抽水蓄能電站側式進出水口體型及水力特性研究進展

高昂　吳時強

摘要：側式進出水口是抽水蓄能電站廣泛采用的水流過渡結構形式，是連接庫區與輸水管道的咽喉。該部位雙向過渡水流結構較為復雜，對工程的運行效率及安全有重要影響，而合理的進出口體型是保證水流合理過渡和工程安全的關鍵。研究側式進出水口體型及水力特性的方法主要有物理模型試驗、數值模擬及原型觀測。文章對進出水口前漩渦、進出口段水流過渡和水頭損失等方面研究成果加以總結。分析了漩渦形成機理、誘渦因素及抑制漩渦形成的工程與非工程措施；明確了均衡過渡水流的工程要求及滿足水流均衡過渡的結構體型設計準則；列舉了部分工程進出水口體型參數、過渡水流特征數及進出流水頭損失系數。

關鍵詞：抽水蓄能電站；側式進出水口；水流特性；結構設計

中圖分類號：TV732.1文獻標志碼：A文章編號：

Abstract：

Lateral inlet/outlet is the widely used form of flow transition structure in pumped storage power stations，and is always considered as the throat connecting the reservoir and water pipes.The twodirection flow structure of the lateral inlet/outlet is complicated and affects the operation efficiency and safety of engineering.The reasonable structure type of lateral inlet/outlet is the key to ensuring reasonable flow transition and engineering safety.The methods for studying the shape and hydraulic characteristics of lateral inlet/outlet mainly include physical model test，numerical simulation，and prototype observation.This paper summarizes the research results on the vortex flow，flow transition，and head loss at the lateral inlet/outlet.It analyzes the forming mechanism of vortex，the factors that induce vortex，and the engineering and nonengineering measures to inhibit vortex formation.It defines the engineering requirements of equilibrium transition flow and the structure design criteria that satisfy the equilibrium transition of flow.It also lists the structure parameters，transition flow characteristic numbers，and the water head loss coefficients at the lateral inlet/outlet of some projects.

Key words：

pumped storage power station；lateral inlet/outlet；flow characteristic；structural design

[HJ2mm]我國經濟建設的快速發展對電力供給量及供給穩定性與持續性的要求持續增高，抽水蓄能電站作為一種清潔、經濟、可靠的儲能發電裝置，起著電力系統穩定調節器的作用，在電力系統中的重要性日益凸顯[1]。水電發展“十三五”規劃（2016-2020年）中指出要適度加快抽水蓄能電站建設步伐，計劃“十三五”期間開工抽水蓄能電站6 000萬千瓦左右。在迎來抽水蓄能電站新一輪建設浪潮的同時，如何保證電站安全運行，并進一步提高其能量轉化效率是水電工作者密切關注的焦點。

側式進出水口是抽水蓄能電站壓力隧洞與水庫之間的銜接性水工建筑物，需對壓力隧洞與水庫進行合理的銜接，保障進出水口具有良好的水力學指標。基于這種需求，側式進出水口大都布置為在豎向與橫向均有所擴散的基本型式，并采用分流隔墩形成二隔墩三流道或三隔墩四流道的布置格局，結構體型較為復雜。如若體型設計不當，容易造成不利的水流流態，對電站的經濟效益與安全運行產生不利影響[2]。

歸納已有試驗研究成果和原型觀測資料發現，側式進出水口水流易存在以下三個問題：（1）入流時（由庫區進入輸水管道）有害吸氣漩渦問題；（2）雙向水流均衡過渡問題，包括不同通道間流量分配不均問題及單個通道內流速分布不均等問題；（3）水頭損失問題。針對上述水流問題，前人又采取了有效的調控措施。本文對側式進出水口水流問題及為解決這些問題而采取的調控措施兩大方面進行綜述。

1進出水口水流漩渦現象

根據進出水口漩渦的形態特征，將其定性地分為不吸氣漩渦、間歇性吸氣漩渦和貫通式吸氣漩渦[3]。其中，貫通式吸氣漩渦對電站運行危害最大[4]，主要包括以下四方面：（1）吸入的空氣泡易導致水輪機葉片壓力分布失衡，可能造成機組振動破壞；（2）水面漂浮物易被貫通式吸氣漩渦卷入水體，造成攔污柵堵塞甚至破壞；（3）漩渦攜帶的空氣進入輸水通道后，減小了過流面積，增大了過流阻力，從而降低了輸水通道過流能力；（4）漩渦挾帶空氣形成的有旋流動使得機組在非設計條件下運行，會導致機組工作效率的降低。因此，探討漩渦尤其是貫通式吸氣漩渦的形成機理，確定漩渦產生及發展的決定因素，探尋有效的消渦措施是流體力學理論研究中具有挑戰性的課題，也是工程實際中迫切需要解決的問題[5]。

