一種確定側式進/出水口分流墩間距的方法及試驗驗證

曾少岳，苗寶廣，周 琦，顧 莉

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

抽水蓄能電站進/出水口是電站上、下水庫連接機組引水系統和尾水系統的重要建筑物。與常規水電站的進、出水口不同，抽水蓄能電站的進/出水口具有發電、抽水兩種運行工況，因此其具有雙向水流的特點。以上水庫進/出水口為例，發電工況時為進流，抽水時為出流；下水庫進/出水口與之相反。

進/出水口一般有兩種基本形式，即豎井式和側式。當抽水蓄能電站的輸水道與上水庫水平連接時，宜采用側式進/出水口。雖然側式進/出水口的工程量較大，但便于施工，對引水道的施工也有一定方便之處。由于水流從水平方向流入進/出水口，與井式相比流向沒有發生急劇變化，能夠得到良好的水流條件。側式進/出水口在國內外得到普遍采用。根據78個抽水蓄能電站進/出水口的統計，側式進/出水口共有57個，占73%；豎井式進/出水口共有21個，占27%[1]。豎井式進/出水口在美國采用較多，我國多采用側式進/出水口[1]。

側式進/出水口主要包括有防渦梁消渦結構、擴散段結構、整流段結構，見圖1[2]。為了使擴散段內水流分布均勻、減小阻力系數，我國的抽水蓄能工程中擴散段內一般布置成“兩隔墩三流道”或“三隔墩四流道”的結構形式。設置分流墩的目的是為了保證水流在較短的距離內能夠均勻擴散，而決定擴散段各流道流量分配的主要因素是分流墩的形狀和布置方式。如果設置不合理，不僅會增加進/出水口的水頭損失，而且會使各流道分流不均，局部流速過高，引起攔污柵的振動甚至破壞。因此，對于側式進/出水口的分流墩布置進行深入研究是非常必要的，分流墩間距的設計是重要的關鍵環節。

圖1 常規側式進/出水口平、剖面示意

1 分流墩布置

“二隔墩三流道”均采用齊頭布置方式。“三隔墩四流道”常見的分流墩布置見圖2，其中圖2a為齊頭形；圖2b為中墩長邊墩短，常稱為凸形布置；圖2c、2d為中墩短邊墩長，常稱為凹形布置，不同之處在于邊墩頭部距離擴散段起始端的距離不同。

圖2 “三隔墩四流道”常見分流墩布置示意

河海大學蔡付林[3]、中國水利水電科學研究院孫雙科[4]、中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司韓立[5]等對分流墩的布置進行過試驗研究。對于“三隔墩四流道”布置，不宜將分流墩布置成中墩長、邊墩短的形式或墩頭平齊的形式，宜采用中墩短、邊墩長的凹形布置方式，在水流擴散之前由兩側分流墩進行第1次流量分配，然后由中間分流墩進行第2次流量分配。試驗成果表明，采取這種形式的分流墩對均衡擴散流狀態時進/出水口孔間的流量分配非常有效，又能滿足收縮流狀態的水力條件[6]。通過多個抽水蓄能電站側式進/出水口的模型試驗研究得到了類似的結論，若同時將分流墩墩頭移至擴散段起始端還可以更好地保證各流道分流均勻[7-8]。具體來說對于“二隔墩三流道”布置，將2個隔墩均移至擴散段起始端。對于“三隔墩四流道”布置，則將2個邊墩移至擴散段起始端，見圖2d。這樣布置的好處在于分流界限清晰，在來流還未擴散之前分流更加穩定。但是對于“四隔墩五流道”的布置，類似的將邊墩移至擴散段起始端，將2個中墩后移形成凹形布置。但不宜將所有的隔墩都移至擴散段起始端，這樣會造成局部過于擁擠，不但會增加進/出水口的局部水頭損失，而且也不利于施工。

