某大型抽水蓄能電站泄水建筑物水工模型試驗(yàn)研究

賈麗炯 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院

一、概況

本電站工程為一等大（1）型工程，樞紐建筑我物包括上水庫、下水庫（已建）、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞群和開關(guān)站、下水庫泄放洞等，電站設(shè)計(jì)安裝4臺單機(jī)容量375MW的可逆式抽水蓄能機(jī)組，總裝機(jī)容量1500MW，年發(fā)電量25.125億度，年平均抽水耗電量32.63億度。下庫進(jìn)/出水口位于距下岸水庫大壩約650m處，兩進(jìn)/出水口平行布置，軸線間距離為24.0m，由進(jìn)水渠、前池段、攔污柵段、擴(kuò)散段、調(diào)整段、檢修閘門塔、漸變段、尾水隧洞等組成。進(jìn)水明渠長約200m，寬73m，底板高程為172.0m；進(jìn)水明渠后接前池，前池底板高程161.0m，與明渠之間通過56.5m長的反坡連接，坡度1：5；反坡底端與進(jìn)/出水口間經(jīng)攔渣坎分為15m的沉渣池和30m的前池。進(jìn)/出水口擴(kuò)散段長34m，調(diào)整段長7m，調(diào)整段斷面6.0×7.4m（b×h）；后接檢修閘門塔，閘門孔口尺寸6.0×7.4m（b×h）；閘門后接尾水隧洞，設(shè)12m漸變段，隧洞由6.0×7.4m（b×h）方形漸變?yōu)橹睆?.4m圓形隧洞。

二、模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）模型比尺和模擬范圍

根據(jù)模型試驗(yàn)任務(wù)書要求，模型幾何比尺為1∶50（Lr=50）。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型，其它相關(guān)水力學(xué)參數(shù)的比尺分別為：

流速比尺：Vr =500.5=7.071；

流量比尺：Qr=502.5=17677.669；

時間比尺：Tr=500.5=7.071；

糙率比尺：Nr=501/6=1.919。

整個模型由供水系統(tǒng)、下游水庫和尾水明渠、進(jìn)/出水口、量水系統(tǒng)以及回水系統(tǒng)等組成，模型制作和安裝見圖1。

模型模擬制作范圍：縱向長570.0m、橫向?qū)?00.0m。下庫地形模擬至215.00m高程，下庫地形和尾水明渠均根據(jù)設(shè)計(jì)資料采用水泥沙漿制作，進(jìn)/出水口及泄放洞采用有機(jī)玻璃制作。出口附近區(qū)域內(nèi)的開挖地形按設(shè)計(jì)圖模擬制作。

（二）測試儀器和測試方法

模型試驗(yàn)中，采用電磁流量計(jì)量測模型流量，水位采用測針測量，流速用旋槳流速儀測量，壓力采用測壓管和測針進(jìn)行觀測。對某一點(diǎn)的水位、流速、壓力等均分別測量三次，取三次測量的平均值。進(jìn)/出水口設(shè)兩個觀測斷面，各孔口的每個觀測斷面均設(shè)有三條（左、中、右）觀測垂線，每條垂線設(shè)5個測點(diǎn)。尾水渠共設(shè)五個觀測斷面，根據(jù)尾水渠各個觀測斷面處水面寬度，各斷面設(shè)5條觀測垂線，每條垂線分別設(shè)有3個（表、中、底）流速觀測點(diǎn)，其中，底部測點(diǎn)距渠底2.0m，表面測點(diǎn)位于水面以下1.0m。模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型制作和安裝、試驗(yàn)測試儀器和測試方法均滿足水工常壓模型試驗(yàn)規(guī)程要求。

三、原方案模型試驗(yàn)

（一）抽水工況下水流流態(tài)、流速分布

電站抽水時，進(jìn)/出水口各流道的分流比、分流系數(shù)、流速分布不均勻系數(shù)、平均過柵流速以及最大過柵流速等參數(shù)的測試結(jié)果見表1。

表1 進(jìn)出水口內(nèi)各流道的分流系數(shù)及分流比（電站抽水）

模型試驗(yàn)結(jié)果表明：各流道的分流比約28.5%～36.8%；分流系數(shù)約0.86～1.10。不同工況下的分流比之間差別不大，分流穩(wěn)定，進(jìn)流均勻。基本能夠滿足各流道之間均勻進(jìn)流的要求。中間流道②的流量略小于兩側(cè)流道的流量。電站在工況條件下抽水時，在攔污柵門槽處，流道①、流道②、流道③的斷面平均流速最大值分別為0.96m/s、0.80m/s、0.91m/s；最大流速值分別為1.28m/s、1.02m/s、1.15m/s；能夠滿足過柵流速的要求。

（二）發(fā)電工況下水流流態(tài)、流速分布

發(fā)電工況條件下，進(jìn)/出水口各流道的分流比、分流系數(shù)、流速分布不均勻系數(shù)、平均過柵流速以及最大過柵流速等參數(shù)的測試結(jié)果見表2。

表2 進(jìn)出水口各流道的分流系數(shù)及分流比（電站發(fā)電）

模型試驗(yàn)結(jié)果表明：各流道的分流比約19.1%～44.9%；分流系數(shù)約0.57～1.35。不同工況下的分流比之間差別大，分流不穩(wěn)定，出流不均勻，不能滿足均勻出流的要求。中間流道（流道②）的流量最大，流道③流量次之，流道①流量最小。電站在工況條件下發(fā)電時，在攔污柵門槽處，流道①、流道②、流道③的斷面平均流速最大值分別為0.89m/s、1.27m/s、0.92m/s；最大流速值分別為2.43m/s、3.71m/s、2.59m/s；不能夠滿足過柵流速的要求。

