段文剛，黃國(guó)兵，侯冬梅，杜 蘭，劉紅慶

（長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，湖北 武漢 430010）

大型電站疊梁門分層取水進(jìn)水口水力特性研究

段文剛，黃國(guó)兵，侯冬梅，杜 蘭，劉紅慶

（長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，湖北 武漢 430010）

電站進(jìn)口前加設(shè)疊梁門后引起局部水流條件復(fù)雜，本文以模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬為研究手段，系統(tǒng)闡述了疊梁門分層取水進(jìn)口水流流態(tài)、門頂最小運(yùn)行水深、水頭損失和疊梁門反向附加水擊壓力等。研究表明，加設(shè)疊梁門后機(jī)組各柵孔進(jìn)流較為均化，門井水面波動(dòng)加大，主要引流區(qū)間在門頂以下10m—門頂以上25m水域，疊梁門門頂最小運(yùn)行水深一般為15～30m，進(jìn)口段水頭損失1.20～1.95 m（水頭損失系數(shù)為0.45～1.15），較無疊梁門時(shí)增大1.11～1.63 m，對(duì)機(jī)組發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益將產(chǎn)生一定影響，機(jī)組甩負(fù)荷對(duì)疊梁門下游面板產(chǎn)生的附加水擊壓力（2.9～3.0）×9.81 kPa。

電站進(jìn)水口；分層取水；疊梁門；水頭損失；門頂水深；附加水擊壓力

1 研究背景

運(yùn)行實(shí)踐表明，高壩大庫(kù)建成后，水庫(kù)水溫具有沿深度成層分布的特點(diǎn)，出于生態(tài)環(huán)保的需要，電站分層取水勢(shì)在必行。分層取水型式主要有多層取水口、斜臥式、多層水力自動(dòng)翻板型、浮式板等。由于操作靈活，對(duì)庫(kù)水位變化適應(yīng)性強(qiáng)，疊梁門分層取水在大型電站得以廣泛應(yīng)用。與常規(guī)電站進(jìn)水口相比，疊梁門分層取水利用備用攔污柵槽放置疊梁門設(shè)施，實(shí)現(xiàn)引取近表層水。美國(guó)沙斯塔、餓馬和格蘭峽水電站自20世紀(jì)90年代先后進(jìn)行分層取水改建并成功運(yùn)用至今，光照水電站是我國(guó)第一個(gè)采用疊梁門分層取水的大型水電站（2007年），國(guó)內(nèi)部分疊梁門分層取水電站進(jìn)水口布置見表1。加設(shè)疊梁門結(jié)構(gòu)后進(jìn)口水流近似淹沒薄壁堰流，局部水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從而派生出一系列新的水力學(xué)問題。本文結(jié)合烏東德、白鶴灘和亭子口等3個(gè)工程研究成果（見圖1），系統(tǒng)闡述疊梁門分層取水主要的水力學(xué)問題，以供有關(guān)工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理參考。

2 研究方法

電站進(jìn)水口水力學(xué)問題研究方法通常采用大比尺水工模型試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬計(jì)算。模型試驗(yàn)涉及水流漩渦問題，由于模型水流中黏滯力和表面張力對(duì)漩渦的抑制作用較原型強(qiáng)，為保證模型水流與原型相似，通常要求模型水流雷諾數(shù)Re＞30000，韋伯?dāng)?shù)We＞120。為此水工模型比尺選取較大，一般為1∶30～1∶50，可模擬一個(gè)或多個(gè)流道，順?biāo)飨蚰M范圍包括上游部分水庫(kù)、攔污柵結(jié)構(gòu)體、疊梁門、通倉(cāng)段、進(jìn)口段、門槽段、漸變段、壓力管道全程（至蝸殼部位）等。如圖2所示，烏東德模型比尺1∶30，模擬1臺(tái)機(jī)組流道；白鶴灘模型比尺1∶30，模擬3臺(tái)機(jī)組流道；亭子口模型比尺1∶50，模擬全部4臺(tái)機(jī)組流道。為避免模型機(jī)組甩負(fù)荷過程中造成庫(kù)水位上升，在模型水庫(kù)中加設(shè)可升降的溢水裝置。在模型蝸殼部位安裝模型水輪機(jī)，以保證模型導(dǎo)葉關(guān)閉過程與原型相似，也可簡(jiǎn)化安裝與水輪機(jī)導(dǎo)葉啟閉類似的百葉閥，用啟閉機(jī)控制百葉閥的啟閉時(shí)間。

圖1 進(jìn)水口布置

表1 國(guó)內(nèi)部分疊梁門分層取水電站進(jìn)水口布置

數(shù)值模擬通常采用三維RNG k-ε紊流數(shù)學(xué)模型模擬電站進(jìn)水口水流流場(chǎng)，自由液面采用VOF處理方法，通過定義控制單元的體積分?jǐn)?shù)，追蹤網(wǎng)格中的流體體積，在每個(gè)控制體積內(nèi)，所有項(xiàng)的體積分?jǐn)?shù)之和為1。當(dāng)為自由液面時(shí)，水的體積分?jǐn)?shù)介于0和1之間。

