山區(qū)峽谷陡坡急彎河道電站取水能力及水力性態(tài)研究

馮習(xí)富，余文鋒

（貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550001）

1 概況

漣江海里水電站為徑流式電站，位于貴州省黔南州西部惠水縣斷杉鎮(zhèn)，為蒙江梯級(jí)規(guī)劃漣江河段第二級(jí)。電站原裝機(jī)規(guī)模為16570 kW（2×8000 kW+1×320 kW+1×250 kW）。于2017 年進(jìn)行增效擴(kuò)容改造后，電站總裝機(jī)容量為32000 kW。

工程任務(wù)為發(fā)電。主要建設(shè)內(nèi)容如下：已建大壩加固，新增放空底孔；新建發(fā)電進(jìn)水口、有壓引水隧洞、調(diào)壓井及壓力埋管；新建發(fā)電廠及升壓站。

電站水庫總庫容98 萬m3，屬小（1）型電站，工程等別為Ⅳ等，大壩屬4 級(jí)，電站廠房為4 級(jí)。

大壩采用C15 常態(tài)混凝土重力壩，全斷面溢流。壩頂高程875.61 m 同正常蓄水位高程同高，最大壩高13.11 m。水庫不具備調(diào)節(jié)能力。

進(jìn)水口為洞式進(jìn)水口，由取水隧洞、洞內(nèi)閘室組成。引水隧洞進(jìn)口位于新、老大壩之間，距新大壩直線距離20 m；取水口位于漣江轉(zhuǎn)彎段凸側(cè)，河床狹窄、縱坡較大，大壩泄洪時(shí)，壩頂水面流速大，取水口取水條件不甚理想[1]。

2 研究內(nèi)容

海里水電站所在河流屬山區(qū)峽谷型河道，河道兩岸山體陡峭，受地形條件和已建大壩位置及施工條件限制，二廠發(fā)電引水系統(tǒng)采用豎井式進(jìn)水口布置于左岸地下硐室內(nèi)，進(jìn)水口前采用圓形隧洞連接河道取水。因取水隧洞洞口位于河谷凸岸，為保證電站取水安全，需通過數(shù)值模擬或模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)電引水系統(tǒng)首部軸線方位、結(jié)構(gòu)型式及不同工況下過流能力；同時(shí)優(yōu)化進(jìn)水口前端隧洞設(shè)計(jì)布置及大壩體型（壩頂高程）優(yōu)化，改善取水條件，保證工程取水安全。

3 進(jìn)水口三維數(shù)值模擬

3.1 三維水流數(shù)學(xué)模型

項(xiàng)目采用三維數(shù)值模擬技術(shù)對海里電站進(jìn)水口取水能力進(jìn)行研究[2]。完整的N-S 方程是從數(shù)學(xué)方面來描述水流運(yùn)動(dòng)的基本方程，該方程要能夠從本質(zhì)上控制水流的的運(yùn)動(dòng)過程，本文的數(shù)值模擬主要采用三維紊流數(shù)學(xué)模型，控制方程包括時(shí)均的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[3]。

紊流是自然界最常見的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，深入了解紊流運(yùn)動(dòng)特性，對于研究工程中復(fù)雜水流及波動(dòng)現(xiàn)象具有十分重要的意義。目前，紊流數(shù)值模擬方法主要包括直接數(shù)值模擬（DNS）、雷諾時(shí)均方法（RANS）與大渦模擬（LES）。雷諾時(shí)均方法（RANS）由于其獨(dú)有的特點(diǎn)，較為廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)際中，本次研究，選用RNG k-ε 湍流方程求解附加運(yùn)輸方程[4]。

3.2 進(jìn)水口至調(diào)壓井段三維計(jì)算結(jié)果

水庫進(jìn)水口至調(diào)壓井段的數(shù)值模擬區(qū)域包括水庫、進(jìn)水口段、閘室段、隧洞段及調(diào)壓井段等。按照1∶1 尺寸建立海里電站水庫及進(jìn)水口計(jì)算模型，三維計(jì)算網(wǎng)格類型采用非結(jié)構(gòu)化與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式。計(jì)算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元總數(shù)接近500 萬個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)為超過400 萬個(gè)，單元格的體積控制在6.5×10-7m3～2.5×10-1m3之間。

圖1 三維模型圖

三維數(shù)值計(jì)算的進(jìn)水口邊界采用正常蓄水位875.61 m，進(jìn)水口及隧洞的過流量為41.5 m3/s，大于設(shè)計(jì)要求的31 m3/s，進(jìn)水口取水能力滿足設(shè)計(jì)要求。在正常蓄水位時(shí)（875.61 m），進(jìn)水口段及隧洞水流為有壓流。水流進(jìn)入進(jìn)水口后受彎道影響，水流偏向右側(cè)，進(jìn)水口段流速在3.5 m/s 左右，隧洞段的流速在4.5 m/s 左右。隧洞中心流速大于邊壁流速。

3.3 進(jìn)口段三維計(jì)算結(jié)果

數(shù)值模擬區(qū)域包括水庫、進(jìn)水口段、閘室段、出口段及溢流壩段等。計(jì)算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元總數(shù)為360 萬個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)為230 萬個(gè)，單元格的體積控制在6.88×10-7m3～2.56×10-1m3之間。

圖2 進(jìn)口段整體網(wǎng)格劃分示意圖

采用模型出口設(shè)置壓坡（收縮面積）的方式模擬模型出口后隧洞及調(diào)壓井等部位原型阻力。出口半徑0.95 m 時(shí)，進(jìn)水口的取水流量為31.1 m3/s，后續(xù)不同水位條件下的引水能力計(jì)算保持該出口面積不變作為出口邊界條件。

