侧式进出水口拦污栅断面流速分布规律研究

侧式进出水口拦污栅断面流速分布规律研究

1进/出水口结构体型有两种主要类型的旁路和垂直井。从国内外设计应用的角度来看，侧式入口通常代表着入口。中国的许多大型抽能站，如石陵、广银、天丘坪、宜兴、张湾和呼和浩特，都采用了这种布局方式。侧式进/出水口的水力设计是抽水蓄能电站水工设计的重要内容之一,这是由进/出水口复杂的结构体型及其独特的水力特性所决定的。首先,在抽水蓄能电站水道系统中,上、下水库进/出水口分别是压力隧洞与上、下水库之间的衔接性水工建筑物,一般而言,压力隧洞的管径通常按3~5m/s的经济流速进行设计,如此流速量级的水流需通过上、下水库进/出水口分别与上、下水库进行合理衔接,以保障整个水道系统水流流态的稳定与运行安全。出于衔接水流的需要,侧式进/出水口大都布置为在竖向与横向均有所扩散的基本体型,并采用分流隔墩形成二隔墩三流道或三隔墩四流道的布置格局,结构体型十分复杂。另一方面,无论是上水库进/出水口还是下水库进/出水口,都需要适应发电与抽水运行时双向水流的流动特点以及库水位升降的频繁变化,要求在各种运行情况下,进/出水口都具有良好的水力学指标。从水力学角度看,一般要求侧式进/出水口具有如下技术特点:(1)良好的水流流态,进流时,要避免出现有害的漩涡流动;出流时,要求水流均匀扩散,库区水面波动小;(2)较小的局部水头损失,为了充分发挥抽水蓄能电站的运行效率,寻求水头损失系数相对较小的进/出水口布置体型一直是设计方面关注的重点问题之一;(3)安全性,为保障拦污栅的运行安全,延长其使用寿命,要求在各种运行条件下,进/出水口各流道之间分流比例均匀、各流道内垂线流速分布良好,尤其要避免出流时负流速的出现。工程实践与前人的研究表明,有相当数量的抽水蓄能电站,在出流工况下,其进/出水口拦污栅断面的流速分布欠佳,有的常有负流速出现,有的工程负流速量级还比较大,这样既增大了局部水头损失,影响抽水蓄能电站的运行效益,同时又对拦污栅的安全运行构成了威胁,缩短了拦污栅的使用寿命。如我国的板桥峪、宜兴、沙河、张河湾等大型抽水蓄能电站,在进/出水口布置体型的论证与研究过程中,都曾经或多或少出现过上述问题。由于扩散段的长度、扩散角度、以及分流墩的布置形式等都是影响进/出水口段水力特性的主要参数,已有研究通常都十分重视扩散段自身的体型优化,而对扩散段之外体型布置的重视程度相对较低一些。近年来,作者结合抽水蓄能电站进/出水口水工模型试验的研究成果表明,除了扩散段自身的几何参数之外,介于扩散段与压力管道之间的过渡段,其体型布置对拦污栅断面流速分布的影响同样不容忽视。如以张河湾抽水蓄能电站上库进/出水口为例,在出流工况下,中间流道拦污栅断面流速分布欠佳,底部有负流速出现。分析认为,上弯段后过渡段长度不足以及圆变方段起始断面处采用变坡布置是导致拦污栅断面流速分布欠佳的主要原因,而3个分流隔墩的墩头位置与扩散段起始断面齐平造成水流流态过于复杂也是原因之一。受篇幅限制,本文着重介绍张河湾抽水蓄能电站上水库进/出水口在出流工况下拦污栅断面流速分布的相关研究成果。2高影响开发规模小,放线设计在正行业运动系统集成式结构中,张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市附近,电站装机容量为1000MW(4×250MW),电站设计水头300m,年发电量16.75亿度,年抽水耗电量22.04亿度。上水库采用面板堆石坝、全库盆复式结构沥青混凝土防渗,总库容785.4万m3。下水库利用尚未完建的张河湾水库经续建加高而成,总库容8330万m3。电站采用地下厂房,为中部开发方式,可利用最大落差为346m,单机额定发电流量为94.25m3/s,单机最大抽水流量为85.02m3/s。引水系统采用一管二机,尾水系统采用一管一机的布置方式。水道系统主要由上库进/出水口、压力管道(包括岔管)、尾水隧洞和下库进/出水口等建筑物组成。上库进/出水口共有2个,位于上库东南侧,采用岸边侧式布置,由前池段、防涡梁段、调整段、扩散段、事故检修闸门井段和渐变段组成。