1.1進出水口漩渦形成的機理

漩渦運動的復雜性及研究方法的局限性導致對漩渦形成及發展機理研究不能深入，漩渦問題的理論研究一直難以取得突破性進展，人們還未對漩渦形成、發展過程及機理達成共識。因此對漩渦形成的動力學過程進行直觀描述，獲得清晰明確的認識，并在此基礎上對漩渦形成及發展機理進行科學闡述顯得尤為重要。不少學者采用模型試驗方法對側式進出水口漩渦的形成、發展機理進行了規律性探究。

陳云良[6]認為進水口前表層水體受胸墻阻滯，部分水體動能轉化為勢能，在胸墻前形成水位壅高的滯流區。滯流區水體受到空間三維流速的綜合影響，水體壓力和內剪力平衡極易被破壞，產生一定的環量。同時，在進水口泄流作用下，進水口上方水體極易失穩，產生向進水口運動的加速度。水體在環流和重力雙重作用下發生復雜的三維運動，就有可能誘發漩渦形成。

嚴根華[7]通過物理模型試驗，發現進水口上方滯水區是一個剪切流流場，滯水區上方水流受胸墻阻礙而減速，滯水區下方水流受進口水流拖動而加速，剪切場內水體發生復雜的紊動翻滾，為成渦提供了基本條件。在波浪和風等外力的隨機作用下，不同流速水體發生剪切運動為成渦提供了主要動力。

杜敏[8]基于紊流能量的串聯特點，構建了一個“漩渦能量平衡”模型，對漩渦的形成過程描述如下：進水口前水體在固體障礙物干擾下發生立軸圓柱型旋轉運動，圓柱體水體外環能量不同程度的向圓柱中心集中，中心附近水體流速逐漸增大并超過外環水體流速，圓柱形旋轉水體在進水口泄流形成的不均勻急變流作用下被逐漸拉伸，中心附近的水面逐漸下凹形成空氣通道，直至與進水口貫通形成貫通式吸氣漩渦。

王英奎[9]認為進水口前較大體積的滯流區為漩渦產生和發展創造了條件，而滯流區大小由淹沒水深決定，分析了水深由小到大（漩渦從無到有再到無）過程中自由水體與滯流區水體的博弈過程及漩渦形成、發展過程。指出漩渦具有表面環流和點匯流的雙重屬性，并引用“點匯球形臨界面”（CSSS）概念[10]，考慮表面環流和點匯流動兩個主要影響因素，分析了臨界淹沒水深的下限。

上述成果對漩渦形成過程及機理進行了理論探討，形成了初步共識：進水口不合理邊界形狀及不均衡外力造成的水流初始環量為漩渦形成營造了基本條件，進水口泄流拖曳前緣水體為漩渦形成提供主要動力，水體粘性力則起著使漩渦附近水體質點持續參與到漩渦運動中的聯結作用，漩渦運動具有表面環流和點匯流的雙重屬性。這些研究為厘清成渦因素及合理設置消渦措施提供了基礎依據。

1.2進出水口漩渦影響因素及條件

漩渦形成主要與進出水口前緣地形邊界、進出水口體型及其水力特性有關[11]。當抽水蓄能電站正常運行時，進出水口前緣地形、進出水口體型是基本不變的，而進出水口水力要素是隨電站運行而頻繁變化的，因此進出水口水力要素與漩渦形成之間的對應關系一直是研究熱點。

進出水口水力要素主要包括：進出水口淹沒深度、入流流速（或弗勞德數）、雷諾數、韋伯數、進出水[HJ1.8mm]口前水流環量等[8]。在試驗研究和具體工程應用中，淹沒水深較入流流速、水流環量等水力參數更直觀、更易獲得與控制，因此大多關于水力因素的控制條件一般由隱含入流流速（弗勞德數）或水流環量等參數的淹沒水深來表示。淹沒水深是研究立軸漩渦的一個重要水力參數，為避免發生貫通式吸氣漩渦，進水[JP3]口須保證足夠的淹沒深度S或相對淹沒深度S/D（S為進出水口前緣淹沒深度、D為進水口高度，見圖1）。

