兩河口水電站疊梁門分層取水進水口水力特性研究

王 川，潘 露，蒲云娟，葉 茂，呂海艷

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.四川水利職業(yè)技術學院， 四川 成都 610072)

兩河口水電站疊梁門分層取水進水口水力特性研究

王 川1，潘 露2，蒲云娟1，葉 茂1，呂海艷1

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.四川水利職業(yè)技術學院， 四川 成都 610072)

本文以兩河口水電站分層取水口為例，通過水工模型試驗，對疊梁門進水口水力特性進行研究。試驗結果表明，當疊梁門頂水深超過20 m時，進水室內(nèi)可保持良好的水流流態(tài)，且無有害漩渦出現(xiàn)，進水口的水頭損失系數(shù)在0.56～0.65之間，其變化與疊梁門的總高度呈正比關系，疊梁門頂部的流速垂線分布均呈下大上小的形態(tài)，另外，在運行機組左右兩側(cè)相鄰2個及以上機組段同時放置疊梁門可保證下泄水流均為庫區(qū)疊梁門高程以上水體。

分層取水進水口；疊梁門；水工模型試驗；水力特性

0 前 言

大型水庫壩前水溫呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象，水庫下層水體常年維持在較穩(wěn)定的低溫狀態(tài)，由于電站進水口高程一般較低，發(fā)電時下泄的低溫水將對下游河道生態(tài)環(huán)境造成不利影響[1]。在進水口前設置疊梁門進行分層取水是緩減下泄低溫水體的有效措施[2]。但加設疊梁門后，進口水流近似淹沒薄壁堰流，水流經(jīng)攔污柵、疊梁門頂進入豎向流道，水流邊界條件復雜，從而派生出一系列新的水力學問題[3]。目前，國內(nèi)外在電站進水口前設置疊梁門的設計經(jīng)驗不多，運行經(jīng)驗更少，其相關水力特性還有待進一步研究。本文結合兩河口水電站分層取水進水口水工模型試驗，對進水口水流流態(tài)、水頭損失系數(shù)、流速分布、水流動規(guī)律等水力特性進行研究，研究成果以供有關工程設計和運行管理參考。

1 工程概況及模型設計

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，為雅礱江中、下游的“龍頭”水庫。電站進水口型式采用岸塔式，采用“單機單管供水”及“三機一室一洞尾水”的布置格局。廠房6孔進水口呈“一”字型布置，塔體前緣總寬度159.8 m，順水流方向長33.0 m，進水口底板高程2 765.00 m，塔頂高程2 875.00 m。進水塔前半部為攔污柵及疊梁門段，每孔進水口共設有4孔攔污柵閘，各進水單元之間的攔污柵墩采用橫撐連接，攔污柵及疊梁門段和塔體段之間采用縱撐連接，相鄰機組攔污柵段在2 786.50 m高程以上用隔墻隔斷，以下各機組段連通。主塔體采用喇叭型進口，壓力管道內(nèi)徑為7.5 m。電站進水口采用疊梁門分層取水型式，進水口疊梁門共四層，根據(jù)不同季節(jié)、水庫水位及下泄水溫要求，分別采用1層～4層擋水。電站進水口布置見圖1。

模型試驗按重力相似準則設計，采用1∶50的正態(tài)模型，模擬范圍包括進水口前部分庫區(qū)、進水口塔體及壓力管道。攔污柵結構體、疊梁門、進水喇叭口、壓力管道及各門槽均采用有機玻璃加工制作，水庫地形用水泥漿抹面制成，機組引流量采用電磁流量計控制。

2 試驗研究成果及分析

2.1 進口漩渦及門頂最小淹沒水深

對于電站進水口而言，必須保證各種工況下進水室內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)，無有害漩渦的出現(xiàn)[3]。根據(jù)美國麻省Worcester Alder試驗室的分類方法，將電站取水口前自由表面誘發(fā)的漩渦分為6種類型[4]，已建工程的運行實踐表明，進水口前盡量避免出現(xiàn)3類和4類漩渦，不允許出現(xiàn)5類和6類漩渦。電站疊梁門分層取水進水室內(nèi)水流流態(tài)與疊梁門頂淹沒水深有著密切的關系，當門頂淹沒水深過低時，疊梁門后出現(xiàn)類似薄壁堰流，水面跌落至閘室通倉流道內(nèi)，水流受到垂向拉伸作用，較容易產(chǎn)生漩渦。