數(shù)學(xué)模型計(jì)算了兩種條件下進(jìn)水口的取水能力，條件一溢流壩完全敞泄，條件二假定溢流壩高程為886 m，壩身不溢流，進(jìn)水口的取水能力介于二者之間。各庫水位對應(yīng)的泄流量見表1，水位- 流量關(guān)系曲線見圖3。其中電站設(shè)計(jì)洪水位883.61 m，校核洪水位885.67 m。

表1 不同庫水位對應(yīng)的進(jìn)水口取水量 單位：m3/s

圖3 水位- 流量關(guān)系曲線圖

由圖3、表1 可見，同一條件下，進(jìn)水口取水流量隨著庫水位的增加而增大；同等水位條件下，溢流壩敞泄進(jìn)水口取水量略小于溢流壩不過流情況，低水位時(shí)兩者過流量基本一致，高水位時(shí)差異較大，最大差值在1 m3/s 左右（3%），表明溢流壩溢流對進(jìn)水口取水量影響較小。上述結(jié)果均表明在保證正常蓄水位875.61 m，進(jìn)水口取水流量達(dá)到31 m3/s 的條件下，隨著上游水位的增加，進(jìn)水口取水能力有所增大。現(xiàn)有布置條件下，進(jìn)水口取水能力滿足設(shè)計(jì)要求。

在正常蓄水位時(shí)（875.61 m），進(jìn)水口段水流為有壓流。水流進(jìn)入進(jìn)水口后受彎道影響，水流偏向右側(cè)，進(jìn)水口段流速在2.5 m/s 左右，水流從進(jìn)水口段進(jìn)入閘室段后向前沖擊閘室壁后向下前方運(yùn)動(dòng)，出口壓坡（收縮面積）后流速超過4 m/s。泄洪時(shí)，溢流壩下流速超過12 m/s，進(jìn)水口的流速略大于庫水位875.61 m 進(jìn)水口流速。

圖4 水庫及進(jìn)水口流速分布云圖

圖5 水庫及進(jìn)水口流速分布矢量圖

4 海里電站進(jìn)水口水力學(xué)模型試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容及條件

通過模型試驗(yàn)研究確定模型出口壓坡（收縮面積），通過試驗(yàn)研究得到不同水庫水位時(shí)進(jìn)水口的取水流量。根據(jù)模型試驗(yàn)現(xiàn)場條件，從正常蓄水位開始逐漸增加庫水位，并測量進(jìn)水口取水能力，當(dāng)水庫溢流壩泄流量及進(jìn)水口取水量之和達(dá)到模型現(xiàn)場限制流量（原型不超過300 m3/s）后結(jié)束試驗(yàn)[2]。

4.2 模型試驗(yàn)成果

采用幾何比尺為20 的模型進(jìn)行試驗(yàn)。

圖6 模型試驗(yàn)現(xiàn)場圖

首先通過模型試驗(yàn)確定庫水位875.61 m，進(jìn)水口取水量31 m3/s 時(shí)的出口壓坡（收縮面積），然后在固定出口壓坡的情況下，通過試驗(yàn)研究得到不同水庫水位時(shí)進(jìn)水口的取水量，試驗(yàn)取水能力見表2。

表2 進(jìn)水口取水流量

由表2 可見，在保證正常蓄水位875.61 m，進(jìn)水口取水流量31 m3/s 的條件下，隨著上游水位的增加，進(jìn)水口取水流量有所增大，溢流壩泄流量迅速增大。表明現(xiàn)有布置條件下，不進(jìn)水口取水能力滿足設(shè)計(jì)要求。

正常蓄水位（875.61 m）時(shí)，進(jìn)水口表面有一非貫穿性的淺表層旋渦存在，進(jìn)水口段水流為有壓流，隨著庫水位的逐漸增大，旋渦慢慢變小，該漩渦對進(jìn)水口水力條件基本無影響。

4.3 試驗(yàn)成果與數(shù)值模擬計(jì)算成果對比分析

不同水位條件下，數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)水口流量與模型試驗(yàn)流量對比見圖7。由圖7 可見，模型試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值基本吻合，表明數(shù)值模擬得到的流量值較為準(zhǔn)確。

圖7 數(shù)值模擬流量與模型試驗(yàn)流量對比

5 結(jié)論

采用三維數(shù)值模擬及水力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)對海里電站進(jìn)水口取水能力進(jìn)行研究。數(shù)值模擬結(jié)果表明：在庫水位875.61 m，進(jìn)水口及隧洞取水流量41.5 m3/s，滿足取水能力設(shè)計(jì)要求。進(jìn)水口局部三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：溢流壩敞泄條件下，進(jìn)水口取水量略小于溢流壩不過流情況，且低水位時(shí)兩者基本一致，高水位時(shí)略有差異，最大差值在3%左右，表明溢流壩溢流對進(jìn)水口的取水能力影響較小，同等條件下進(jìn)水口取水量隨著庫水位的增加而增大。模型試驗(yàn)的結(jié)果也表明：進(jìn)水口取水量隨著庫水位的增加而增大，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

上述研究成果表明，現(xiàn)有進(jìn)水口及隧洞布置條件下，進(jìn)水口取水能力滿足設(shè)計(jì)要求的31 m3/s，進(jìn)水口取水量隨著庫水位的增加而增大，溢流壩溢流對進(jìn)水口取水量影響很小。

通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)論證，海里電站取水口取水能力滿足設(shè)計(jì)要求，水力性態(tài)較為理想，取水比較安全。在合理的工程布局及措施下，徑流式電站取水口布置于山區(qū)峽谷型陡坡急彎河段，是可行的，取水是安全的。