宋 勇

(四川省水利水電勘測設計研究院有限公司，成都，610072)

0 引言

目前，西南地區(qū)已建或在建的幾十座大型水電站為了避免大規(guī)模地開挖山體，造成圍巖應力的破壞，均將施工前期的導流洞改建成發(fā)電尾水洞，如二灘、溪洛渡和烏東德等大型水電站。但由于導流洞與尾水洞所承擔的任務不同，它們的布置形式通常也不盡相同，尾水洞的底部高程低而平緩，導流洞的底部高程相對較高，因此導流洞改建尾水洞會抬高尾水洞出口的底部高程[1-3]，其結(jié)果，一方面，尾水洞與下游河床的銜接方式不再是單一的斜坡銜接，也可以采用開挖量不大的平底銜接；另一方面，尾水位變幅較大的電站的下游尾水位可能會低于或接近于尾水洞洞頂高程。國內(nèi)學者丁振華等[4]結(jié)合某尾導結(jié)合型電站的水力模型試驗，指出下游尾水位在尾水洞出口洞頂附近時，過渡過程中尾水洞內(nèi)會出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象，伴隨的壓力交變會對尾水洞襯砌造成破壞。因而對于尾水位變幅較大的尾導結(jié)合型電站，上述特殊的水力學現(xiàn)象均有可能發(fā)生，加之尾水洞出口與下游河床的銜接方式的多樣化，使尾水系統(tǒng)的水力特性變得更加復雜。因此為了澄清這些復雜因素的綜合影響，本文結(jié)合某尾導結(jié)合型電站引水發(fā)電系統(tǒng)的整體水工模型試驗，研究不同尾水洞出口底坡對尾水洞內(nèi)不同流態(tài)的過渡過程中尾水調(diào)壓室的涌浪特性的影響。

1 模型簡介及典型試驗工況

針對該水電站1#和2#機組組成的典型水力單元，依據(jù)相似原理和重力相似準則，建立線性比尺為1:60的正態(tài)模型。整體水工試驗模型包括引水管道、水輪機蝸殼、尾水管、尾水調(diào)壓室(兩機共用)、尾水洞(含部分導流洞)、尾水洞閘門井、尾水洞出口銜接段及出口下游河道。下游河道依據(jù)真實河道的地形圖采用磚石混凝土制作而成，整個物理模型的制作誤差不超過3%，滿足試驗要求，該電站尾水系統(tǒng)的縱剖面見圖1。

在該物理模型試驗中，尾水洞出口與下游河床的銜接方案有兩種：①尾水洞出口與下游河床采用斜坡銜接，i=25%的坡度；②尾水洞出口與下游河床采用平底銜接，i=0%的坡度，如圖2所示：

圖1 某水電站尾水系統(tǒng)的縱剖面

圖2 尾水洞的兩種出口銜接方案

為了研究尾水洞內(nèi)不同流態(tài)的過渡過程中尾水調(diào)壓室內(nèi)的涌浪特性，可根據(jù)尾水洞內(nèi)發(fā)生明滿流的過渡過程時所對應的臨界尾水位，選取典型的試驗工況，見表1。

表1 某水電站典型的試驗工況

尾水洞出口頂部高程為396m，工況D1的下游尾水位高于尾水洞出口頂部高程及上臨界上限尾水位，則雙機甩負荷過程中尾水洞內(nèi)自始至終為滿流。工況D2和D3的下游尾水位在尾水洞出口頂部高程附近，介于上臨界下限尾水位和下臨界尾水位，則雙機甩負荷過程中尾水洞內(nèi)會出現(xiàn)文獻[3]提出的特殊水力學現(xiàn)象—明滿流交替。工況D4、D5和D6的下游尾水位均低于尾水洞出口頂部高程及下臨界尾水位，則雙機甩負荷過程中導流洞改建尾水洞內(nèi)始終為明流，而導流洞上游段尾水系統(tǒng)內(nèi)為滿流。本文試驗成果按水力過渡過程中導流洞改建尾水洞內(nèi)呈現(xiàn)的三種流態(tài)分別進行現(xiàn)象描述和機理分析。