2 確定分流墩間距的方法

為了將相鄰流道的流量分配差異控制在10%以內，NB/T 10072—2018《抽水蓄能電站設計規范》給出了分流墩間距的建議值[2]，即采用分流墩在擴散段起始端的寬度比來設計分流墩間距，稱之為寬度比法。對于“二隔墩三流道”的布置，中間孔道寬占30%，兩邊孔道占70%為宜，見圖3a，其中b1=0.35b，b2=0.3b。對于“三隔墩四流道”的布置，分流墩采用凹形布置，見圖3b，中墩后退距離約相當于進口寬度的1/2，中間兩孔占總寬度的44%，兩邊孔占56%，即b1=0.28b，b2=0.22b，l=0.5b，或者說單一中間孔道寬與相鄰邊孔寬之比大約為0.785。對于“四隔墩五流道”的情況，也為凹形布置，見圖3c，但設計規范中沒有給定分流寬度的建議值。

圖3 分流墩間距示意

中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司承擔了國內多個抽水蓄能電站的勘測設計任務，大量的進/出水口模型試驗研究成果表明：采用設計規范中推薦的分流墩間距在擴散出流工況時并不能取得滿意的效果，相鄰流道的流量分配差異經常超出10%，難以滿足設計要求。分流比過大將導致攔污柵斷面局部流速過高，不但增加了水頭損失，而且對攔污柵的安全運行也會造成一定的危害。

設置分流墩間距的寬度比法僅參考分流墩在擴散段起始端的寬度，沒有考慮到分流墩的形狀、位置，因此無法真正代表各孔流道的控制過流面積，會產生一定的誤差。而且影響分流比的因素眾多，如進/出水口本身的結構形式及輪廓尺寸，分流墩墩頭形狀及布置，進/出水口后隧洞的連接方式等，所以給定精確的分流墩間距非常困難。

管道流量Q計算公式為

Q=μcAv

(1)

式中，μc為管道流量系數；A為過流斷面處的面積；v為流速。

在管道流量系數、流速不變情況下，過流流量受過流斷面處的面積A控制。進/出水口擴散段呈漸擴或漸縮狀，各流道的最小斷面位于各分流墩末端附近，當進、出口水流平穩時，各流道的實際過流量受此斷面控制，因此，本文提出了一種設置分流墩間距的簡單方法，即采用各孔流道控制斷面面積比來確定分流墩的間距，稱之為面積比法。

由于側式進/出水口擴散段的立面擴散角一般僅為3°～5°，因此控制斷面面積比基本為各孔流道控制斷面的寬度之比。圖3a、3b為“二隔墩三流道”和“三隔墩四流道”布置，a1、a2分別為邊流道、中間流道的控制斷面寬度。圖3c為“四隔墩五流道”布置，類似的a1、a2、a3分別為邊流道、次流道、中間流道的控制斷面寬度。在實際操作過程中，只需找到各流道的控制斷面位置，并確定a1、a2、a3間的比值就基本可以保證分流均勻。多個工程的試驗研究表明，a1與a2的比值、a2與a3的比值均定為1.1是基本合適的。

3 工程實例

本文以平江抽水蓄能電站、梅州抽水蓄能電站、白蓮河抽水蓄能電站的進/出水口為例，對確定分流墩間距的面積比法予以驗證。這3個工程的進/出水口均為側式，分別為三流道、四流道和五流道，分流墩均為凹形布置，具有一定的代表性。

3.1 平江抽水蓄能電站[9]

平江抽水蓄能電站位于湖南省平江縣福壽山鎮境內，總裝機容量1 400 MW。下水庫采用側式進/出水口，二隔墩三流道布置，如圖4所示。原方案分流墩在擴散段起始端的寬度依次為2.1、1.8 m，相應的寬度比為0.35∶0.30，與設計規范的建議值相同，如圖4a所示。擴散出流(發電工況)時流道最大平均流速值達到1.35 m/s，各流道分流不均勻，最大分流比為1.52，過柵流速和分流比均不滿足要求。通過分析認為，分流墩墩頭與擴散段起始斷面的距離、邊流道與中間流量實際控制斷面的面積比值均較大，導致了分流不均和流速過大。試驗優化方案，將分流墩墩頭延伸至擴散段起始斷面，同時，按照

圖4 平江抽水蓄能電站下水庫進/出水口平面示意(單位：m)

各流道控制斷面面積比法重新設置了分流墩間距，分流墩在擴散段起始端的寬度均為2.0 m，相應的流道控制斷面處的寬度比由1.2降至1.1，如圖4b所示。在擴散出流(發電工況)時流道內最大平均流速值降低至0.9 m/s，流道最大分流比降低至1.15，分流效果得到了明顯改善。