圖1 電站進水口布置示意

圖2為不同門頂淹沒水深時，進水室內(nèi)水流流態(tài)。以兩層疊梁門為例，當門頂水深大于20 m時，進水室內(nèi)水流平穩(wěn)，無明顯水流波動;門頂水深減低至16 m時，進水室內(nèi)水面凹陷，出現(xiàn)表面漩渦，屬于3～4類漩渦;門頂水深13 m時,進水室內(nèi)出現(xiàn)喇叭狀旋渦，有間隙吸氣現(xiàn)象，屬于4～5類漩渦;門頂水深低于13 m，進水室內(nèi)水面波動劇烈，并出現(xiàn)漏斗型吸氣漩渦。

因此，為保證進水口前水流平穩(wěn)，無有害漩渦出現(xiàn)，疊梁門頂最小淹沒水深應大于20 m，另外，試驗研究發(fā)現(xiàn)，適當增大疊梁門墩與胸墻之間間距，減小通倉流道豎向流速，有助于改善進水室內(nèi)水流流態(tài)。

根據(jù)《水電站進水口設計規(guī)范》中采用戈登(Gordon)公式來計算進水口臨界淹沒水深：

S=cva1/2

(1)

式中S——為臨界淹沒水深,m;

a——為門高，m;

v——為閘門處流速，m/s;

c——為系數(shù)，側(cè)向取水時取0.73。

對于兩河口水電站疊梁門分層取水進水口，工作閘門處高度為7.5 m，正常引流量248.67 m3/s，工作閘門處流速約為5.5 m/s，按常規(guī)進水口側(cè)向取水計算的臨界淹沒水深為11.05 m，低于模型試驗觀測到避免有害吸氣漩渦時的門頂淹沒水頭值，說明疊梁門分層取水進水口的臨界淹沒水深不能完全采用戈登公式進行計算，還需考慮疊梁門、通倉流道的影響。

a.門頂水深20 m b.門頂水深16 m c.門頂水深13 m

圖2 不同疊梁門頂淹沒水深時進水室內(nèi)水流流態(tài)(兩層疊梁門)

2.2 水頭損失系數(shù)

模型中以壓力管道漸變段后2倍管徑處為參考斷面，測量了不設疊梁門、設置一層疊梁門、兩層疊梁門情況時進水口段的水頭損失。三種工況下，進水口段的水頭損失及水頭損失系數(shù)見表1，水頭損失系數(shù)按式(2)計算。

(2)

式中ζ——為水頭損失系數(shù);

h——為庫水位與參考斷面之間總水頭損失，m;

v——為參考斷面平均流速，m/s;

g——為重力加速度,m/s2。

表1 進水口段水頭損失及水頭損失系數(shù)

試驗表明：

(1)進水口前設置疊梁門后，水流越過疊梁門進入壓力管道過程中流向經(jīng)歷兩次90°轉(zhuǎn)彎，水流條件復雜，局部水頭損失增加，進水口段水頭損失系數(shù)較不設疊梁門時明顯增大，進水口前不設疊梁門時，進水口段水頭損失系數(shù)為0.22，設置疊梁門時，進水口段水流損失系數(shù)為0.56～0.65。

(2)進水口段的水頭損失系數(shù)隨著疊梁門層數(shù)增多略有增大，其原因為通倉流量內(nèi)支撐梁增多引起的局部水頭損失增大。

2.3 流速分布

進水口前設置兩層疊梁門取水，門頂淹沒水深25 m時，疊梁門頂流速垂線分布如圖3所示。疊梁門頂流速垂線分布下大上小，主流集中在門頂10 m范圍內(nèi)，流速值為0.9～2.1 m/s，底部主流流速約為平均流速的1.3～1.5倍，疊梁門頂10 m以上水層的流速值大幅降低，基本在0.4～0.7 m/s范圍內(nèi)。

