小浪底水利枢纽工程中的流体力学问题

1、小浪底水利枢纽工程中的流体力学问题摘 要：小浪底水利枢纽工程是中外专家公认的世界上最 具挑战性的水 利工程之一，其工程规模宏大、地质条件复杂、水 沙条件特殊、 运用要求严 格， 在设计过程中运用了很多流体力学 的重要理论和计算方法，是流体力学 教学中不可多得的案例。文献标识码： A 小浪底水利枢纽工程是中外专家公认的世界上最具挑战 性 的水利工程之一，其工程规模宏大、地质条件复杂、水沙条件特 殊、运用 要求严格， 在设计过程中运用了很多流体力学的重要理 论和计算方法， 是流 体力学教学中不可多得的案例。 文章对小浪 底水利枢纽工程的液体力学问题 进行分析， 为流体力学教学提供1 工程概况黄河小

2、浪水利枢纽工程位于河南省洛阳市孟津县小浪底， 是 黄河干流三 门峡以下唯一能取得较大库容的控制性工程。 黄河小 浪底水利枢纽工程是黄 河干流上的一座集减淤、防洪、防凌、供 水灌溉、 发电等为一体的大型综合 性水利工程， 是治理开发黄河 的关键性工程。1994 年 9 月主体工程开工， 1997 年 10 月大河截流， 999 年底第 一台机组发电， 2001 年 12 月全部竣工，坝址控制流域面 积 69.4 万 km2, 占黄河流域面积的 87.3 %。工程以防洪、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电。小浪底工程拦河大坝采用斜心墙堆石坝，设计最大坝高 154m 坝顶长度为 1667m 坝顶宽度 1

3、5m 坝底最大宽 度 864n 。坝体启、填筑量 51.85 万 m3 根底混凝土 防渗墙厚 1.2m 、深 80m 其填筑量和混凝土防渗墙均为国内之最。坝顶高程 281m ，水库正常蓄水位 275m ，库水面积 272km2 总库 容 126.5 亿 m3 。泄洪建筑物包括 10 座进水塔、 3 条导流洞改造而成的孔板 泄洪洞、 3 条排沙洞、 3 条明流泄洪洞、 1 条溢洪道、 1 条灌溉洞 和 3 个两级出水消 力塘。由于受地形、地质条件的限制，所以均 布置在左岸。其特点为水工建筑 物布置集中，形成蜂窝状断面， 地质条件复杂，混凝土浇筑量占工程总量的90 ，施工中大规 模采用新技术、新工

4、艺和先进设备。2 小浪底水利枢纽工程中的流体力学案例2.1 渗流问题与防渗墙流体在孔隙介质中的流动， 称为渗流， 达西定律描述了流动 的根本规 律，但局部学生对于渗流速度和实际速度的关系不理 解，难于掌握如何运用渐 变流的渗流根本方程绘制渐变流渗流浸 润曲线。 通过对渐变渗流浸润曲线的 分析， 对小浪底渗流场的模 拟，学生对渗流场和防渗墙的设计也有了清楚的 认识。考虑黄河多泥沙在坝前淤积后可形成天然铺盖的特殊条件， 小浪底大坝 采用带内铺盖的斜心墙堆石坝。 坝基砂砾石层最大厚 度超过 80m 坝基深覆盖 层防渗处理是小浪底工程的一大难题。经过多年研究论证，并经现场试验，采用厚 1.2m 的砼防

5、渗墙， 其最大造孑 L 深度 81.9m , 是目前中国最深的防渗墙。防渗墙轴 线总长 407.4m , 总截渗面 积 21800m2 施工完成后布设了 12 个 检查孔，检查槽孔接缝质量，混凝土防 渗墙防渗效果良好。2.2 有压流问题和隧洞输水长短管的水力计算是流体力学中重要的一局部 , 有些同学在 不可压缩流 体的长短管的水力计算过程中 , 对假设流态和多参数 设计一直掌握不好 , 通过 对小浪底泄洪洞的流速和压力的分析以 及空化现象的描述和防治的讲述 , 使学 生们对这些未成接触的内 容有了感性认识。为满足泄洪排沙的运用要求 , 小浪底工程 9 条泄洪隧洞分三 层布置：高 位布置的 3