2 試驗成果及機理分析

2.1 導流洞內(nèi)為滿流的過渡過程中尾水調(diào)壓室水位波動

導流洞改建尾水洞內(nèi)為滿流的過渡過程中，兩種尾水洞出口底坡方案下尾水調(diào)壓室內(nèi)的水位約以165s周期的正弦曲線衰減，如圖3所示，與公式(2)的計算結(jié)果一致，調(diào)壓室內(nèi)涌浪幅值最高達19.5m。

圖3 工況D1不同銜接方式下尾水調(diào)壓室水位波動

如果不計水頭損失，機組棄全負荷時尾水調(diào)壓室水位波動振幅Z[5]為：

(1)

(2)

式中：V0——尾水洞內(nèi)流速；f——尾水洞斷面積；L——尾水洞有壓段長度；F——調(diào)壓室斷面積。

式(1)表明：尾水調(diào)壓室內(nèi)水位波動振幅Z與尾水系統(tǒng)有壓段長度、調(diào)壓室斷面積、尾水洞斷面積和機組引用流量有關。當尾水系統(tǒng)有壓段長度越長，調(diào)壓室內(nèi)水位波動振幅越大；反之，越小。由于水力過渡過程中尾水洞內(nèi)始終為滿流時，兩種尾水洞出口底坡方案下尾水系統(tǒng)有壓段長度相等，故調(diào)壓室內(nèi)水位波動振幅相同且變化趨勢一致。此外，工況D1的有壓斷長度和機組引用流量均較其它典型工況大，因而工況D1下調(diào)壓室水位波動振幅也是所有典型工況中最大的。

2.2 導流洞內(nèi)為明滿流的過渡過程中尾水調(diào)壓室水位波動

圖4 工況D2不同銜接方式下尾水調(diào)壓室水位波動

圖5 工況D3不同銜接方式下尾水調(diào)壓室水位波動

導流洞改建尾水洞內(nèi)為明滿流的過渡過程中，兩種尾水洞出口底坡方案下尾水調(diào)壓室水位約以180s周期的正弦曲線衰減(如圖4、圖5所示)，且水位波動振幅最高達19m。隨著機組甩負荷，經(jīng)過機組的流量減小，尾水洞內(nèi)呈現(xiàn)退水波，導流洞改建尾水洞洞頂出現(xiàn)氣囊，并隨著洞內(nèi)水位下降氣囊長度逐漸增長，且最終在調(diào)壓室內(nèi)水位與下游尾水位兩者水頭差的作用下，尾水洞出口處水體開始反向流動，洞內(nèi)水面上升，洞頂氣囊被波動的水面分割成若干段，并受擠壓潰散，造成尾水洞內(nèi)水體擾動劇烈，因而工況D2和D3下調(diào)壓室內(nèi)水位波動的周期和振幅較工況D1有一定的偏差。

2.3 導流洞內(nèi)為明流的過渡過程中尾水調(diào)壓室水位波動

從圖5和圖6可以看出：導流洞改建尾水洞內(nèi)為明流的過渡過程中，兩種尾水洞出口底坡方案下尾水調(diào)壓室內(nèi)水位波動是兩種完全不同規(guī)律的曲線，平坡方案下水位的最高值在涌浪第二振幅結(jié)束時達到，且第一振幅幅值小于第二振幅幅值，而斜坡方案下水位的最高值在第一振幅結(jié)束時達到，且第一振幅幅值遠遠大于第二振幅幅值，見表2；此外，同一工況下兩種尾水洞出口底坡方案下調(diào)壓室內(nèi)的初始水位高程相差2m～3m，最低水位高程相差3m～4m。