圖3 疊梁門頂淹沒水深25 m時疊梁門頂流速垂線分布(兩層疊梁門)

2.4 進水單元之間水流動規(guī)律

電站進水口相鄰機組攔污柵段在2 786.50 m高程以上用隔墻隔斷，以下各機組段連通補水。圖4為進水口前放置疊梁門后，相鄰機組之間橫向流速分布，橫向流速越大，補水量越大。

試驗結果表明：當5號和6號機組開機，僅5號和6號機組進水口前放置疊梁門運行時，4號取水單元對5號取水單元有一定補水，3號取水單元對4號和5號取水單元無補水效果，此時4號取水單元前底層冷水以向5號取水單元補水的形式下泄；當5號和6號機組開機，4號、5號、6號機組進水口前放置疊梁門運行時，4號取水單元對5號取水單元有一定補水，3號取水單元對4號和5號取水單元有少量補水，2號取水單元對3～5號取水單元無補水效果，此時3號取水單元前少量底層冷水以向4號和5號取水單元補水的形式下泄；當5號和6號機組開機，3號、4號、5號、6號機組進水口前放置疊梁門運行時，4號取水單元對5號取水單元有一定補水，3號取水單元對4號和5號取水單元有少量補水，2號取水單元對3～5號取水單元無補水效果，此時5號和6號機組下泄水流均為進水口前上層水體。因此，廠房進水口設置疊梁門取水時，在運行機組左右兩側(cè)相鄰2個及以上機組段同時放置疊梁門可保證機組下泄水流均為進水口前上層水體。

大型水電站進水口疊梁門數(shù)量及層數(shù)較多，疊梁門一次吊放時間較長，同時，為適應庫水位變化，進水口前疊梁門放置層數(shù)須不斷變化，這導致疊梁門的運行方式變得十分復雜。對進水單元之間水流動規(guī)律的研究成果可擬定較好的疊梁門運行方式。

3 結 語

本文以兩河口水電站疊梁門分層取水進水口水工模型為基礎，對進水口的水流流態(tài)、水流損失系數(shù)、流速分布及水流動規(guī)律等水力特性進行了研究，主要結論如下：

(1)為保證進水口前水流平穩(wěn)，無有害漩渦出現(xiàn)，疊梁門頂最小淹沒水深應大于20 m；疊梁門分層取水進水口的臨界淹沒水深不能完全采用戈登公式進行計算。

a.5號、6號機組運行，5號、6號機組進水口前放置疊梁門

c.5號、6號機組運行，3號、4號、5號、6號機組進水口前放置疊梁門

(2)進水口前設置疊梁門時，進水口段水流損失系數(shù)為0.56～0.65，大于進水口前不設疊梁門時；進水口段的水頭損失系數(shù)與疊梁門總高度成正比關系。

(3)疊梁門頂流速垂線分布下大上小，底部流速約為平均流速的1.3～1.5倍。

(4)廠房進水口設置疊梁門取水時，在運行機組左右兩側(cè)相鄰2個及以上機組段同時放置疊梁門可保證機組下泄水流均為庫區(qū)疊梁門高程以上。

[1] 高學平,等.水電站疊梁門分層取水流動規(guī)律及取水效果[J].

天津大學學報(自然科學與工程技術版),2013,46(10):895-900.

[2] 高志芹,等.糯扎渡水電站進水口疊梁門分層取水研究[J].云南水力發(fā)電,2012,28(4):15-19.

[3] 柳海濤,等.光照水電站分層取水進水口水力特性研究[C]//.水力學及水動力學進展,南京:河海大學出版社，2007:306-311.

[4] Tracy B. Vermeyen. Glen Canyon Dam Multi-level Intake Structure Hydraulic Model Study[R]. Technical report R-99-02, U.S. Department of the Interior, 1999.

[5] 章晉雄，張東，吳一紅，等.錦屏一級水電站分層取水疊梁門進水口水力特性研究[J].水力發(fā)電學報,2010,29(2):1-6.

2016-07-12

王川(1986-)，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，從事高速水流的泄洪消能研究工作。

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