泵站出水池-无压隧洞过渡段体型优化研究

2018-09-11王月华吴德忠韩晓维张鸿清王自明

水资源与水工程学报 2018年4期

王月华，王斌，吴德忠，韩晓维，张鸿清，王自明

(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020；2.余姚市水利局, 浙江余姚 315400)

1 研究背景

无论是电站尾水系统还是泵站出水系统，对于尾水水位变化不大的水利枢纽，一种较为经济的设计方案是采用无压隧洞。无压隧洞顶拱不承受内水压力，多采用圆拱直墙式断面，当地质条件较差时，可采用马蹄形或圆形断面。为保证洞内呈明流状态，当洞内为低流速恒定流且通气条件良好时，水面以上空间不宜小于隧洞断面面积的15%，且净空高度一般不小于0.4 m。为了节省开挖量，在隧洞开挖距离较长时，几台机组往往共用一条隧洞，因此需要一个过渡汇流池。过渡段的几何形状和局部水头损失密切相关，如何增加隧洞泄流能力及减少汇流池的水头损失是优化工程设计的重要内容。目前对泵站出水池布置形式的研究较少，主要集中在泵站前池及明渠布置型式研究[1-5]。谢省宗等[6]、王雷等[7]对南水北调工程惠南庄泵站前池布置方案进行了数值模拟和试验研究；黄金伟等[8]对引黄泵站前池水流特性进行了三维数值模拟；谭乔木等[9]通过模型试验对明渠收缩段内的水深变化规律进行观测，总结了收缩角、底坡和流量对水深和水面波动的影响规律；翟渊军[10]结合南水北调中线工程，通过模型试验提出了渐变段直线扭曲段水面扩散角和收缩角的最优选择；戴梅等[11]通过模型试验对渡槽的进出口连接型式进行了优化，得出直线扭曲面渐变段的水头损失系数小于反弯扭曲面渐变段的系数；李蘅等[12]结合水电工程导流隧洞，研究了陡坡隧洞的泄流能力与隧洞进口型式的关系，得出曲线进口能有效提高隧洞的泄流能力；吴永妍等[13]通过模型试验研究了梯形明渠到马蹄形隧洞进口过渡段的水面衔接特点和局部水头损失规律；郭红民等[14]采用FLUENT软件对水电站岸边泄洪洞的泄流能力、水面线等水力特性进行了计算研究；王晓玲等[15]对引额济乌一期工程尾部调节水库泄水洞泄洪的流态和水面线进行了数值模拟计算，得出长距离无压引水隧洞进口处易出现水流扰动，沿程水面线呈现先上升后下降的趋势。

本文以某泵站工程为例，对泵站出水池到无压隧洞过渡段的水流特性开展模型试验，分析了过流能力、水面线及局部水头损失，提出了改进措施。并对前后模型试验结果进行对比，分析了过渡段型式对水流特性的影响。

2 模型设计

试验模型按重力相似准则和紊流粗糙区摩阻力相似准则设计，采用正态模型。几何比尺为λl=25，则糙率比尺λn=λl1/6=1.71。泵站及隧洞均采用有机玻璃制作，糙率为0.009，原型糙率0.011～0.017，按照相似比尺计算出原型糙率为0.016，因此采用有机玻璃模拟能满足糙率相似要求。模型包括水库、进水池、泵房、出水池及排水隧洞等建筑物，模型长度约20 m，宽度2～10 m。试验进口流量采用电磁流量计控制，出口采用三角形薄壁堰对流量进行校核。采用水位测针测试上下游水位，采用DJ800水位波动仪测试水面波动。

原方案：泵站平面布置图如图1所示。泵站出水池长23.5 m(均为原型尺寸，下同)，反坡渐变段长26.5 m，无压隧洞长100m，隧洞后设置出口段及三角堰。泵站排涝流量120 m3/s，由4台泵组成，泵站出水池与下游无压隧洞连接。其中水平过渡段底宽38.6 m，渠高15 m；反坡过渡段底宽由38.6 m逐渐过渡到6.6 m；城门洞隧洞底宽6.6m，侧墙高4.7 m，顶拱圆心角180°。特征断面如图2所示。

优化方案：由于原方案过渡段过短，沿程水面坡降较大，为使过渡段水流更平顺，减小水面紊动，避免过多能量损失，提高隧洞过流能力，需对过渡段进行改进。优化方案平面布置图如图3所示。其中过渡段两处折角收缩段均改为圆弧面，隧洞进口位置向下游移动10 m。

图1 原方案平面布置图(单位：m)

图2 特征断面示意图(单位：m)

图3 优化方案平面布置图(单位：m)

表1 模型试验工况

3 成果分析

3.1 过流能力

试验观测了隧洞自由出流的过流能力。由于此时隧洞的过流能力不受洞长的影响，进口水流为宽顶堰流，流量系数按照常规堰流公式计算：

(1)