3.2 梅州抽水蓄能電站[10]

梅州抽水蓄能電站地處廣州～汕頭粵東部分的中部，位于廣東省梅州市五華縣南部的龍村鎮黃獅村境內，電站一期裝機容量1 200 MW。上水庫側式進/出水口采用三隔墩四流道布置，如圖5所示。原方案分流墩在擴散段起始端的寬度依次為1.8、1.3 m，邊流道和中間流道相應的寬度比為0.21∶0.29，與設計規范建議值基本一致，如圖5a所示。擴散出流(抽水工況)時，邊流道的平均流速均超過了1.0 m/s，最大值達到了1.24 m/s。流道分流比在0.62～1.61之間，分流效果較差。導致水流分流不均和流速過大的原因是分流墩墩頭與擴散段起始斷面的距離過大，引水隧洞與擴散段采用圓弧銜接導致邊界層分離現象提前。試驗優化方案按照各流道控制斷面面積比法重新設置了分流墩間距，同時，將引水隧洞與擴散段采用直線銜接，分流墩在擴散段起始端的寬度分別為1.65 m和1.45 m，相應的流道控制斷面處的寬度比由1.5調至1.1，如圖5b所示。試驗成果表明，優化方案在擴散出流(抽水工況)時流道內的最大平均流速值降低至0.85 m/s，流道最大分流比降低至1.15，分流效果良好。

圖5 梅州抽水蓄能電站上水庫進/出水口平面示意(單位：m)

3.3 白蓮河抽水蓄能電站[11]

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉境內，總裝機容量1 200 MW。上水庫進/出水口為側式，采用四隔墩五流道布置，如圖6所示。原方案分流墩在擴散段起始端的寬度依次為2.1、1.72、1.36 m，相應的寬度比為0.233∶0.191∶0.151，如圖6a所示。擴散出流(抽水工況)時，各流道分流極不均勻，分流比在0.31～1.66之間，導致個別流道的過柵平均流速超過了1.2 m/s，最大值為1.33 m/s，過柵流速和分流比難以滿足要求。通過分析認為，分流墩墩頭與擴散段起始斷面的距離較大、流道間流量實際控制斷面的面積比值不合理，導致了分流不均和流速過大。試驗優化方案，將分流墩墩頭延伸至擴散段起始斷面，同時，按照各流道控制斷面面積比法重新設置了分流墩間距，分流墩在擴散段起始端的寬度依次為2.1、1.75、1.30 m，相應的邊流道與次流道的控制斷面面積比由1.12調整為1.15，次流道與中間流道的控制斷面面積比由0.99調整為1.10，如圖6b所示。流道的分流效果得到很大的改善，同樣在擴散出流(抽水工況)時流道分流比減小為0.87～1.28，各流道平均流速基本在1 m/s以下，僅個別流道的平均流速略大于1 m/s。分流效果亦得到了明顯改善。

圖6 白蓮河抽水蓄能電站上水庫進/出水口平面示意(單位：m)

4 結 論

(1)設置分流墩間距的寬度比法僅參考分流墩在擴散段起始端的寬度，沒有考慮到分流墩的形狀、位置，因此無法真正代表各孔流道的控制過流面積，必定會產出一定的誤差。

(2)多個工程的模型試驗結果表明：相較于寬度比法，本文提出的采用各孔流道控制斷面的面積比來確定分流墩間距的方法更準確、合理，能使各孔流道分流更均勻，利于減小進/出水口的水頭損失和確保攔污柵的安全運行。

(3)設置分流墩間距的面積比法具有一定的通用性，對側式進/出水口常見的“二隔墩三流道”“三隔墩四流道”“四隔墩五流道”的布置均適用。該方法可以作為同類工程設計的參考。

(4)采用面積比法確定側式進/出水口的分流墩間距時，只需找到各流道的控制斷面位置，控制斷面面積比可參考本文建議的數值，基本可以保證分流均勻。對于三流道、四流道布置，邊流道與中間流道的控制斷面面積比建議值為1.1，對于五流道布置，邊流道與次流道以及次流道與中間流道的控制斷面面積比設為1.1也是基本合適的，可根據工程實際情況微調。