三峡水电站进水口试验研究
1999-01-13马吉明刘德朝
马吉明 刘德朝
摘要 三峡水利枢纽分设左右两座厂房，单机容量700MW，正常蓄水位175.00m。在厂房进水口研究上，长科院和清华大学都进行了各种水工模型试验，研究了边壁压强分布、水头损失和进口流态。双孔方案在水头损失、机组运行稳定性等方面较单孔有利。无论单或双孔，经优化后，水头损失都减少了约15cm，年发电量约增加1.5万kW·h，具有巨大的经济效益。
关键词 三峡水电站 进水口形式 水工模型试验 单孔方案 双孔方案
1、 概述
三峡水利枢纽分设左、右岸两座厂房，共装26台水轮发电机组。其中左岸厂房14台，右岸厂房12台，并在右岸山体内预留后期扩机的6台地下厂房位置。电站厂房为坝后式，每台机组段长38.3m，单机容量为700MW，总装机容量18200MW，年平均发电量846.8亿kW·h。
按初步设计：电站引水压力钢管为一机一管小喇叭单孔进水口；为坝下游坡浅槽背管布置；内径为12.4m；设计单机引用流量为996.4m3/s，平均流速达8.0m/s。
三峡电站校核洪水位为180.40m，正常蓄水位(设计洪水位)为175.00m，防洪限制水位145.00m；初期正常蓄水位为156.00m，初期防洪限制水位为135.00m。
电站的主要参数见表1。
| 表1 水电站主要参数 | |||
| 项目 | 单位 | 初期 | 后期 |
| 装机容量 | MW | 18200 | 18200 |
| 保证出力 | MW | 3600 | 4990 |
| 单机容量 | MW | 700 | 700 |
| 机组台数 | 台 | 26 | 26 |
| 多年平均发电量 | 亿kW·h | 705.27 | 846.8 |
| 装机利用小时 | h | 3960 | 4650 |
| 电站保证率 | % | 97 | 95 |
| 最大水头 | m | 94 | 113 |
| 加权平均水头 | m | 77.1 | 90 |
| 额定水头 | m | 80.6 | 80.6 |
| 最小水头 | m | 61* | 71 |
| 相应平均水头的预想出力 | MW | 18200 | |
| * 围堰发电时，最小水头为56m。 | |||
长科院1994年前对水平l进口、水平2进口、小斜1小进口、小斜2大进口等四个方案进行了比尺1：52.4的模型试验。试验研究了边壁压强分布、水头损失和进口流态。
厂房专家组第一、二、三次会议，对水电站布置及设计主要原则进行了审议，建议通过水工模型试验，进一步论证带中墩的双孔进水口方案的可行性和合理性。当时认为双孔进水口具有如下优点：
①闸门孔口过水面积增加，平均流速减少，有可能减少水头损失；
②进口前沿宽度扩大，过栏污栅水流流速分布均匀，减小了阻塞的可能性；
③减少闸门尺寸和启闭机容量，使运行方便可靠。
国外已建的特大型水电站，进水口单、双孔形式均有。考虑到三峡水电站的重要性和发电效益，应进行两种方案的研究，选择最佳方案，以保证各种工况下均能安全、稳定、高效地运行。为此，三峡总公司技委会分别委托长科院和清华大学进行了单、双孔进水口两种方案的大比尺模型试验的对比研究，并根据试验结果逐步对各方案进水口的体型进行优化。
双孔方案各研究了三种体型，共6个模型，即单Ⅰ、单Ⅱ、单Ⅳ和双Ⅰ、双Ⅱ、双Ⅲ。
2、 模型设计
2.1 模型比尺选择
由专家组确定模型的长度比尺λ1＝1:30，相应即可求得其它正态模型的比尺。
2.2 试验设备
