設(shè)有寬、高為5.0 m ×3.0 m 平板滑動(dòng)檢修門(mén)2 孔。新引水隧洞全長(zhǎng)641.77 m。斷面為城門(mén)洞型，上半部直徑5.0 m，下部矩形高2.50 m。進(jìn)口設(shè)有寬、高為3.0 m×5.0 m 平板門(mén)2 扇。

新建引水隧洞位于舊引水隧洞軸線下游35.50 m 處( 兩洞軸線距離) ，在調(diào)壓塔前61.00 m 處與舊洞匯合( 樁號(hào)0 +667.132) 。新洞的轉(zhuǎn)彎半徑為60 m，轉(zhuǎn)角45°。

廠房?jī)?nèi)設(shè)有3 臺(tái)ZZ－LE250 水輪發(fā)電機(jī)組。設(shè)計(jì)水頭11.50 m，單機(jī)引水發(fā)電流量35 m3/s，單機(jī)出力3 200 kW，總裝機(jī)容量9 600 kW。

3 水工模型試驗(yàn)

3.1 模型設(shè)計(jì)

按重力相似準(zhǔn)則和紊流阻力相似準(zhǔn)則進(jìn)行正態(tài)水工模型設(shè)計(jì)，線性比尺Lr=38.18。

1) 流量比尺Qr =Lr5/2 =9 007.200;2) 流速比尺Vr =Lr1/2 =6.179;3) 糙率比尺nr =Lr1/6 =1.835;4) 時(shí)間比尺tr=Lr1/2 =6.179。

3.2 模型制作

新舊引水發(fā)電隧洞由進(jìn)口至起坡點(diǎn)用紅松燙蠟制作，取原型造率n=0.016，相應(yīng)要求模型的制作糙率為0.008 7，紅松燙蠟的造率值為0.008 5 ～0.009 0，滿足要求。調(diào)壓塔和壓力管道也采用紅松燙蠟制作，洞身段用0.5 ～1.0 cm 卵石混凝土人工加糙制作。

新、舊引水發(fā)電隧洞由進(jìn)口做到機(jī)組中心線處，尾門(mén)用手動(dòng)閘門(mén)控制。

3.3 模型試驗(yàn)及測(cè)試方法

1) 模型驗(yàn)證試驗(yàn)，以舊洞單獨(dú)引水發(fā)電時(shí)原型觀測(cè)的成果:引水發(fā)電流量105 m3/s，庫(kù)水位365.22 m，調(diào)壓塔水位360.99 m 為依據(jù)，調(diào)整隧洞的糙率，使模型測(cè)得值與上述指標(biāo)相吻合，則模型與原型相似，然后測(cè)出隧洞的水頭損失值，計(jì)算出舊洞的糙率，稱(chēng)為驗(yàn)證試驗(yàn)。

2) 新、舊引水隧洞并聯(lián)引水試驗(yàn)，以新洞的設(shè)計(jì)原型造率n=0.032 進(jìn)行新洞試驗(yàn)。將新洞人工加糙與原型設(shè)計(jì)的糙率相似，然后進(jìn)行新、舊引水隧洞并聯(lián)引水試驗(yàn)，測(cè)出水頭損失值和調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高值。

3) 用測(cè)壓管量測(cè)引水隧洞測(cè)量斷面的相對(duì)壓強(qiáng)，計(jì)算出隧洞斷面間的水頭損失及糙率和其他水力參數(shù)。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn): 以舊引水隧洞在庫(kù)水位365. 22 m，流量105 m3/s，調(diào)壓塔水位360.99 m 的原型觀測(cè)值為依據(jù)，將模型加糙與上述指標(biāo)相符。3.4.1 試驗(yàn)和計(jì)算公式

1) 由測(cè)壓管測(cè)出兩斷面間的損失水頭值用式(1) 計(jì)算出沿程水頭損失系數(shù)λ:

式中:λ 為沿程水頭損失系數(shù);L 為沿程長(zhǎng)度;R 為水力半徑;V為斷面平均流速;g 為重力加速度;hf為沿程水頭損失。

2) 將沿程水頭損失系數(shù)λ 值代入式(2) 計(jì)算出謝才系數(shù)C，謝才系數(shù)公式:

3) 將謝才系數(shù)C 值代入式(3) 曼寧公式 計(jì)算出糙率值:

式中:n 為糙率。

4) 用式(4) 計(jì)算出雷諾數(shù):

式中:Re 為雷諾數(shù);ν 為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù);V 為斷面平均流速。

計(jì)算得出模型的雷諾數(shù)Re 最小值為31 466，最大值為70 788。

5) 當(dāng)量粗糙度的計(jì)算: 由模型試驗(yàn)所知圓管為紊流運(yùn)動(dòng)，根據(jù)管壁的當(dāng)量粗糙度Ks 與層流底層厚度δ0之比將紊流分成3個(gè)區(qū):

水流流態(tài)判別式:

將式(1) 計(jì)算得出的沿程水頭損失系數(shù)λ 值代入式( 6)計(jì)算得出當(dāng)量錯(cuò)糙度Ks 值，再用式(7) 計(jì)算出粘滯底層厚度值。Ks/δ0的值＞6 就說(shuō)明用式( 6) 計(jì)算的結(jié)果正確，否則就要用其它公式計(jì)算當(dāng)量粗糙度。

6) 紊流區(qū)的普朗特——尼古拉慈公式:

式中:ks 為隧洞洞壁的當(dāng)量粗糙高度(或水力等值粗糙高度)。

7) 黏性底層厚度計(jì)算公式:

式中:v 為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù);R 為水力半徑;J 為水力比降。

3.4.2 引水隧洞驗(yàn)證試驗(yàn)