圖6 平底銜接方式下尾水調(diào)壓室水位波動

圖7 斜坡銜接方式下尾水調(diào)壓室水位波動

表2 兩種尾水洞出口底坡方案下

當下游尾水位較低時，機組甩負荷過程中整個導流洞改建尾水洞內(nèi)水流流態(tài)始終為明流，在調(diào)壓室水位與下游尾水位兩者水頭差的作用下，尾水系統(tǒng)內(nèi)水體往復波動，正向波與逆向波在尾水洞內(nèi)相遇疊加，影響著尾水調(diào)壓室內(nèi)的水位波動。兩種尾水洞出口底坡方案對尾水調(diào)壓室內(nèi)水位波動的具體影響過程如下：

(1)平坡銜接方案：隨著機組甩負荷，尾水調(diào)壓室內(nèi)水位下降至最低點且在降水波的作用下導流洞改建尾水洞段內(nèi)明流水深減小，流速增大，易在尾水洞與導流洞結(jié)合點的位置出現(xiàn)水流流速與降水波波速相等，甚至前者大于后者的現(xiàn)象，形成斷波，阻礙導流洞改建尾水洞段內(nèi)水體補充調(diào)壓室，因而在尾水調(diào)壓室水位下降至最低點的下一時刻，尾水洞與導流洞銜接段斜坡上的水體在自重的作用下，開始回補調(diào)壓室，調(diào)壓室內(nèi)水位開始回升，升至局部最高點，與此同時，導流洞改建尾水洞段內(nèi)水體仍涌向尾水洞出口，洞內(nèi)水面與出口處水面存在較大的水頭差，形成向上游傳遞的行波，因而調(diào)壓室內(nèi)水位再次下降的同時，行波向上游傳遞，導流洞改建尾水洞段內(nèi)水面升高，尾水調(diào)壓室內(nèi)水位回升，且此次回升幅度較第一次回升幅度大，見圖5。最終隨著水體能量的耗散，尾水調(diào)壓室內(nèi)水位衰減至下游河床水位附近。

(2)斜坡銜接方案：隨著機組甩負荷，尾水調(diào)壓室內(nèi)水位下降至最低點，與平坡銜接方案不同的是由于尾水洞出口斜坡的存在，導流洞改建尾水洞段內(nèi)明流水位相對較高，流速相對較小，不易出現(xiàn)水流流速與降水波波速相等，或者前者大于后者的現(xiàn)象，因而也不會形成斷波，故尾水調(diào)壓室內(nèi)水位下降至最低點的下一時刻，斜坡銜接方案下尾水洞內(nèi)回補調(diào)壓室的水體不僅僅是銜接段水體，還有導流洞改建尾水洞內(nèi)水體，且此次回升的幅度也較平坡方案下調(diào)壓室內(nèi)水位第一次回升的幅度大，與此同時，調(diào)壓室內(nèi)水位與下游河床水位形成新的水頭差，調(diào)壓室內(nèi)水位再次下降，其中下降平緩段可能是由于水錘波傳遞至尾水調(diào)壓室時波疊加的結(jié)果，之后調(diào)壓室內(nèi)水位回升和下降是調(diào)壓室內(nèi)水位與下游河床水位再次形成水頭差的結(jié)果，之后水位較快地衰減至下游尾水位附近，見圖6。

3 結(jié)論

(1)當導流洞改建尾水洞內(nèi)自始至終為滿流或出現(xiàn)明滿流的過渡過程中，兩種尾水洞出口底坡對尾水調(diào)壓室內(nèi)的水位波動和調(diào)壓室底板壓差的壓力變化趨勢影響不大。

(2)當導流洞改建尾水洞段為明流的過渡過程中，兩種尾水洞出口底坡方案下尾水調(diào)壓室內(nèi)的水位波動是兩種完全不同規(guī)律的曲線，且尾水洞出口斜坡方案下調(diào)壓室內(nèi)水位的最低值比平坡方案下高，即尾水洞出口采用斜坡銜接方案，尾水調(diào)壓室阻抗底板以上水深有更大的裕度。