为了便于单、双孔比较，两个方案并列布置，各优化方案模型则由其前一模型改装而成。
模型试验场地宽6m，长16m，布置在室内。试验室供水能力为300L/s模型需水量为196L/S模型模拟了一个机组段且进水口前为对称进水。水库用水泥砂桨抹面的砖砌水槽模拟，槽长4m，宽1.5m，深3.7m。进入水槽的水流经过两道水栅。水槽首部均有单独的供、排、稳水系统，以保证进水口前的行进水流平稳对称。
模型自拦污栅墩首至蜗壳进口均用有机玻璃制作。为了便于进行流态观察，将整个进水口做在水槽外，即进口前至拦污栅的两侧壁也用有机玻璃制作。有机玻璃的糙率nm＝0.007～0.008，可满足相似要求。
拦污栅用厚0.5mm的铁皮制作，模型尾部模拟到机组的蜗壳进口。在模型中，外加长1.31m的直段，并通过长0.3m的锥管与30.5cm的铸铁阀门相接，用以控制流量。
2.3 库水位及压强的量测
上游水库的水位及进水口、压力管道的压强均用测压管量测。
在水槽距进水口3.2m处引出φ8mm的铜管，然后用φ8mm的软胶管引到测压板的读数玻璃管上，用于量测库水位。
进水口及管道压强的量测，采用在有机玻璃壁上打穿φ6mm小孔，用φ6mm胶管连接到测压板的读数玻璃管上。
2.4 流量测量
流量用量水堰量测。水流从模型尾端的阀门流出后，经过两道稳水栅稳水，距出流处4m设锐缘矩形薄壁堰，堰宽0.8m。用雷伯克公式计算流量。
3、 单孔试验结果
3.1 单孔模型的区别与联系
单孔的三个模型，是逐步改进的，其中单Ⅰ是三峡水电站进水口的原初步设计方案，因试验中发现吸气旋涡，故又进行了改进，变成单Ⅱ方案。单Ⅱ方案流态仍不理想，于是又进行了优化，得到单Ⅳ方案。
和单Ⅰ相比，单Ⅳ主要进行了如下改进：
①使进口上下对称。进口下缘曲线胸墙断面以前由圆弧改为台阶式。以改善进口前的流态。
②增大了淹没深度，以减少旋涡发生。
③进口上、下侧曲线均改为双圆弧，这样接近于椭圆曲线。同时进口开阔，闸门孔口前断面积增大，以减小水头损失。
④进口、渐变段及其后直管的倾角改为水平，促使进口真正做到上下对称。
⑤增加起破漩作用的人字撑，以改进进水口前的流态。
⑥闸门槽宽度则由2.40m减为2.00m，以减小对水流的干扰，改善流态，减少水头损失。
3.2 三个模型试验结果综合分析
三个模型均进行了进水口前流态、水头损失和边壁压强分布的测试。
压强分布由测压管测得，水头损失系根据库水位和断面测压管读数由恒定流量方程求得，试验中的水头损失计算断面如附图所示。
断面1-1位于距进水口3.20m的上游水槽中，2-2断面取在0十118.00桩号断面(蜗壳进口断面)。试验中可以认为水体是不可压缩的，两断面间的水体与外界无物质与能量交换，水体作恒定流动，两断面均为渐变流断面。
为方便起见，本文只分析了模型无拦污栅情况。在分析水头损失和压强分布时，只分析上游水位为145.00m，流量为966.4m3/s的情况；压强只分析135.00m水位情况。
3.2.1 流态
流态对漩涡的分类方面。单I模型在上游水位135.00m时有S型游涡，V1型游涡和V2型漩涡，无V3型漩涡。
在进水口前的水位为135.00m时，单Ⅱ进水口前的流态与单I相似，S型、V1型、V2型漩涡都存在，无V3型漩涡；V2型漩涡较单I中的强度小，带气量少，但频率高。这说明，单Ⅱ所采用的降低进水口高程、减小压力管斜角、加破漩涡人字撑等措施达到了改善进水口前流态的效果，但仍需优化。
单Ⅳ，仅有S型漩涡，无V型漩涡，流态较单Ⅰ、单Ⅱ好。这说明，单Ⅳ所采用的对称进水口、改变人字撑和高程等措施具有改善进水口前流态的效果；特别是具有破漩作用的人字撑，由于其高程的改变，破漩效果明显。