（1）網(wǎng)格劃分。為使計(jì)算收斂性更好，計(jì)算區(qū)域全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時(shí)對(duì)攔污柵前至漸變段重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行加密，使計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)值。

（2）邊界條件。對(duì)于水流進(jìn)口邊界已知庫(kù)水位，設(shè)定為壓力入口邊界；管道出口邊界根據(jù)引用流量和管道斷面積，設(shè)定為流速出口；空氣邊界為大氣壓力邊界；固壁邊界規(guī)定為無滑移邊界條件。

圖2 1∶30模型

3 主要研究成果

3.1 進(jìn)口水流流態(tài)電站進(jìn)水口流態(tài)和流速分布是評(píng)價(jià)分層取水效果一個(gè)主要指標(biāo)，引流范圍愈近底部水溫愈低，愈近表層則水溫愈高。如圖3（a）所示，常規(guī)電站進(jìn)水口（無疊梁門）機(jī)組引流時(shí)：機(jī)組6個(gè)柵孔呈對(duì)稱進(jìn)流，中間4孔大流速分布范圍較兩側(cè)邊孔要大，流速可達(dá)1.0～1.8m/s，大流速位于進(jìn)水口底板～喇叭口上緣高程區(qū)間，在喇叭口以上流速分布顯著減小。水流到達(dá)通倉(cāng)段后迅速往喇叭口匯集，最大流速值為2.4m/s，位于距底板高程2～3m處?？梢钥闯觯虚g柵孔進(jìn)流多，邊孔進(jìn)流少，引流范圍主要集中在底部喇叭口附近水域。放置疊梁門后，如圖3（b）所示，水流繞過疊梁門形成淹沒薄壁堰流，流線經(jīng)過2次近90°彎折后進(jìn)入壓力管道。6個(gè)柵孔進(jìn)流大大均化，大流速位于門頂附近（2.8m/s）。通倉(cāng)段豎井內(nèi)水流流線紊亂，流速分布不均，最大流速達(dá)5.1m/s，進(jìn)入壓力管道后流線擺動(dòng)仍然劇烈，在門槽里有小立軸漩渦形成。引流區(qū)間在疊梁門頂以下10m-門頂以上25m水域。

圖3 流速分布

門井水面波動(dòng)是輔助評(píng)價(jià)進(jìn)口流態(tài)優(yōu)劣的一個(gè)指標(biāo)，未放置疊梁門時(shí)，電站進(jìn)水口門井水面波動(dòng)較小約0.06～0.10m。放置疊梁門后，門井水面波動(dòng)有加大的趨勢(shì)，可達(dá)0.12～0.50m，見表2。

表2 放置疊梁門前后門井水位波動(dòng)

3.2 疊梁門頂最小運(yùn)行水深從分層取水效果角度來講，盡可能引取表層水，提高下泄水溫，疊梁門放置越高越好。但放置疊梁門后，不可避免地惡化進(jìn)口水流流態(tài)，可能誘發(fā)危害性吸氣漩渦。一般而言，疊梁門門頂最小運(yùn)行水深確定受以下幾方面因素限制：（1）避免出現(xiàn)危害性吸氣漩渦；（2）避免出現(xiàn)不利流態(tài)，如薄壁堰自由堰流，水面跌落明顯，波動(dòng)大；（3）過柵流速限制。從烏東德、白鶴灘、亭子口模型試驗(yàn)研究成果和收集掌握的資料來看，大型電站疊梁門門頂最小運(yùn)行水深在15～30m之間（見表3），門頂水深越大，水面波動(dòng)越小。

表3 國(guó)內(nèi)大型電站疊梁門頂最小運(yùn)行水深

烏東德電站正常蓄水位975m條件下，進(jìn)水口前最多可放置8節(jié)疊梁門（8×4m），最大門頂高程945 m，相應(yīng)最小門頂運(yùn)行水深30m；白鶴灘電站庫(kù)水位795m條件下，進(jìn)水口前最多可放置10節(jié)疊梁門（10×4m），最大門頂高程774m，相應(yīng)門頂水深21m；亭子口電站正常蓄水位458m條件下，進(jìn)水口前最多可放置10節(jié)疊梁門，最大門頂高程443m，相應(yīng)門頂水深15m。

需要指出的是，攔污柵墩和大壩主體結(jié)構(gòu)之間往往通過縱、橫支撐梁進(jìn)行聯(lián)系，將支撐梁頂面高程布置在特征水位以下0.30～0.50m，可起到破除表面漩渦的作用，低水位條件下進(jìn)口流態(tài)改善更為明顯，這一結(jié)論已在白鶴灘和烏東德模型試驗(yàn)中反復(fù)得到證實(shí)。