1) 調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高:3 臺(tái)機(jī)全開(kāi)，發(fā)電流量105 m3/s，庫(kù)水位365.22 m，調(diào)壓塔水位360.99 m，調(diào)壓塔水位最大涌高371.542 m，沒(méi)有超出調(diào)壓塔373.2 m 的高程。

2) 在引水發(fā)電隧洞流量105 m3/s，庫(kù)水位360.22 m，調(diào)壓塔水位360.99 m 時(shí)，總損失水頭3.853 m。計(jì)算出舊洞糙率為0.33，沿程水頭損失系數(shù)0.074，當(dāng)量粗糙度33.79 mm。調(diào)壓塔最大涌高高程為371.542 m。

3.5 新引水隧洞試驗(yàn)

引水隧洞均勻加糙至設(shè)計(jì)的糙率n =0.032，試驗(yàn)過(guò)程和計(jì)算成果略。

3.6 新、舊引水隧洞并聯(lián)引水試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果

3.6.1 在庫(kù)水位350.00 m，隧洞并聯(lián)總引用流量105 m3/s，隧洞各段水頭損失見(jiàn)表1。

表1 隧洞并聯(lián)引水時(shí)新、舊隧洞的各段水頭損失

續(xù)表1

3.6.2 新舊隧洞各段的局部損失水頭

新洞的水流過(guò)柵的局部水頭損失0.014 m，平彎段局部水頭損失0.09 m，匯流段局部水頭損失0.154 m;舊洞的水流過(guò)柵局部水頭損失為0.04 m，匯流局部水頭損失0.154 m。

3.6.3 新洞的沿程水頭損失

新洞的沿程水頭損失1.308 m( 1.557 m－0.154 m－0.095 m=1.308 m) ，隧洞造率0.032。隧洞進(jìn)口0 +000 至調(diào)壓塔中心的總水頭損失2.025 m。

沿程水頭損失1. 308 m，是兩測(cè)壓管水位高程差1.557 m 減去匯流和平彎段的局部水頭損失得出的，即1.557 m－0.154 m－0.09 m－0.095 m=1.308 m。調(diào)壓塔內(nèi)水位高程為362.617 m。

3.6.4 計(jì)算新、舊引水隧洞的分流比

3.6.5 調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高

3 臺(tái)機(jī)組全開(kāi)，同時(shí)丟棄負(fù)荷關(guān)閉閥門(mén)時(shí)間5 s 時(shí)，調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高至372.038 m，由關(guān)閉閥門(mén)開(kāi)始，塔內(nèi)水位升高至最高時(shí)所需的時(shí)間為31 s。

4 試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值的比較

1) 在總流量105 m3/s，新洞流量38.15 m3/s，舊洞流量66.85 m3/s，調(diào)壓塔水位362.617 m，尾水位350.7 m 時(shí)，設(shè)計(jì)的0 +000 ～0 +728.132 水頭總損失為2.17 m，模型試驗(yàn)測(cè)出的總水頭損失為2.025 m，比設(shè)計(jì)減少水頭損失0.145 m。

2) 根據(jù)模型測(cè)試值計(jì)算機(jī)組的有效工作水頭11.607 m，滿足設(shè)計(jì)工作水頭11.50 m 的要求。

5 試驗(yàn)成果分析

經(jīng)計(jì)算，原型的水流流態(tài)處于完全紊流區(qū)( 阻力平方區(qū)) 。要保證模型水流流態(tài)與原型水流相似，除了滿足重力相似準(zhǔn)則和紊流阻力相似準(zhǔn)則處，還必須滿足水流流態(tài)判別式( Ks/δ0) ＞6，才能保證模型水流流態(tài)與原型水流流態(tài)相似。滿足上述條件，水流處于紊流區(qū)，沿程水頭損失系數(shù)λ只與相對(duì)粗糙度有關(guān)，顯然對(duì)一定斷面的隧洞，當(dāng)量粗糙度也一定，那么沿程水頭損失系數(shù)λ 為常量。所以隧洞的糙率n也為常量。模型試驗(yàn)各方案計(jì)算

水流判別值( Ks/δ0) 均＞6，模型的水流流態(tài)處于阻力平方區(qū)，模型的水流流態(tài)與原型水流流態(tài)相似。

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)計(jì)算得出舊引水隧洞的糙率n=0.033。

2) 新洞的糙率設(shè)計(jì)值n=0.032。

3) 試驗(yàn)方案，新舊洞并聯(lián)引水，新洞的引進(jìn)流量38.15 m3/s，舊洞的引進(jìn)流量66.85 m3/s。試驗(yàn)測(cè)得調(diào)壓塔水位362.617 m，計(jì)算得出機(jī)組的有效工作水頭11.607 m。滿足機(jī)組設(shè)計(jì)工作水頭11.50 m 的要求。并聯(lián)引水比舊洞單獨(dú)引水減少水頭損失1.914 m。

4) 調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高:3 臺(tái)機(jī)組全開(kāi)，同時(shí)丟棄負(fù)荷關(guān)閉閥門(mén)時(shí)間5 s 時(shí)，調(diào)壓塔內(nèi)水位涌高至372.038 m，由關(guān)閉閥門(mén)開(kāi)始，塔內(nèi)水位升高至最高時(shí)所需的時(shí)間為31 s，沒(méi)有超出調(diào)壓塔373.20 m 的高程。

［1］東北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 彎彎川水電站挖潛改造工程初設(shè)說(shuō)明［Z］. 長(zhǎng)春:東北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1989.

［2］袁榮庫(kù). 彎彎川水電站引水發(fā)電隧洞水工整體模型試驗(yàn)報(bào)告［R］. 長(zhǎng)春:東北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1990.

［3］水力學(xué)教研組. 水力學(xué)［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，1981.