扩散段内设3个分流墩将其分为4个过流孔道;为使进/出水口内竖向流速分布均匀,防止产生负流速,设置12.4m长的调整段;为改善进流流态,消除吸气漩涡,在调整段前设置三道防涡梁;在防涡梁段与调整段之间设有拦污栅槽与叠梁门槽。原设计方案的纵剖图见图1。上水库进/出水口整体水工模型按照重力相似律设计,模型几何比尺为33.68。进/出水口模型段模拟范围包括前池、上库进/出水口(防涡梁段~渐变段)、上平段、上弯段、以及部分竖井段。模型采用有机玻璃制作,以保证模型与原型之间的糙率相似。地形模拟范围自进/出水口前池前缘至对岸方向,前池两侧方向均取250m。为正确模拟上池模型在抽水工况下来流流态的正确性,模型上弯段后的竖井段长度模拟10倍管径,并采用直径为500mm的整流管道(内设双层多孔钢板)与供水管路连接。3垂线流速分布特征试验研究表明,上库进/出水口的原设计体型在抽水运行工况下,中间流道拦污栅断面的流速分布与两侧流道具有明显不同:在两侧流道,流速分布情况良好,最大流速出现在流道中层,顶层与底层流速均小于中层,在实测范围内未测到负值;而中间两个流道,垂线流速分布基本上呈现出“下小上大”的分布特征,最大流速出现在中上部。沿最大流速测点向上,流速稍有衰减;沿最大流速测点向下,流速衰减较快;在临底层开始出现负流速,实测得到的最大负向流速值为0.4m/s。其典型的流速分布见图2,对应的试验工况为4台机组同时抽水运行、上库水位779.0m、单机流量85.02m3/s(本文中的试验数据均对应于该工况)。中间两个流道的流速不均匀系数为1.93~2.26,明显大于两侧流道的1.32~1.61。可见,上库进/出水口原设计方案存在的主要问题是中间两个流道的垂线流速分布不够理想,“上大下小”的分布特征明显,且底层有负流速。实际上,上述流速分布特征并非张河湾上库进/出水口所独有,在江苏宜兴与板桥峪抽水蓄能电站的同类问题研究中也曾出现过,只是不如本工程突出而已。为分析抽水工况下流速分布欠佳与负流速出现的原因,对闸门井断面、水平调整段起始断面、拦污栅断面、以及防涡梁前缘断面的垂线流速分布进行了全面测量。首先测量了门井断面的垂线流速分布,从图3可见,门井断面的垂线流速分布并不均匀,总体上表现出“上大下小”的分布规律,最大流速值出现在y/H=0.9附近,其流速分布特征与中间流道“上大下小”的垂线流速分布具有一定的相似之处。这表明,来流经上弯段、圆变方段后,流态仍未得到完全调整,上弯段的影响以及底坡坡度变化的影响依然存在。为进一步了解扩散段内流速的分布情况,对进/出水口防涡梁前缘断面、拦污栅断面以及水平调整段起始断面处左侧流道与左中流道的中垂线流速分布进行了测量,试验结果见图4。结果表明,在中间流道内,与拦污栅断面相类似,水平调整段起始断面与防涡梁前缘断面,也同样表现出“上大下小”的垂线流速分布特征;而在左侧流道内,各断面的垂线流速分布均比较正常。这表明,中间流道与两侧流道在扩散段内具有不同的流速分布特点。从抽水工况扩散段的几何特性与来流条件看,两侧流道由于与来流方向在平面上存在一定的偏转角度,加之上弯段来流中弯道二次环流的存在,以及经圆变方段后两侧水流的扩散掺混作用,都会使两侧流速的垂线流速分布得到一定的“均化”;而中间流道,因直接面对来流,其垂线流速分布也更容易体现来流的固有特性,且流速量值也较两侧流道为大。可见中间流道与两侧流道的水流流态不尽相同,从而形成了不同的垂线流速分布。从中间流道临底流速的量值看,从水平调整段起始断面、拦污栅断面、到防涡梁前缘断面,负流速是逐步减小的,至防涡梁前缘断面处已为转变为正向流速。这表明,负流速的产生与扩散段出口以上的库区边界条件无关,主要还是取决于扩散段的来流条件与布置体型。从进/出水口扩散段与上弯段之间的体型布置特点看,经上弯段后的水流流态调整不够充分以及进/出水口底板存在突然的变坡应当是形成扩散段内负流速的主要原因:一方面由于圆变方段与上弯段末端之间的距离为29.39m,相当于有压段管径的4.6倍(见图1),因此出上弯段后的水流在圆变方断面处并未得到完全调整;另一方面,在圆变方段起点处,底坡坡度由10%变为水平(见图1),而该断面距离扩散段起始断面只有28m,相当于有压段管径的4.4倍,因而底坡坡度的变化对扩散段的流速分布仍有一定影响。