3.2.2 水头损失
三个模型试验的水头损失系数见表2。
| 表2 单孔水头损失及水头损失系数 | |||
| 模型 | 单Ⅰ | 单Ⅱ | 单Ⅳ |
| 水头损失/hf.m-1 | 1.42 | 1.093 | 0.992 |
| 水头损失系数ζ | 0.350 | 0.335 | 0.304 |
水位145.00，流量966.4m3/s | |||
三个模型在进行逐步的体型改进后，取得了明显效果，水头损失逐步减小：单Ⅱ较单Ⅰ水头损失减小了约5cm，单Ⅳ较单Ⅱ又减小了约10cm。分析三个模型的改进之处：由单Ⅱ水头损失小于单Ⅰ可知，由大小圆弧构成的组合进口边壁较中圆弧水流条件更好；由单Ⅳ水头损失小于单Ⅱ可知，对称进水口进流匀称，和非对称进水口相比较，前者水流受干扰少，减小了引水系统水流的掺混作用，能大大减少水头损失。
3.2.3 进水口壁面压强分布
单Ⅱ的振荡较大，单Ⅰ次之，单Ⅳ最好。这说明圆弧对水流影响较大，而双圆弧水流条件更优。只有近似椭圆的双圆弧曲线才较顺应水流，单Ⅳ的上缘曲线接近于l/4椭圆形，说明椭圆曲线是进水口边壁较理想的的曲线形式。
同上面三个模型的试验结果可知，在流态、水头损失、压强分布上，总的来讲，单Ⅱ优于单Ⅰ，单Ⅳ优于单Ⅱ及单Ⅰ。综上所述，对单孔方案有如下结论：
①增加进水口的淹没度可以改善进水口前的流态，减小漩涡的发生。
②前缘小半径圆弧后接大半径圆弧的近似椭圆曲线的双圆弧曲线更近于流线形状。因而对水流干扰小，进水口边壁压强分布均匀，水头损失小。
③上下、左右对称的进水口，进水口前的流态较好。
④进水口前加人字撑，可起到破除漩涡的作用。
4、 双孔试验结果
4.1 三个双孔模型的区别与联系
双Ⅱ是在双Ⅰ基础上改进的，双Ⅲ则是在双Ⅱ基础上优化的，目的是在进一步减小水头损失的同时，改进进水口前的流态。故此，三个模型的主要变化都在进水口前后，压力管道部分基本相同。
双Ⅲ对双Ⅰ的改进如下：
①拦污栅墩底部由圆弧曲线改为平直线，直线后接一段斜直线，再接半径10.00m的圆弧曲线，使进水口工作门的前面更开阔，断面面积更大，更趋于上下对称的情况。
②进水口淹没深度增加，可减少进水口前漩涡的发生。
③侧曲线和中墩几乎未作改变。进水口上缘曲线改为圆弧曲线，曲线末端也由第一道门槽加长到第二道门槽。后者更接近于流线形，且使进口开阔。
4.2 三个模型的试验结果
4.2.1 流态
双I 进口前水位135.00m时，水面平稳，有弱S型漩涡(只是表面漩涡，无下凹现象)未见V型漩涡。
双Ⅱ 水位135.00m时，进口前亦发现有S型漩涡，但强度较双l稍大，除了表面旋转外，有下凹现象；未见V型漩涡。
双Ⅲ 水位135.00m时，进水口前水面平稳，有S型漩涡，但强度较双Ⅱ弱；与双I相似，无V型漩涡。
4.2.2 水头损失
三个模型的水头损失系数见表3。
| 表3 双孔损失系数 | |||
| 模型 | 双I | 双Ⅱ | 双Ⅲ |
| 水头损失/hf·m-1 | 1.165 | 1.054 | 0.930 |
| 水头损失系数ζ | 0.357 | 0.323 | 0.285 |
| 水位145.00m，流量966.4m3/s | |||
双孔方案的改进取得了较大的成功，其中很多改进是参考其他工程及文献的基础上提出的，如采用椭圆曲线作进水口边壁，中墩的改进等。由表3可以看出，双Ⅱ较双Ⅰ水头损失减小了11cm，双Ⅲ较双Ⅱ减少了12cm。
4.2.3 压强分布
