糯扎渡水電站進水口疊梁門分層取水研究

高志芹，趙洪明，董紹堯

（中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院，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規(guī)劃的第五級，總裝機容量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。水庫正常蓄水位812 m，死水位765 m，水庫總庫容237億m3，正常蓄水位以下庫容217億m3，調(diào)節(jié)庫容113億m3，水庫庫容巨大，具有多年調(diào)節(jié)特性。根據(jù)水溫預(yù)測成果分析，水庫建成蓄水后，水庫水溫將出現(xiàn)穩(wěn)定分層現(xiàn)象，屬溫度穩(wěn)定分層型水庫。

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

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

圖1 疊梁門分層取水進水口縱剖面示意

2 疊梁門分層取水水力特性

進水口采用疊梁門分層取水后，疊梁門門頂過流，類似于堰流，水流條件較單層進水口發(fā)生較大變化，水流條件相對復(fù)雜。通過水力學(xué)數(shù)值分析和物理模型試驗研究疊梁門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雙方程紊流模型對疊梁門分層取水進水口進行水力學(xué)三維數(shù)值模擬，研究疊梁門分層取水進水口的水頭損失、流速分布等水力學(xué)特性。取庫內(nèi)進口上游210 m斷面為進流邊界，壓強按靜水壓強分布規(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。計算結(jié)果表明：

（1）隨著疊梁門擋水高度的增加，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）疊梁門第一、二、三層取水時，下游側(cè)近底部有一回流；第四層取水時，進口處流態(tài)較好，無回流。沿橫向，第四層取水時靠近進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，流速在疊梁門頂上下一定范圍內(nèi)流速較大，說明所取水體大部分為該層水體，第四層取水時，流速在進口高度范圍流速較大，說明所取水體大部分為該層水體。

2.2 模型試驗研究

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，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 （長度）比尺 （原型量/模型量）選取λl=39.15。

通過模型試驗對水頭損失、流速分布、漩渦、時均壓力和脈動壓力、進水口局部水流現(xiàn)象、事故閘門快速關(guān)閉引起的水力要素變化、機組突甩或突增負(fù)荷引起的水力要素變化等水力學(xué)特性進行研究，得到以下結(jié)論：

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

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

（3）第四層取水在765.0 m和777.7 m水位之間運行時，進水口不會產(chǎn)生有害漩渦；第一、二、三層取水時，水流經(jīng)疊梁門流入進水口，類似于堰流，不會發(fā)生漩渦。

（4）各正常運行工況下，進水口壓強都比較穩(wěn)定，疊梁門后底板未受到經(jīng)疊梁門水流的沖擊。

（5）疊梁門取水時，快速關(guān)閉事故門引起的進水口壓強變化大于無疊梁門的常規(guī)底層取水時的壓強變化。

（6）各工況運行時，機組突甩和突增負(fù)荷，最大正、負(fù)水擊壓強均出現(xiàn)在通氣孔下游側(cè)；進水口不會產(chǎn)生負(fù)壓強。

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

3 疊梁閘門流激振動分析

疊梁閘門是輕型薄壁鋼結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜水流作用下，可能存在流激振動問題。通過物理模型試驗和數(shù)值計算研究進水口疊梁閘門結(jié)構(gòu)的激流振動現(xiàn)象，分析由于水流作用誘發(fā)的振動是否會危及閘門的安全,從而對疊梁閘門過流的安全性進行評估。

3.1 模型試驗研究

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

對疊梁閘門分別建立水力學(xué)模型和水彈性模型，前者測量作用于閘門上的時均壓力和脈動壓力，后者測量閘門流激振動響應(yīng)。試驗工況見表1。

表1 試驗工況

試驗結(jié)果表明：

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

（2）閘門的干模態(tài)各階振型主要表現(xiàn)為順?biāo)鞣较虻恼駝樱议l門的自振頻率隨著閘門高度的升高而降低。

（3）閘門的濕模態(tài)各階振型主要表現(xiàn)為順?biāo)鞣较虻恼駝樱议l門的濕模態(tài)各階頻率隨著閘門高度的升高而降低，三層疊梁閘門工作時的基頻最小，為2.31 Hz。而作用于閘門的水流脈動頻率在0.1 Hz左右，在實際運行期間，水流對閘門的振動影響不大，不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