對比表1中淹沒水深經驗公式，發現各家公式有所不同。分析認為主要是因為具體的研究對象邊界條件、結構形式、運行條件等不同，在探尋臨界淹沒深度時考慮的影響因素及權重不同所致；另一方面則是由于試驗條件、測量方法差異所致。但公式也呈現出了一定的共性，比如大部分公式考慮了進水口流速（或弗勞德數）的影響，有的公式還考慮了水流環量的影響。由于戈登公式源于實測資料的統計分析，更具普適性，且其形式簡單，適用性較強，該公式已納入我國水電站進水口設計規范[19]。然而，經驗公式只能提供初步參考，在實際工程中，還應根據具體工程特點，通過模型試驗對經驗值進行修正。Travis[20]采用K最近鄰（kNearestNeighbor）分類算法，以文獻[21]中工程原型側式進出水口處S/D、Fr（0.18≤S/D≤6.09，0.06≤Fr≤1.90）為訓練樣本，構建了側式進出水口漩渦形成概率的預測模型，并給出了以S/D、Fr為縱橫坐標的漩渦形成概率聚類圖。該方法為漩渦形成條件的研究提供了新的思路。

1.3進出水口消渦方法

在工程實踐中如若出現吸氣漩渦，特別是貫通式吸氣漩渦，對電站運行造成不利影響，就需要采取措施對漩渦運動進行抑制或消除。根據進出水口水流的成渦特點及決定因素，對消渦措施進行了廣泛的研究，取得了不少成果，對進出水口的工程設計有很好的指導作用。

何學民等[30]利用小型水工物理模型，對消渦措施進行了較為系統的研究，總結了3大類30余種消渦措施。這3類措施可分為：（1）合理設計進水口、胸墻、導墻位置和形式，減小進流角，設置專門的構筑物，如隔墻、翼墻、水平隔板、徑向隔墩、導流板、蓋板等；（2）安裝專門結構物，如防渦梁、封閉式防渦格柵、漂浮式排筏、帶孔口的防渦板、金屬網、垂直消渦格柵等；（3）調整運行方式的消渦措施有：在事故閘門與進口相距較近時，可通過下降事故閘門，進而增加進口相對淹沒水深的方式延緩或避免漩渦形成。Roshan等[34]在GodareLandar Dam水工模型試驗中采用設置在進水口上方的消渦墻，有效減弱了進水口漩渦的強度。Amiri等[36]通過研究不同來流角、淹沒深度、流量大小對漩渦形成的影響，指出保證進水口前水流正向平穩均勻進流是抑制漩渦初生的關鍵，并在進水口上方設置水平孔板的措施抑制漩渦的形成。Martinerie等[37]在德朗斯NantdeDrance和LinthLimmern兩座抽水蓄能電站模型試驗中，提出了在NantdeDrance進水口頂部設置平板和在LinthLimmern進水口上方設置防渦梁的消渦措施。倪漢根[38]提出了通過采取措施使進水口漩渦區產生一個逆旋轉反向漩渦，使二者水流環量對沖，消除漩渦的思想。鄒敬民[39]對比研究了斜梁式、梁格式及階梯立式等十余種消渦措施的消渦效果，認為階梯立式防渦梁是通過對漩渦不同高度水體的削弱作用來實現消渦的，是消除進水口前吸氣漩渦的有效措施。胡去劣[6]提出抑制漩渦形成歸根結底是消除漩渦形成、發展的條件和動力，具體可從以下幾方面入手：（l）優化進水口體型，選擇適當的進口位置，保證進水邊界對稱性；（2）采用消渦柵、消渦梁等輔助措施，破壞有害渦的內部結構。（3）合理控制進口水流相對淹沒度和水流弗勞德數，使其組合關系處在不出現有害漩渦的區間內。他還闡述了消渦柵的消渦原理，并通過試驗確定了滿足工程要求的消渦柵體型尺寸和布置形式。李書斌[40]、王英奎[9]、Hamed等[41]指出前傾的胸墻比后仰的胸墻擁有更低的臨界淹沒水深下限，因此建議工程實際中采用前傾的胸墻設計。