6、条明流泄洪洞、位于发电引水口下面的 3 条排沙洞和由导流洞改 建成的前压后明带中闸室的 3 条孔板消 能泄洪洞。假设按常规方法把导流洞改 建为泄洪洞 , 水头达140m,洞内流速将达 48m/s ，且洞内水压力很高，为防止压力水渗入 含有泥化夹层 的薄弱岩体 , 衬砌设计十分困难。因此 , 改建导流 洞必须采用特殊的措施。 小 浪底工程设计采用孔板消能泄洪洞的 改建方案。 每个洞在洞身上游压力段设 置三道孔板环 , 孔板环内 径分别为 10m 和 10.5m , 孔板处过水面积为 78.5? 86.5m2 , 为标 准断面积的 47.6 %? 52.4 %。在洞中设置孔板环后， 利用水流 通

7、过孔板环的孔口时产生突然收缩和突然扩散 , 形成强烈紊动的 剪切流实现洞内 消能。 由于水流通过体形突变的孔板环发生水流 别离，孔板下游压力突然降低，致使该部位成为易空化区。为解 决这一关键技 术问题， 通过大量模型试验和在其他工程的模拟原 形试验， 一方面三级孔板 环采用不同的孔径比和锐缘半径， 另一 方面在孔板下游隧洞中设置中闸室， 布置两扇偏心铰弧形工作闸 门，以缩小 过流面积，闸门全开时两孔口总面积为 52m2 和 46m2 从而减小了孔板段流 速， 保证各级孔板下游侧不发生空化。 由于 采用了洞内孔板消能技术，使中 闸室下游明流段流速控制在 30m /s,最大达35m/ S左右，从而

8、保证了利用导 流洞改建泄洪洞方 案的实现。小浪底工程在国内首次将导流洞改建为龙抬头多 级孔 板消能泄洪洞， 孔板尺寸是世界上最大的。 孔板消能泄洪洞的总 体设 计、 改建施工和原形观测试验都到达世界先进水平， 为以高 土石坝作为挡水 建筑物的水利枢纽解决泄洪问题开辟了新的途 径。2.3 水跌与消能问题 在明渠流动局部，有两个重要的概念：水跌和水 跃，通过讲 解小浪底泄洪排污隧洞的水里计算， 对外表水滚和效能方式有了 清 楚的认识。小浪底泄洪、排沙、发电、灌溉隧洞共 16 条，其进口组合 成“一字 型排列的十座进水塔，前缘总宽276.4m ，最大高度113m 各洞进口在不同高程错开布置，形成高水

9、泄洪排污，低水 泄洪排沙，中 间引水发电的总体格局， 以降低洞内流速， 减轻流 道磨蚀，减小闸门工作水头， 提高其运用可靠度。洞室和进口的 集中布置，导致出口消能建筑物 消力塘 也集中布置。 此项设计 独特新 颖，可谓水工引水、泄洪、消能建筑物设计的一项首创。 出口消力塘是九条泄 洪洞和一条溢洪道的集中消能建筑物， 其总宽度356m总长210m 含护坦， 最大深度 28m 由两个中隔墙 分成三个消力塘， 每个塘又分成两级消力池。 底 部排水廊道纵横 交错，底板、边坡、隔墙、尾堰、护坦等浇筑仓号多达 3425 个， 其集中布置型式和规模为中国之首。2.4 水轮机磨蚀问题小浪底水电站共装设 6 台

10、混流式水轮发电机组， 总装机容量180 万 kW 。主要技术参数：运行水头 68? 141m 转轮直径 6.356m , 额定转 速 107.1rpm ，额定水头 112m 额定出力 306MW/小浪底水电站在电力系统中承当调峰、调频及负荷备用任 务。基于黄河 的水沙特点和水库运行要求， 具有过机含沙量高和 运行水头变幅大的特点， 正常运用期汛期 过机含沙量为 68.6kg /m3 中值粒径 d50 为 0.021mm 因而 水轮机抗磨蚀问题 成为小浪底水电站的关键性技术问题之一。 主要措施有以 下几个 方面：优化水工布置， 减少过机沙量。 小浪底总库容 126.5 亿， m2 ， 其中 预留