三个模型的压强分布，除双Ⅱ局部压强的骤变外，三条压强分布曲线都很光滑，几乎不存在压强的振荡，这说明三种方案进水口曲线虽然不同，但对水流的影响效果相差不大；和单孔比较，双孔方案的压强分布较单孔方案好，其原因主要是双孔方案的进水口流速较低，沿程压强振荡较小。
上述试验结果，结合双孔三个模型的改进，有如下结论：
①淹没深度增大时，进水口上下对称有利于改善进水口前的流态。
②拦污栅墩与进水口距离增大，进口前流态变差，说明拦污栅具有一定的破漩作用。
③小半径圆弧与大半径圆弧相连的近似1/4椭圆曲线的组合曲线及l/4椭圆曲线比单圆弧曲线更接近于流线，因而其壁面上压强分布均匀，水头损失小。
5、 单、双孔方案的比较
这里在流态和水头损失方面将单、双孔方案作一比较。流态只分析135.00m水位，水头损失只分析145.00m水位时的情况，原型流量均为966.40m3/s。
5.1 流态比较
单I 上游水位为135.00m时，进水口水面即有S型漩涡，又有V型漩涡，漩涡带气进入压力管道，气带直径模型达3～4cm持续时间长达10s；S型漩涡则持续存在，水面上下波动较大。
单Ⅱ S型、V型漩涡并存，挟气漩涡直径模型lcm左右，统计平均每10min约有14～15个。
单Ⅳ 有S型波涡，未发现V型漩涡，漩涡旋转较快，有时漩涡中心凹陷。
双I 进口水面平稳，偶有弱S型漩涡出现，未见有V型漩涡。
双Ⅱ 发现有S型漩涡，强度较弱，多为表面旋转，偶有中心凹陷的漩涡出现。
双Ⅲ 水面平稳，几乎无s型漩涡出现。
5.2 水头损失比较(表4)
| 表4 单双孔方案的水头损失及其系数 | ||||||
| 方案 | 单Ⅰ | 单Ⅱ | 单Ⅲ | 双Ⅰ | 双Ⅱ | 双Ⅲ |
| 头损失/hf·m-1 | 1.42 | 1.064 | 0.982 | 1.165 | 1.053 | 0.921 |
| 水头损失系数ζ | 0.350 | 0.338 | 0.304 | 0.357 | 0.323 | 0.285 |
| 均无拦污栅 | ||||||
由表4可见，在经过优化后，无论是单孔还是双孔，水头损失都有较大幅度的减少，其中单Ⅳ和单Ⅰ比较，水头损失减少了0.160m，双Ⅲ与双Ⅰ比较，水头损失减少了0.244m，双孔减小幅度较大。另外，就单、双孔的最终方案(单Ⅳ、双Ⅲ)而言，双孔方案的水头损失较单孔方案小0.061m。
综上所述，由于双孔方案进口面积大，流速低、进口宽，因而双孔方案在流态方面大大优于单孔方案。在水头损失方面，双孔方案虽有中墩的存在，水头损失仍较单孔方案为小。
由此可以看出，无论在流态还是水头方面，双孔方案均优于单孔。因此从水力学角度选择时，双孔方案在水头损失、机组运行稳定性以及电站安全等方面较单孔有利。
6、 结语
(1)在水面下漩涡易发生部位适当高程位置设置水平横梁，可具有破除漩涡的作用。其破漩作用与其对于水面的高程有关，高程适合时，破漩作用明显；否则只减小漩涡发生的强度，但却增加了漩涡发生的频率，并且使临界淹没深度增大。因此，不同情况下横梁设置高程应由试验确定。
(2)进口边壁采用椭圆曲线或接近椭圆的双曲线较单圆弧曲线更切合流线。
(3)上下、左右均对称的进水口体型较优。
(4)双孔进水口与单孔进水口相比较，前者进水口流态好，水头损失小，过栅流速分布均匀。
(5)无论单孔方案还是双孔方案，在经过优化后，水头损失都减小了约15cm以上，年发电量约增加1.5亿kW·h，具有巨大的经济效益。此外两个方案均改善了进水口前流态和进水口边壁上的压强分布。