將已有消渦措施概括為工程措施和非工程措施兩類。工程措施為通過優化進出水口體型、進出水口前庫區邊界或設置特殊建筑物改善水流流態、抑制漩渦形成。非工程措施為通過調整運行方案，合理安排工況，保證進水口前有一定的淹沒深度。存在多孔進水口時，盡可能使進水口對稱進流。

需要指出的是，抽水蓄能電站為提高其綜合效益，往往要充分利用庫容，必然導致進出水口前較大的水位變幅，這就造成電站運行綜合效益最大化與電站安全運行兩者間的矛盾，面對這種矛盾，在具體工程中，人們常常選擇充分利用庫容以達到電站運行綜合效益最大化，而通過合理設計進出水口體型、優化進水口邊界條件、布設特殊的消渦建筑物等工程措施來抑制漩渦的形成，比較常用的是在進水口上方設置消渦梁，這種消渦方法也基本成為進出水口設計的慣例，在眾多水電站側式進出水口廣泛采用，見表2。

2進出水口水流均衡過渡問題

水流在進出水口段的流動為復雜的收縮流/擴散流（雙向流），兩種狀態下進出水口中的流速分布、流量分配及水頭損失差異顯著。進出水口處水流能否均衡過渡主要與擴散段長度、水平和豎直擴散角大小、分流墩布設形式有關，體型設計見圖1，而進出水口設計的合理程度則是由攔污柵斷面處流速平均值u、流速不均勻系數η（最大流速與平均流速比）及各通道流量分配率φ三要素來反映，文獻[19]指出三要素的控制應以不使進出水口結構，特別是攔污柵產生破壞為準，給出了水流較均衡過渡條件下的三要素控制標準。

（1）進/出水口攔污柵處主流向平均流速u在0.6～1 m/s間；

（2）攔污柵斷面處主流向流速不均勻系數η：進流時小于1.5，出流時小于2；

（3）四通道時各通道流量分配率φ在22%～28%間；三通道時各通道流量分配率φ在30%～36%。

蔡付林等[42]研究了7種分流墩方案對進出水口各孔口流速分布以及流量分配的影響，指出對于三墩四孔進出水口，庫水位僅對擴散態水流有一定的影響，給出分流墩最優布設方案為：兩側分流墩宜始于擴散段起始斷面，且兩側分流墩長于中間分流墩。黃智敏等[43]對廣州抽水蓄能電站下庫進出水口進行了物理模型試驗，指出邊墩頭部越靠近擴散段起始斷面，出流時各孔口流量分配越均勻，入流時各孔口流量分配率與邊墩頭部位置關系不大，而與分流墩頭處各過水通道面積大小關系密切。孫雙科等[44]以張河灣抽水蓄能電站進出水口為例，研究了分流墩布置形式和擴散段體型對出流流速的影響，指出對于三墩四孔的側式進出水口，采用中隔墩后移的“凹”型布置形式，對于改善擴散段內流速分布與消減負流有積極作用；在側式進出水口出流時，攔污柵斷面的流速分布除了受擴散段調控整流作用，還與圓變方段水流均勻程度有關，而圓變方處水流均勻程度受距圓變方較近的隧洞轉彎段造成的不均勻流影響。章軍軍等[45]對進出水口流速分布、水頭損失等進行了物理模型試驗與三維數值模擬，通過對分流墩、頂板和邊墻等結構的體型優化，解決了出流時流態分布不均勻與水頭損失系數偏大的問題。沙海飛等[46]對某三孔側式進出水口水流特性進行了三維紊流數值模擬研究，定量描述了來流不均性對進出水口水流均衡過渡的影響，優化了分流墩的布置形式。Ye F等[47]采用Realizablekε紊流模型對三孔側式進出水口擴散段水平和豎直擴散角對擴散段頂部負流區的影響進行了研究，探討了分流墩間距與各孔流量分配的關系。劉際軍[48]以具有6個側式進出水口并排布置的抽水蓄能電站為背景，采用模型試驗與數值模擬相結合的方法，研究了不同運行狀態下側式進出水口流速分布規律，指出擴散段與攔污柵之間的調整段對水流的進一步均衡調控起著重要作用。高學平等[49]采用數值模擬方法對某電站側式進出水口流量分配進行了研究，探討了擴散段中、邊孔寬度比、中墩墩頭起始位置、擴散段長度及圓變方段長度與各孔道流量分配間的關系。