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

（5）各運行工況下，閘門的動位移響應(yīng)值均不大，閘門可正常運行。

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行數(shù)值仿真分析。利用附加質(zhì)量法模擬動水對閘門的作用，對閘門的自振特性進行分析。根據(jù)水彈性模型試驗結(jié)果，利用隨機振動功率譜法進行閘門結(jié)構(gòu)的流激振動分析，研究閘門在水脈動壓強下的隨機動力響應(yīng)。計算工況同試驗工況。計算結(jié)果表明：

（1）各工況下閘門產(chǎn)生流激振動的主要部位為第三節(jié)門葉。閘門12.68～38.04 m高處水流平緩，無水流脈動情況產(chǎn)生。

（2）在脈動水流作用下，各種工況下閘門的動力響應(yīng)值均不大。

（3）三種工況對比，工況一閘門的動力響應(yīng)最大。

（4）根據(jù)計算結(jié)果，各測點動位移功率譜圖波峰主要出現(xiàn)在低頻0.1 Hz左右，根據(jù)水彈性模型試驗結(jié)果得出的數(shù)據(jù)，位移功率譜圖波峰主頻與動水壓力荷載的基頻基本一致。

通過以上疊梁閘門流激振動模型試驗和數(shù)值分析可知，進水口疊梁閘門的流激振動安全性是有保證的。

4 疊梁門分層取水下泄水溫分析

水溫是魚類生存的重要環(huán)境因子之一，每種魚類都有一個最適宜生長和繁殖的水溫范圍，高于或低于這個范圍，魚類就會受到影響。瀾滄江中下游魚類種類較豐富，屬溫?zé)釒~類，產(chǎn)卵期通常在4月～8月，這一時段的河道水溫分布對魚類的繁殖有重要影響。

根據(jù)水庫水溫分布情況，建立水庫和下泄水流的數(shù)值分析方程，采用三維數(shù)學(xué)模型對糯扎渡水電站進水口疊梁門分層取水的下泄水溫進行數(shù)值模擬，分析水庫水流經(jīng)過引水發(fā)電系統(tǒng)下泄的水溫分布。為進行對比分析，同時對常規(guī)進水口底層單層取水的下泄水溫進行數(shù)值模擬。

分別在典型平水年、典型豐水年、典型枯水年里對分層取水和單層取水進行下泄水溫的計算，對兩種取水方式的下泄水溫年變化過程進行比較。限于篇幅，只列出典型平水年的計算結(jié)果 （見表2）。典型豐水年、典型枯水年計算結(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，對下游生態(tài)環(huán)境的保護可起到積極作用。

5 結(jié)語

水電是可再生的清潔能源，水電站在運行過程中幾乎無污染物排放。但大江大河上的高壩大庫建設(shè)將一定程度改變河道水溫分布，對水生生態(tài)，特別是魚類將產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)電站進水口按常規(guī)設(shè)計底層取水造成下泄水溫偏低時，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，盡量降低對水生生物的不利影響。

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

［1］ 劉欣，陳能平，肖德序，等.光照水電站進水口分層取水設(shè)計［J］.貴州水力發(fā)電， 2008， 22（5）:33-35.

［2］ 吳旭敏，王東峰.灘坑水電站進水口分層取水設(shè)計［M］//邴鳳山主編.中國水力發(fā)電年鑒第十一卷.北京：中國電力出版社，2006.

［3］ 游湘，唐碧華，章晉雄，等.錦屏一級水電站進水口疊梁門分層取水結(jié)構(gòu)對流態(tài)及結(jié)構(gòu)安全的影響［J］.水利水電科技進展，2010， 30（4）:46-50.

［4］ 張文遠(yuǎn)，楊帆，張東，等.兩河口水電站發(fā)電引水系統(tǒng)進水口疊梁門分層取水試驗研究［C］//第一屆堆石壩國際研討會論文集——現(xiàn)代堆石壩技術(shù)進展.2009.

［5］ 楊建東.分層取水式電站進水口水力特性數(shù)值模擬研究［D］.武漢：長江科學(xué)院碩士學(xué)位論文，2010.

［6］ 張宗亮，劉興寧，董紹堯，等.大型水電站進水口分層取水研究項目研究報告［R］.昆明：中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院，2008.

［7］ 高學(xué)平，李妍，宋慧芳.糯扎渡水電站進水口分層取水?dāng)?shù)值模擬研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報， 2010， 29（6）:132-137.