某取水首部地下电站水工模型试验研究

吕炎浩

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

某取水首部地下电站水工模型试验研究

吕炎浩

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

目前国内隧洞的消能型式有多种，某取水首部地下电站采取锥形阀进行消能，为研究其消能方案的可行性，判断各部位水面线状态及有无明满流交替现象，现采用水工模型试验的方法进行研究。文中综合阐述了模型的设计、制作、量测装置、量测方法及试验成果。

取水首部；地下电站；水工模型；水面线；锥形阀

1 工程概况

某取水首部地下电站为有压引水式的地下厂房，取水首部有进水口、有压隧洞（2条）、地下厂房、尾水隧洞组成。取水口为独立式进水口，其尺寸为33.3 m×（13～18.5）m（长×宽），总高度为56.8 m。取水口后接有2条长为178.04 m的圆形压力隧洞，洞径为4.5 m,隧洞起点底板高程为258.2 m。每条压力隧洞在末端分岔，分别与厂房内水轮发电机组和锥形消能阀相接。

地下式厂房设在进水口后178.04 m处的山体内，桩号为0+178.04～0+198.44 m，其平面尺寸为95 m×20.4 m（长×宽），厂房高度为36.06 m。厂房内设有2台水轮发电机组（单台装机容量为1.3 MW）和2台直径为2.4 m的锥形消能阀。2台机组布置在中间，机组间距为17.0 m。锥形阀布置在机组的两侧，与机组间距为17.0 m，每台设备均设有单独的尾水压力洞，各尾水压力洞在末端交汇到一起并与下游主洞相接。机组与锥形阀的安装高程均为254.00 m。锥形阀出口为淹没式出流，淹没深度为12.34 m。锥形阀出口接压力尾水洞长60 m，在距锥形阀出口23 m处，设有平板尾水检修闸门。尾水洞断面尺寸为5 m×5 m，尾水洞末端由压力水流转换为无压水流与机组尾水洞汇合。尾水洞采用现浇混凝土衬砌。

2 试验目的和内容

2.1 试验目的

该工程输水流量为10～90 m3/s，水库水位变化范围为265～309.09 m，水头变幅大，由于水轮机组适用水头范围有限，在低水头情况下机组无法正常工作，并且为保证电站机组检修（或事故）时不影响供水，在机组两侧布置2个旁通管，旁通管上安装直径为DN2400的锥形调流阀及检修蝶阀，调流阀与水轮机配合共同完成该段的调流和消能任务。

机组与锥形阀尾水与无压输水隧洞相接，为了避免输水隧洞出现明满流交替，需保证隧洞净空（大于15%）。机组发电尾水位可保证引水流量与水流稳定性的要求。由于锥形阀消能率为70%～80%左右，水流剩余能量容易引起输水隧洞的水位波动，影响隧洞的输水安全。

水面线的研究通常采用试验测量、理论计算以及数值模拟等。根据连续方程和能量方程得到的水面线数学模型进行计算，现行的水面线计算方法多为试算数学模型。然而现阶段数值计算的方法还不够成熟，很多时候更直接采用水工模型试验的方法进行水面线的测量绘制。

该次水工模型试验目的在于验证调流阀消能方案设计的可行性，保证尾水水流平稳进入输水隧洞。

2.2 试验内容

水工模型试验的主要研究内容有：

1）研究尾水闸门井处水流流态以及水位波动情况，闸门井是否有喷水现象，气流状况，以及对运行人员安全的影响。

2）论证消力池内水流衔接情况、尾水交汇洞室内水面波动情况，水面以上净空不能小于15%，水位波动不超过0.3 m。研究消除水面波动措施。

3 模型设计

3.1 模型设计及制作

模型依据重力相似原则设计，长度比尺为30∶1，各物理量模型比尺见表1。模型阀直径80 mm，原型最大水头52 m，采用3 m高的高位水箱给模型供水；进口段采用变态模型，模拟锥形阀前50 m，只保证阻力相似；下游模拟附件支洞出口后20 m；模型全部由有机玻璃制作，可以基本满足糙率相似要求。

表1 模型试验各物理量比尺表

3.2 量测装置和量测方法

该次模型试验：

1）进口采用电磁流量计或者超声波流量计计量流量，出口采用三角形量水堰校核流量。流量在上游设流量计量测，在下游设直角三角形量水堰量测，模型流量计算公式：

式中：Q——流量，m3/s；H——堰上水头，m。

2）上、下游水位由固定水尺读取，量水堰水位读数用精度为0.1 mm的固定测针施测。

3）水面线用固定水尺和钢尺直量取。

4）试验采用照相机或者摄像机进行照相与摄像。

4 试验成果

试验对1号、2号锥阀压力尾水洞出口和1号与2号锥阀压力尾水洞出口之间的无压尾水洞的水面线进行施测，各工况无压尾水洞水面线见表2。

试验成果表明：尾水闸门井的水面基本与压力尾水洞出口的水面相近；在锥阀全开时，闸门井内水面波动随锥阀过流量的增大而增大；实测各工况下的最高水面都在267.9 m以下。2号锥阀压力尾水洞出口后，水面沿程略有壅高；无压尾水洞内沿程水面平顺，水面波动值均在0.1 m以下，各工况无压尾水洞水面波动见表3。

表2 各工况无压尾水洞水面线成果汇总表

表3 各工况无压尾水洞水面波动成果汇总表

5 研究结论

采用水工模型试验的方法对取水首部地下电站采取锥形阀消能后各部位水面线状态及明满流交替现象进行了研究，较好的判断了消能方案的可行性。通过试验成果分析，可得出以下结论：

1）当有压尾水洞处于满水状态，开启锥形阀时，尾水闸门井水面变化平稳，未有不利流态出现。尾水闸门井的水面基本与压力尾水洞出口的水面相近；在锥阀全开时，闸门井内水面波动随锥阀过流量的增大而增大；实测各工况下的最高水面都在267.9 m以下。建议只在有压尾水洞处于满水开启阀门，安装旁通管以保证有压，安装检修抽水水泵。

2）压力尾水洞出口的无压尾水洞内水流平顺，水面波动值均在0.1 m以下，满足水面波动值小于0.3 m的要求。

［1］赵经华.某隧洞出口段水工模型试验研究［J］.人民黄河，2010（1）.

［2］袁荣库，任玉平.弯弯川水电站引水发电隧洞水工模型试验研究［J］.黑龙江水利科技，2012（11）：10-11．

［3］梁文龙，李贵平，余跃.隧洞进水口及洞内消能水工模型试验研究［J］.贵州工业大学学报，2001（3）：95-100.

TV731 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］A

A

1002—0624（2017）09—0051—02

2016-08-18