（三）進(jìn)出水口的水頭損失系數(shù)

模型試驗(yàn)過程中，采用逐漸加大模型流量的系列試驗(yàn)方法，測試和計(jì)算進(jìn)/出水口的水頭損失，每組試驗(yàn)分別測量三次。發(fā)電和抽水時，根據(jù)下庫進(jìn)/出水口總水頭損失、水頭損失系數(shù)的試驗(yàn)測試和計(jì)算結(jié)果，可以得到進(jìn)/出水口總水頭損失系數(shù)與輸水隧洞內(nèi)流速水頭的關(guān)系曲線，見圖2。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：電站抽水時，進(jìn)/出水口的總水頭損失系數(shù)為0.217～0.240，其平均值為0.227。電站發(fā)電時，進(jìn)/出水口的總水頭損失系數(shù)（無攔污柵）為0.578～0.638，總水頭損失系數(shù)的平均值為0.601。

四、推薦方案模型試驗(yàn)

與進(jìn)/出水口體型設(shè)計(jì)和布置的原方案相比較，推薦方案僅對進(jìn)/出水口的頂板和底板的擴(kuò)散角、分流墩的長度及其擴(kuò)散角等細(xì)部尺寸進(jìn)行了較小的修改。因此，推薦方案模型試驗(yàn)中，重點(diǎn)觀測和分析進(jìn)/出水口內(nèi)水流流態(tài)、流速分布、分流比以及水頭損失系數(shù)等。

（一）抽水工況下水流流態(tài)、流速分布

抽水工況條件下，進(jìn)/出水口各流道的分流比、分流系數(shù)、流速分布不均勻系數(shù)、平均過柵流速以及最大過柵流速等參數(shù)的測試結(jié)果見表3。

表3 進(jìn)出水口內(nèi)各流道的分流系數(shù)及分流比（電站抽水）

模型試驗(yàn)結(jié)果表明：電站抽水工況下，各流道的分流比31.7%～35.5%；分流系數(shù)0.95～1.07。不同工況下的分流比之間相近，分流穩(wěn)定，進(jìn)流均勻。能夠滿足各流道均勻分流的要求。中間流道（流道②）的流量略小于兩側(cè)流道的流量。

（二）發(fā)電工況下水流流態(tài)、流速分布

發(fā)電工況條件下，進(jìn)/出水口各流道的分流比、分流系數(shù)、流速分布不均勻系數(shù)、平均過柵流速以及最大過柵流速等參數(shù)的測試結(jié)果見表4。

表4 進(jìn)出水口各流道的分流系數(shù)及分流比（電站發(fā)電）

模型試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)電工況下，各流道的分流比30.8%～37.6%；分流系數(shù)0.92～1.13，不同工況下的分流比之間差別不大，分流穩(wěn)定，出流較均勻，能滿足均勻分流的要求。中間流道（流道②）的流量略大于兩側(cè)流道的流量。

（三）進(jìn)出水口的水頭損失系數(shù)

模型試驗(yàn)中，采用逐漸加大模型流量的系列試驗(yàn)方法，測試和計(jì)算進(jìn)/出水口的水頭損失。發(fā)電和抽水時，根據(jù)下庫進(jìn)/出水口推薦方案的水頭損失和水頭損失系數(shù)試驗(yàn)測試結(jié)果，可以得到進(jìn)/出水口的水頭損失系數(shù)與流速水頭的關(guān)系曲線，見圖3。

上述進(jìn)/出水口推薦方案試驗(yàn)結(jié)果表明：電站抽水時，進(jìn)/出水口的總水頭損失系數(shù)為0.223～0.248，其平均值為0.236。擴(kuò)散段的水頭損失系數(shù)為0.103～0.133，平均值為0.117。電站發(fā)電時，進(jìn)/出水口的總水頭損失系數(shù)為0.571～0.613，其平均值為0.588。擴(kuò)散段的水頭損失系數(shù)為0.403～0.438，平均值為0.419。

五、結(jié)語

該抽水蓄能電站下庫進(jìn)/出水口模型比尺為1：50，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)和制作，經(jīng)過下庫進(jìn)/出水口原布置方案和5個修改方案的模型試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

（1）原方案模型試驗(yàn)結(jié)果表明，下庫進(jìn)/出水口體型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布置（包括出口段、調(diào)整段、閘門段、漸變段以及消渦梁等）是可行的。

（2）在下庫進(jìn)/出水口原方案模型試驗(yàn)中，發(fā)電工況下，進(jìn)/出水口內(nèi)分流不穩(wěn)定，出流不均勻，不能滿足均勻分流的要求；各流道頂部均出現(xiàn)反向水流現(xiàn)象，流速分布不均勻，攔污柵門槽處的流速分布不能夠滿足過柵流速的要求。

（3）推薦方案的模型試驗(yàn)結(jié)果表明，抽水工況下，分流比為31.7%～35.5%；分流系數(shù)為0.95～1.07。進(jìn)/出水口分流穩(wěn)定，進(jìn)流均勻。各流道的斷面平均流速最大值分別為0.88m/s、0.86m/s、0.92m/s，能滿足過柵流速要求。發(fā)電工況下，分流比為30.8%～37.6%；分流系數(shù)為0.92～1.13，進(jìn)/出水口分流穩(wěn)定，出流較均勻，各流道的斷面平均流速最大值分別為0.99m/s、0.99m/s、0.93m/s，能滿足過柵流速要求。