基于尾水隧洞中明滿流的危害及措施研究

李學宏

(黑龍江省富錦市水務局，黑龍江 富錦 156100)

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基于尾水隧洞中明滿流的危害及措施研究

李學宏

(黑龍江省富錦市水務局，黑龍江 富錦 156100)

隨著能源的開發和利用，空氣污染日益嚴重，而清潔的水電能源在可持續發展中具有了明顯的優勢，水電站日益增多。很多水電站由于地形、地質、整體布置或者利用已建的導流洞的原因，其尾水洞較長，水力過渡過程十分重要。在下游低水位工況時，尾水洞會出現明滿流現象，其水力學現象十分復雜，對尾水隧洞造成巨大破壞，因此均需采取一定的預防措施。工程中多采用設置通氣孔的方式來減緩明滿流的危害，但通氣孔位置及尺寸的選擇也有著重要的影響。

尾水洞；明滿流；危害；解決措施；研究

1　明滿流的提出

能源是促進社會發展的重要物質基礎，在人類的日常生活和各種生產活動中時時處處都離不開能源。各種能源的開發和利用促進了世界的繁榮和發展，與此同時，能源的消耗量也是與年劇增。然而化石能源的日益加劇地開采，不僅導致這些化石燃料的日漸枯竭，而且造成空氣污染，給人類的生存環境帶來大量的負面影響[1]。水能資源作為一種清潔且可再生能源，成為了保護環境、節約資源的重要戰略措施，在可持續發展中具有明顯的優勢。我國水能資源豐富，理論蘊藏量居世界第一。

許多大型水電站在設計時經常把導流洞改做發電尾水洞，以減少巖體隧洞的開挖量，并且減少岸坡的處理工作，從而節省了大量的投資。在尾水洞較長時，導流洞改作尾水洞的經濟效益就更為顯著。導流洞的底部高程的設計一般比較高，以滿足施工導流的要求，而尾水管出口為了滿足真空度的要求設計得比較低，因此在導流洞與尾水洞相連接時，在尾水洞與導流洞兩者之間的連接處會有較大的反坡銜接段。

圖1與導流洞相結合的尾水洞的水電站引水發電系統縱剖面圖

導流洞的特殊布置形式，使得它在過渡過程中洞內常發生明滿流交替流動的現象。明滿流的出現對水電站的結構安全造成一定的影響，由于現在多數水電站的裝機容量較大，因此其安全穩定運行對供電系統的穩定和供電質量都有著至關重要的意義[2]。

2　明滿流的定義

明滿流現象廣泛存在于水工隧洞、排洪管道以及水電站的尾水系統中，在過渡過程中產生的這種復雜流態比非恒定有壓流和非恒定明渠流更為復雜。

明滿流至今被廣泛接受的有2種含義：①是指有壓流與無壓明流共存的狀態；②是指明流向滿流或者滿流向明流過渡過程中，在輸水系統的某段內出現有壓流與無壓流交替的情況。兩者的主要區別在于有沒有考慮洞內的截留空氣。如圖2所示，在文ujj 中出現的導流洞中的明滿流是第2種概念。

圖2　與導流洞相結合的尾水洞中的明滿流(第2類明滿流)

3　明滿流的危害

在實際的水電站工程中，導流洞出口處下游尾水位受到水電站運行等諸多因素的影響。在出現尾水位與導流洞洞頂的高程相近的情況下，當水電站負荷發生變化時，導流洞改作的尾水洞中就會出現明滿流的現象。

下面就以水電站機組甩負荷時導流洞中水體從明流轉為明滿流的現象為例進行描述。在尾水位稍低于洞頂出口高程時，如果水電站發生較大的甩負荷變化，隨著導葉的迅速關閉，尾水洞流速減小，尾水系統水位下降，引起降壓波向下游傳播。因為下游水庫比較大，傳來的降壓波便在與水庫相接的出口處變成向上游傳播的升壓波，該升壓波與向下游傳來的降壓波進行疊加后，水面便會在波的作用下涌起并且不時的出現封頂現象[3]。上游的入射波和下游反射波在相遇處發生疊加，使得改為尾水洞的導流洞沿線隨時間變化不斷出現涌波，該涌波就可能出現觸頂的現象，在導流洞段就會出現氣囊。氣囊在水體的作用下不斷的發生壓縮和膨脹變形，該變化中會產生較大的負壓。此時，該氣囊的形成及消失會產生比較復雜的壓力脈動現象。這種復雜的水流現象稱為明滿流。

水電站的引水系統在負荷變化的過渡過程中所產生的明滿流現象，是一個變化很快的壓力交變過程。在這個過程中會產生較大的正、負壓力并且造成劇烈的壓力脈動。在該水流的作用下，由于正負壓力的不斷變化會破壞尾水洞段的混凝土，致使其強度降低甚至剝落，進而對尾水洞的安全及水電站的正常運行會造成較大的危害。

4　解決措施

在尾水位位于洞頂附近時，當機組甩荷或增荷，尾水洞內水面會出現劇烈的起伏，在洞頂處形成氣囊，之后氣囊破滅，氣囊在形成和破滅時會形成較大的壓力變化，形成正負交替的壓強，對尾水洞的破壞較大。因此，一般在工程中采用設置通氣孔的方式來減緩明滿流現象，而通氣孔尺寸的大小對進/排氣量的大小有影響。

通氣孔的作用是在尾水洞內水位發生變化時，通過通氣孔來補氣和排氣，以減小氣囊的壓縮或者膨脹時產生的負壓及壓力脈動。通過對國內外相關工程的研究發現，尾水洞中不設置通氣孔時，洞頂壓力平緩變化，隨著機組負荷的變化，負壓持續時間較長且極值較大。具有通氣孔的尾水洞雖然洞頂仍然出現負壓，但相比于不設置通氣孔的情況，負壓較小且持續時間也較短。因此，通氣孔能夠較好的減緩明滿流對洞頂產生的負壓。

通氣孔位置及尺寸大小決定了進/排氣量的大小，進而對明滿流的減緩作用有著較大的影響，因此，通氣孔的位置及尺寸選擇需根據實際工程進行相關試驗研究確定。

5　結　語

隨著許多大型水電工程的籌建和設計，很多大型水電站由于地質或地形原因，同時為了節約投資，常將導流洞改作尾水洞，在尾水位接近洞頂高程時，不可避免的會發生明滿流這種復雜的水力現象。明滿流對尾水洞及機組的正常運行造成破壞。因此對尾水隧洞中明滿流的研究及采取相應措施有著重要的意義。

[1]李方正．新能源[M].北京：北京工業出版社,2008：5-7.

[2]許景賢．導流洞改作水電站尾水洞的技術問題的試驗研究[J].水利水電技術,1992(04)：58-61.

[3]胡明，蔡付林，周建旭．溪洛渡水電站尾水系統水力動態特性試驗研究[J].水利水電技術,2002(03)：11-13+39.

1007-7596(2016)06-0128-02

2016-04-12

李學宏(1974-)，男，黑龍江富錦人，高級工程師。

TV134.3

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