上述因素造成了垂线流速分布的不均匀,出现了“上大下小”的分布特点,并使底部出现了反向流速。另据分析,在原设计方案中,扩散段内三个分流隔墩的墩头位置与扩散段起始断面齐平,对水流流态有一定不利影响,也是导致拦污栅断面流速分布异常的原因之一。4流速分布不均匀系数的计算结果为研究不同隔墩布置型式对拦污栅断面流速分布的影响,对边隔墩后移方案(图5)与中隔墩后移方案进行了试验研究与对比分析,其平面布置见图5~6。其中,在边隔墩后移方案中,为保持各流道之间分流比例的协调,保持隔墩中轴线不变,将隔墩墩头体型由对称布置改为单侧收缩的不对称布置。在中隔墩后移方案中,对比研究了后移3.0m、3.5m、4.0m三个方案。对应于不同隔墩布置型式,抽水工况下拦污栅断面的流速分布见图7,流速分布不均匀系数的计算结果见表1。试验结果表明,无论是边隔墩后移方案还是中隔墩后移方案,与隔墩墩头齐平的原布置方案相比,都能起到消减拦污栅断面负流速并改善流速分布的作用。但相对而言,边隔墩后移方案的改善效果不如中隔墩后移方案明显。而在中隔墩后移方案中,在试验范围内,后移距离越大,改善效果也越明显。如后移3.5m与4.0m两个方案中,拦污栅断面均未出现负流速,中间流道流速分布的不均匀系数也由原设计方案的1.95~2.16依次降为1.81~1.85、1.54~1.66。目前,在我国抽水蓄能电站设计导则的条文说明中,曾指出,对三隔墩四流道侧式进/出水口而言,中隔墩后撤距离约为进口宽度的1/2左右。对于张河湾抽水蓄能电站侧式进/出水口而言,上述中隔墩后移方案中,后移距离3.0m、3.5m、4.0m分别相当于扩散段起始断面宽度(5.5m)的0.55、0.64、0.73倍,且以0.73倍方案相对较优。可见,中隔墩后撤的合理取值应根据工程的不同情况而定。需要指出的是,对于本工程而言,尽管通过扩散段内隔墩布置型式的调整,使拦污栅断面流速分布得到了一定改善,并消除了负流速。但与两侧流道相比,中间流道的流速分布依然不尽如人意,“上大下小”的分布特性仍较为明显。可见,在侧式进/出水口总体布置格局不变的前提下,要完全改变中间流道的流速分布特征是相当困难的。5调整等底坡布置在前述研究中,通过中隔墩的适当后撤,改善了扩散段起始断面处的水流流态,基本上消除了中间流道内存在的负流速,但“上大下小”的垂线流速分布特征并未得到实质性的改变,这表明扩散段的来流条件依然欠佳。如前所述,出上弯段后的水流流态调整不够充分以及进/出水口底坡坡度存在变化是形成扩散段内“上大下小”流速分布的主要原因。为验证上述判断,针对中隔墩后移3.5m方案,沿左中流道沿程布置了6个测量断面(见图8),以进一步研究扩散段内的流速分布情况。试验结果见图9。从图9给出的流速分布情况看,不仅在门井断面与拦污栅断面流速分布表现出“上大下小”的分布特征,在扩散段内部Ⅱ-Ⅱ断面至Ⅴ-Ⅴ断面内,垂线流速分布也同样呈现出“上大下小”的分布特征。上述流速分布特点显然是由圆变方段起始断面处的底坡变化所引起的,这也是为什么改变了中隔墩墩头布置后,垂线流速分布依旧保持“上大下小”的原因所在。为进一步验证上述判断,将进/出水口的底坡体型调整为坡度为10.0%的等底坡体型,见图10。在该体型条件下,相应提高上游水位,以使拦污栅断面保持相同的淹没度,对门井段与扩散段内各断面的流速分布进行了全面测量,试验成果见图11。图11表明,各断面垂线流速分布均不再出现“上大下小”的分布特征,门井断面的流速分布趋于均匀分布,而拦污栅断面(Ⅰ-Ⅰ断面)表现出“上小下大”的正常分布特征。不仅各断面都未出现负流速,而且拦污栅断面中间流道的流速分布也更趋合理,中间流道流速分布的不均匀系数由1.71进一步降至1.50。上述试验结果表明,在张河湾抽水蓄能电站上水库进/出水口原布置方案中,圆变方段起始断面处的底坡变化是造成扩散段乃至拦污栅断面垂线流速分布不佳的主要原因。将进/出水口底坡由原来的变坡布置形式调整为等坡布置后,流速分布得到明显改善。从目前国内大型抽水蓄能电站侧式进/出水口的布置体型看,扩散段之前的过渡衔接段采用变坡布置的较为常见,为避免拦污栅断面出现不利的流速分布,需要在设计过程中注意如下几个要点:(1)有条件时,应尽可能采用等底坡布置型式;(2)若