上述研究主要對非均衡過渡水流的優化方法及調控措施進行了探討，表明合理的進出水口體型設計是水流均衡過渡的關鍵。表3統計了文獻[2633，4243，4748]側式進出水口部分體型參數及過流特征數（注：表中部分字母定義見圖1，“-”表示數據缺失）。

總結表3不同工程進出水口體型參數，結合廣大學者研究成果中推薦的較優方案，認為在經濟及施工條件滿足的前提下，參考下列控制指標進行側式進出水口的初步體型設計，能較大程度地滿足文獻[19，42]定義的水流均衡過渡要求。對于重要工程和地形、水流或運行條件較為特殊的進出水口，條件滿足的前提下，應開展數值計算或物理模型試驗，以驗證設計的合理性或推薦不合理設計的優化方案。

（1）擴散段長度取4～7.5倍隧洞直徑，防渦梁段長度不小于1.1倍隧洞直徑，若存在整流段，其長度宜為1～3倍隧洞直徑；

（2）水平總擴散角小于36°，單孔擴散角小于10°，頂板、底板擴散角在2.5°～5.5°間；

（3）進/出水口高度不小于1.4倍隧洞直徑，單孔過水通道寬度為0.7～0.9倍隧洞直徑；

（4）分流墩最好采用直線形，墩寬為1.3～1.5 m之間，墩頭采用狹尖、圓弧或橢圓曲線形式，三墩時墩頭宜采用“凹”形布置形式，墩頭處中孔與邊孔寬度比宜在23∶27～22∶28之間；兩墩時墩頭處中孔與邊孔寬度比宜為30：35；

（5）若進出水口前隧洞存在轉彎段，其位置應距進出水口30～40倍隧洞直徑。

3進出水口水流水頭損失

抽水蓄能電站側式進出水口的水頭損失主要為局部水頭損失，反映了水流流經進出水口的能量損耗，影響著電站能量轉換效率，是衡量進出水口體型和水力條件的重要指標[1]。進出水口水頭損失主要與擴散段水平和豎直擴散角、來流均衡度及出口淹沒水深等因素有關，在有分流墩構成的多通道進出水口中，各通道間流量、流速均勻分布程度是決定進出水口水頭損失更為重要的因素。

表4為部分抽水蓄能電站進出水口水頭損失系數。一般情況下，進出水口在進流時為漸縮流動，水流易于控制，較為平順，水頭損失較小，系數一般在0.15～0.35之間變化；在出流時為漸擴流動，水流較難控制，易出現不利流態，水頭損失較大，系數一般在0.3～0.6之間[39]。

4結語

文章對已有的抽水蓄能電站側式進出水口水力學問題及結構優化措施等方面的研究加以總結，介紹了漩渦形成機理、誘渦因素、消渦措施及進出口段水流均衡過渡和水頭損失等方面的研究成果；總結了避免產生貫通式吸氣漩渦的淹沒水深要求，列舉了部分工程實例；明確了水流均衡過渡標準及合理結構體型的參數選取標準，列舉了具體工程中進出水口體型參數設計及過渡水流特征數；統計了部分側式進出水口進出流水頭損失系數。

抽水蓄能電站側式進出水口水力學問題錯綜復雜，已有研究大都針對解決具體工程問題，尚缺乏一般性、系統性的研究成果。目前，我國抽水蓄能電站事業發展方興未艾，特別是大流量、高水頭抽水蓄能電站的日益增多，對進出水口的結構形式及水流均衡過渡問題的研究仍將是未來一段時間內的熱點。文章認為還應加強以下幾方面的研究：

（1）由于影響漩渦形成的因素很多，涉及庫區地形、進出水口體型、水流物理特性及動力特性、淹沒水深等，漩渦形成機理及吸氣漩渦的挾氣機理的研究還有待進一步深化。

（2）還應完善進出水口漩渦運動的模擬技術。對于物理模擬，應系統分析縮尺效應造成模型與原型結果差異的原因，確定影響漩渦縮尺效應的關鍵因素，探尋原型與模型之間的相似轉換關系；對于數值模擬，由于漩渦的復雜結構及吸氣漩渦挾氣機理不甚明確，計算方法、邊界條件、網格劃分、水氣面處理等關鍵問題還需進一步研究。

（3）在多沙河流修建抽水蓄能電站時，應對進出水口前泥沙淤積問題予以足夠的重視，在進出水口體型設計中，應充分考慮抑制超標泥沙進入進出水口的措施。

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