3.3 進(jìn)口段水頭損失進(jìn)口段水頭損失起止斷面定義為攔污柵前水庫(kù)斷面和漸變段末端（圓形壓力鋼管始端）斷面。由圖4可知，進(jìn)口段水頭損失與疊梁門放置高度呈正比關(guān)系，與門頂水深呈反比關(guān)系，疊梁門放置愈高，門頂水深愈小，水頭損失愈大。以亭子口電站為例，未放置疊梁門時(shí)，進(jìn)口段水頭損失為0.09m，放置2節(jié)后水頭損失為0.17m，放置4節(jié)后水頭損失0.31m，放置6節(jié)后水頭損失0.54m，放置8節(jié)后水頭損失0.82m，放置10節(jié)后水頭損失1.20m。

同時(shí)，由表4可知，在常規(guī)電站進(jìn)水口引流條件下（無疊梁門），進(jìn)口段水頭損失較小，hw=0.09～0.34m，水頭損失系數(shù)ξ=0.03～0.21。放置疊梁門后，進(jìn)口段水頭損失明顯增加，相應(yīng)進(jìn)口段水頭損失增大為1.20～1.95m，水頭損失系數(shù)為0.45～1.15。換言之，疊梁門分層取水附加水頭損失約1.11～1.63 m，將對(duì)機(jī)組發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生一定影響。疊梁門設(shè)置改變了常規(guī)進(jìn)水口的水流運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)口水流流向經(jīng)過兩次90°轉(zhuǎn)彎后進(jìn)入引水管道，加之疊梁門及通倉(cāng)段支撐梁對(duì)水流的局部阻力影響，使進(jìn)口段水頭損失及水頭損失系數(shù)均明顯增大，疊梁門頂水深越小，水頭損失及水頭損失系數(shù)愈大。初步分析可知，進(jìn)口段水頭損失與門頂水深、通倉(cāng)段長(zhǎng)度和縱橫聯(lián)系梁布設(shè)密切相關(guān)。

圖4 進(jìn)口段水頭損失～疊梁門高度關(guān)系曲線

表4 放置疊梁門前后電站進(jìn)口段水頭損失和水頭損失系數(shù)

3.4 機(jī)組甩負(fù)荷對(duì)疊梁門反向附加水擊壓力加設(shè)疊梁門結(jié)構(gòu)后在機(jī)組甩負(fù)荷條件下，疊梁門下游面板將遭受反向水擊壓力，這也是攔污柵墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)注的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)表明：疊梁門下游面板產(chǎn)生的水擊壓力豎向分布特征為頂部小底部大，亭子口電站實(shí)測(cè)底部附加水擊壓力為3.0×9.8 kPa，頂部為1.3×9.8 kPa（見表5），沿水深方向愈往上水擊壓力愈小。平面分布特征為中間柵孔大兩側(cè)柵孔小，符合一般規(guī)律。機(jī)組全部甩負(fù)荷極端條件下，試驗(yàn)測(cè)得疊梁門反向附加水擊壓力約為（2.9～3.0）× 9.8 kPa（見表6和圖5），3個(gè)工程模型試驗(yàn)測(cè)得的最大附加水擊壓力值較為接近。

表5 疊梁門下游面板水擊壓力沿水深分布

表6 機(jī)組甩負(fù)荷引起疊梁門附加水擊壓力

圖5 疊梁門底部水擊壓力過程線

4 結(jié)語(yǔ)

疊梁門分層取水是近年學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)施的熱點(diǎn)，本文從定性和定量?jī)蓚€(gè)層面對(duì)加設(shè)疊梁門后進(jìn)口水力特性進(jìn)行分析探索，有助于形成總體認(rèn)識(shí)，可為今后相關(guān)工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供參考。

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Hydraulic characteristics study on stoplog gates multi-level water in take of large hydropower station

DUAN Wengang，HUANG Guobing，HOU Dongmei，DU Lan，LIU Hongqing
（HydraulicsDepartment，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Setting stoplog gates in front of power p lant inlets leads to complicated local flow conditions. The flow pattern at inlets，the minimum depth at gates，the water head loss，and the additional water ham?mer back pressure on the stop log gates are systematically studied based on physical model testing and nu?merical simulation.The results indicate that，the inlet flow at each gate hole of power units was more uni?form，and the fluctuation of water level in the valve pit increased if the stop log gate was set.The main water-intake area ranged from 10m under the gateway top to 25m above the gateway top，and the mini?mum depth at gates was 15～30m in general.The water head loss at inlet was 1.20～1.95m（head loss coeffi?cient equal to 0.45～1.15），which was 1.11～1.63m higher compared with that without stop log gates，and the economic benefits of power units were then affected.The additional water hammer pressure on the down?stream panels of stop log gates was（2.9～3.0）×9.81kPa，under load rejection operating conditions.

hydropower plant inlet；multi-level water intake；stop log gate；waterhead loss；depth at gates；additional water hammer pressure

TV132

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.011

1672-3031（2015）05-0380-06

（責(zé)任編輯：李福田）

2015-08-09

段文剛（1972-），河南南陽(yáng)人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電站水力學(xué)和樞紐泄洪消能研究。E-mail：ckydwg@163.com