11、拦沙库容 75.5 亿 m3 水流中的粗粒径泥沙沉积库中， 至坝前形成异重流。 在发电引水洞下部布置了 3 条排沙洞， 适时 冲沙，可降低过机沙量 30 ? 50 。在发电洞旁侧还布置了孑 L 板泄洪洞， 汛期可冲排进水口附近泥沙， 从 而大大改善水轮机汛 期运行条件。优化性能参数。 流道含沙水流相对流速是形成泥沙磨蚀的重 要因素，为 适当降低比转速，选用 107.1rpm 较低的额定转速， 从而把比转速降至 161m?kw 这样可控制转轮内流速不超过 38nds 。为有效限制空蚀，适当降低 吸出高程，尽量做到流道中 流速均匀。考虑到汛期平均水头为 95? 107m 确 定设计水头为 110m

12、 。改善部件结构， 减轻泥沙损害。 在设计中放大导叶分布圆直 径和导叶 高度以降低平均流速， 装设筒阀以减少漏水冲磨等， 从 而尽可能减轻含沙水 流对水轮机的磨损。采用优质材料。整体转轮，上、下抗磨板，导叶等均使用抗 空蚀性能良好的不锈钢制造； 转轮叶片采用钢板热压成型、 数控 机床加工、 工地组装 整件出厂的制造工艺， 大大提高了转轮叶片 与模型的相似性；在安装中采用 座环现场加工工艺。涂敷防护材料。在较低流速区，如座环和尾水锥管入口处， 采用聚氨脂 材料防护。外表硬度为 90 ，外表光洁度为 Ra3.2 ，材 料耐磨指数 2， 27 。 在高流速区， 包括导叶、上下抗磨板、止漏 环、转轮等

13、部件，用碳化钨钻材料、 高速火焰喷涂工艺，在部件 加工后进行，形成物理性结合。外表硬度 70? 75HRC 光洁度为 tla3.2 ? 6.4 ，材料耐磨指数为 5。采用上述措施， 在运行 8000h 的保证期内， 水轮机转轮磨蚀 可控制 在 50kg 以下，大修间隔 3 年。2.5 闸门静水压力问题孔板泄洪洞和明流洞事故闸门共安装了 10 台 5000kN 固定卷 扬启闭机进行闸门的启闭。启闭机名义起升高度 90m 单吊点， 起升速度 2m/s ,卷筒直径 3.056m ,是目前我国同类启闭机中卷 筒容绳量、卷 简直径和启闭力均为最大的高扬程固定卷扬启闭 机。由于受孔板泄洪洞一洞双孔的体形和

14、水力学条件的限制， 进 水塔顶闸孔 宽度较小 最小为 3.5m ，在启闭机的设计上采用了 带有折线绳槽的同轴 单联双卷简双层缠绕的技术方案， 并采用了 阶梯型垫环代替传统的排绳机构。 排沙洞事故闸门 6 台 2500kN 固定卷扬启闭机和塔顶 2 台 4000kN 门机的卷 筒也采用了折线绳 槽结构。小浪底工程排沙洞和孔板洞事故闸门水头分别为100.17m 和 100m 高水头闸门的封水橡皮止水要求的压缩量很 大，启闭过程 中磨损也较大，加上小浪底水库多泥沙的影响，设 计采用了一种短压板无伸缩 间隙的“山字型上游止水， 在低水 头情况下靠自身的预压量进行止水， 在 高水头情况下利用进水塔 顶部清水池、 调节泵阀和输水软管等清水循环系统 通过闸门上的 柱塞式换向充水阀在止水橡皮的反面形成压力腔， 通过控制止 水 橡皮的膨胀以到达止水的目的。3 结语