式中：Q为流量，m3/s；m为流量系数；σs为淹没系数(由于下游水位不影响隧洞出流，σs取1.0)；B为过水宽度，即隧洞底宽6.6 m；Z1为泵站出水池水位，m；H0为计入行进流速水头的总水头，m，H0=Z1-0.7+v2/2g。

(1)经拟合，原方案流量与上游水位的试验关系式为：

Q=10.731H01.4919

(2)

相关系数：R2=0.999，范围：2.64 m≤H0≤5.83 m。

水位流量关系曲线见图4。通过公式估算，流量系数约为0.363。当1台机组运行时，隧洞进口水位为2.69 m；当2台机组运行时，隧洞进口水位为3.87 m；当3台机组运行时，隧洞进口水位为4.86 m;当4台机组运行时，隧洞进口水位为5.74 m，此时隧洞通过最大输水流量，上游水位比设计限制水位7.53 m低1.79 m，说明原设计方案过流能力满足设计要求。

(2)经拟合，优化方案流量与上游水位的试验关系式为：

Q=10.745H01.5076

(3)

相关系数：R2=0.999，范围：2.62 m≤H0≤5.74 m。

水位流量关系曲线见图4。通过公式估算，流量系数约为0.371。当1台机组运行时，隧洞进口水位为2.68 m，比原设计减小0.01 m；当2台机组运行时，隧洞进口水位为3.83 m，比原设计减小0.04 m；当3台机组运行时，隧洞进口水位为4.80 m，比原设计减小0.06 m；当4台机组运行时，隧洞进口水位为5.66 m，这时隧洞通过最大输水流量，上游水位比设计限制水位7.53 m低1.87 m，说明优化方案过流能力满足设计要求，比原方案有增加。

图4 隧洞自由出流水位-流量关系

3.2 水面线

优化方案中心线水面沿程变化规律与原方案相似，在隧洞进口上游，水面变化平缓，受出水池和隧洞进口断面收缩的影响，隧洞进口前水面有小幅度壅高，约0.07 m。优化方案水面起伏有大幅减轻，尤其是隧洞进口段，没有明显水面局部跌落现象，隧洞进口附近洞顶富余增加，隧洞内水面波动减弱。

(1)2#机组单独运行时，由于2#机组的出口基本正向对隧洞进口，水流受出水池和隧洞进口的影响相对较小。原方案和优化方案沿程水位落差分别约为0.33、0.31 m。(2)1#、2#、3#三机组联合运行时，原方案和优化方案沿程水位落差分别约为1.28和0.78 m。(3)4机组同时运行(设计工况)时，原方案和优化方案沿程水位落差分别约为0.48和0.36 m。优化方案洞顶净空高度为1.37 m，满足设计要求。

图5 中心线水面线纵向变化对比图

3.3 局部水头损失

局部水头损失是由于几何边界条件改变而引起的水流能量损失。出水池及隧洞进口的几何形状和局部水头损失密切相关。局部损失系数为局部水头损失与隧洞速度水头的比值，水头损失ΔHij及水头损失系数ξij的计算公式为：

(4)

(5)

式中：vi为泵站断面平均流速，m/s；vj为隧洞断面平均流速，m/s；ξij为i，j断面之间的局部水头损失系数。

对于出水池及隧洞进口，4个泵站出水口的水流汇流后在一条隧洞流出，泵站断面在单位时间内输入的水流能量应等于隧洞断面加上其间水流的能量损失(忽略沿程水头损失)。测量断面见图6，局部水头损失汇总见表2。

图6 局部水头损失测量断面

表2 局部水头损失统计

由表2可知，优化方案的局部水头损失及水头损失系数均小于原设计方案。具体如下：

(1)2#单机组运行时，优化方案平均水头损失为0.023 m，平均水头损失系数为0.065。水头损失比原设计方案减小0.015 m。(2)1#、2#、3#三机组运行时，优化方案平均水头损失为0.044 m，平均水头损失系数为0.051。水头损失比原设计方案减小0.007 m。(3)1#、2#、3#、4#四机组运行时，优化方案平均水头损失为0.029 m，平均水头损失系数为0.074。水头损失比原设计方案减小0.005 m。

3.4 水面波高

为进一步了解优化方案的水流特性，试验对3组工况进行了水面波动观测，为边墙高程设计提供数据参考，观测断面及位置见图7。

图7 水面波高观测断面及位置

试验表明，各工况出水池及隧洞进口位置水面平稳，波动不大。平均波高、1/3大波波高和1/10大波波高能直观反映水面波动大小。其中1/3大波波高是指将某一时段连续测得的所有波高按大小排列，取总个数中的1/3个大波波高的平均值；1/10大波波高取波高最大的1/10个波，计算其平均波高。波高特征值详见表3，由表3可知：(1)泵站出口断面(1#)波高值最大，各工况平均波高为6～9 cm，1/3波高值为9～14 cm，1/10波高值为11～17 cm。(2)2#单泵运行时，水面波动相对较小，其他工况水面波动比较接近。