彎彎川水電站引水發(fā)電隧洞水工模型試驗研究

袁榮庫，任玉平

( 吉林省江河工程咨詢有限公司，長春130021)

1 問題提出

1) 由原來是一條引水發(fā)電隧洞，要新修建一條引水隧洞與舊洞并聯引水發(fā)電，通過水工模型試驗驗證引水發(fā)電隧洞并聯后，是否滿足機組設計工作水頭11.50 m 的要求。

2) 通過水工模型試驗，引水隧洞并聯情況下，在庫水位365.00 m，引水流量105 m/s 時，調壓塔的涌高水位是多少。新、舊洞的各自引進流量是多少，計算出新、舊隧洞分流比。

3)通過水工模型驗證試驗，計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、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295 m。壩頂高程370.5 m，最大壩高15.5 m。溢流閘壩在壩左側，全長212 m，共設15 孔弧形閘門，每孔凈寬12 m，高5.5 m，堰頂高程360.00 m，閘門頂部高程365.5 m。引水系統包括新、舊引水發(fā)電隧洞的進水口、閘室段、漸變段、引水隧洞、調壓塔、壓力管道等建筑物。舊引水發(fā)電隧洞全長702.88 m。隧洞斷面為城門洞型，上部半圓直徑6.3 m，下部矩形高3.15 m。在隧洞進口設有寬、高為5.0 m ×3.0 m 平板滑動檢修門2 孔。新引水隧洞全長641.77 m。斷面為城門洞型，上半部直徑5.0 m，下部矩形高2.50 m。進口設有寬、高為3.0 m×5.0 m 平板門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) ，在調壓塔前61.00 m 處與舊洞匯合( 樁號0 +667.132) 。新洞的轉彎半徑為60 m，轉角45°。

廠房內設有3 臺ZZ－LE250 水輪發(fā)電機組。設計水頭11.50 m，單機引水發(fā)電流量35 m3/s，單機出力3 200 kW，總裝機容量9 600 kW。

3 水工模型試驗

3.1 模型設計

按重力相似準則和紊流阻力相似準則進行正態(tài)水工模型設計，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)電隧洞由進口至起坡點用紅松燙蠟制作，取原型造率n=0.016，相應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)電隧洞由進口做到機組中心線處，尾門用手動閘門控制。

3.3 模型試驗及測試方法

1) 模型驗證試驗，以舊洞單獨引水發(fā)電時原型觀測的成果:引水發(fā)電流量105 m3/s，庫水位365.22 m，調壓塔水位360.99 m 為依據，調整隧洞的糙率，使模型測得值與上述指標相吻合，則模型與原型相似，然后測出隧洞的水頭損失值，計算出舊洞的糙率，稱為驗證試驗。

2) 新、舊引水隧洞并聯引水試驗，以新洞的設計原型造率n=0.032 進行新洞試驗。將新洞人工加糙與原型設計的糙率相似，然后進行新、舊引水隧洞并聯引水試驗，測出水頭損失值和調壓塔內水位涌高值。

3) 用測壓管量測引水隧洞測量斷面的相對壓強，計算出隧洞斷面間的水頭損失及糙率和其他水力參數。

3.4 驗證試驗

驗證試驗: 以舊引水隧洞在庫水位365. 22 m，流量105 m3/s，調壓塔水位360.99 m 的原型觀測值為依據，將模型加糙與上述指標相符。3.4.1 試驗和計算公式

1) 由測壓管測出兩斷面間的損失水頭值用式(1) 計算出沿程水頭損失系數λ:

式中:λ 為沿程水頭損失系數;L 為沿程長度;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λ 值代入式(2) 計算出謝才系數C，謝才系數公式:

3) 將謝才系數C 值代入式(3) 曼寧公式 計算出糙率值:

式中:n 為糙率。

4) 用式(4) 計算出雷諾數:

式中:Re 為雷諾數;ν 為水的運動黏滯系數;V 為斷面平均流速。

計算得出模型的雷諾數Re 最小值為31 466，最大值為70 788。

5) 當量粗糙度的計算: 由模型試驗所知圓管為紊流運動，根據管壁的當量粗糙度Ks 與層流底層厚度δ0之比將紊流分成3個區(qū):

水流流態(tài)判別式:

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

6) 紊流區(qū)的普朗特——尼古拉慈公式:

式中:ks 為隧洞洞壁的當量粗糙高度(或水力等值粗糙高度)。

7) 黏性底層厚度計算公式:

式中:v 為水的運動黏滯系數;R 為水力半徑;J 為水力比降。

3.4.2 引水隧洞驗證試驗

1) 調壓塔內水位涌高:3 臺機全開，發(fā)電流量105 m3/s，庫水位365.22 m，調壓塔水位360.99 m，調壓塔水位最大涌高371.542 m，沒有超出調壓塔373.2 m 的高程。

2) 在引水發(fā)電隧洞流量105 m3/s，庫水位360.22 m，調壓塔水位360.99 m 時，總損失水頭3.853 m。計算出舊洞糙率為0.33，沿程水頭損失系數0.074，當量粗糙度33.79 mm。調壓塔最大涌高高程為371.542 m。

3.5 新引水隧洞試驗

引水隧洞均勻加糙至設計的糙率n =0.032，試驗過程和計算成果略。

3.6 新、舊引水隧洞并聯引水試驗方案的試驗結果

3.6.1 在庫水位350.00 m，隧洞并聯總引用流量105 m3/s，隧洞各段水頭損失見表1。

表1 隧洞并聯引水時新、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。隧洞進口0 +000 至調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。調壓塔內水位高程為362.617 m。

3.6.4 計算新、舊引水隧洞的分流比

3.6.5 調壓塔內水位涌高

3 臺機組全開，同時丟棄負荷關閉閥門時間5 s 時，調壓塔內水位涌高至372.038 m，由關閉閥門開始，塔內水位升高至最高時所需的時間為31 s。

4 試驗值與設計值的比較

1) 在總流量105 m3/s，新洞流量38.15 m3/s，舊洞流量66.85 m3/s，調壓塔水位362.617 m，尾水位350.7 m 時，設計的0 +000 ～0 +728.132 水頭總損失為2.17 m，模型試驗測出的總水頭損失為2.025 m，比設計減少水頭損失0.145 m。

2) 根據模型測試值計算機組的有效工作水頭11.607 m，滿足設計工作水頭11.50 m 的要求。

5 試驗成果分析

經計算，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則和紊流阻力相似準則處，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λ只與相對粗糙度有關，顯然對一定斷面的隧洞，當量粗糙度也一定，那么沿程水頭損失系數λ 為常量。所以隧洞的糙率n也為常量。模型試驗各方案計算

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 語

1) 通過驗證試驗計算得出舊引水隧洞的糙率n=0.033。

2) 新洞的糙率設計值n=0.032。

3) 試驗方案，新舊洞并聯引水，新洞的引進流量38.15 m3/s，舊洞的引進流量66.85 m3/s。試驗測得調壓塔水位362.617 m，計算得出機組的有效工作水頭11.607 m。滿足機組設計工作水頭11.50 m 的要求。并聯引水比舊洞單獨引水減少水頭損失1.914 m。

4) 調壓塔內水位涌高:3 臺機組全開，同時丟棄負荷關閉閥門時間5 s 時，調壓塔內水位涌高至372.038 m，由關閉閥門開始，塔內水位升高至最高時所需的時間為31 s，沒有超出調壓塔373.20 m 的高程。

［1］東北水利水電勘測設計研究院. 彎彎川水電站挖潛改造工程初設說明［Z］. 長春:東北水利水電勘測設計研究院，1989.

［2］袁榮庫. 彎彎川水電站引水發(fā)電隧洞水工整體模型試驗報告［R］. 長春:東北水利水電勘測設計研究院，1990.

［3］水力學教研組. 水力學［M］. 北京:清華大學出版社，1981.