上游串联双调压室系统合理尺寸选择的研究

张 帅， 张晓宏， 张俊发

(西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 710048)

1 研究背景

具有超长引水隧洞的水电站，非恒定流时压力引水系统中的水能波动和水流惯性均较大[1-5]。为减小引水隧洞和压力管道的水锤压力，改善机组运行条件，常需设置调压室[6-8]。若设置单调压室，则所需调压室的尺寸较大，且单调压室一般较靠近厂房，当厂房附近围岩节理裂隙发育、断裂和软弱结构面较多、岩性较差时，开挖单一大尺寸调压室不利于围岩稳定和结构安全。若在该调压室上游一定距离再布置一个辅助调压室，可有效解决这类施工问题及水力过渡过程问题[9-12]。对于上游设置串联双调压室系统，文献[9-12]主要研究了主、副调压室的位置、面积变化对系统稳定性的要求等。本文结合具体的工程实例，重点研究上游串联双调压室系统(主调压室为阻抗式，副调压室为简单式)的调压室直径变化对主、副调压室最高涌浪水位、波动衰减率、蜗壳末端最大水锤压力和机组最大转速升高率的影响。进而分析得出上游串联双调压室系统合理的主、副调压室直径。

2 工程概况及研究方法

某水电站为径流引水式电站，工程规模为三等中型，主要任务是发电。上游水库校核洪水位为893.0 m，设计洪水位为891.5 m，正常蓄水位为891.5 m，下游水位为831.37 m。本工程引水发电系统主要由进水口、压力引水隧洞、调压室、压力管道等组成。引水隧洞为有压洞，长17.090 km，衬砌后直径为10.5 m。靠近厂房处围岩等级为Ⅲ、Ⅳ类，岩石强度较低，受地质条件限制，不利于在该处建单个大尺寸调压室。选择布置串联双调压室系统，主调压室采用阻抗式，在距离主调压室上游200 m处利用施工竖井建成副调压室，采用简单式。引水隧洞在主调压室下部通过岔洞分为3条压力支管，厂房内安装3台单机容量为38.3 MW的混流式水轮发电机组。

水电站引水发电系统用过渡过程计算软件模拟如图1所示，其中J1为上游水库，J3为副调压室(简单式)，J4为主调压室(阻抗式)。主调压室J4下部通过岔洞分为3条压力支管，其后分别连接1台水轮发电机组，J8、J9、J10为3台水轮发电机组，导叶总关闭时间为10 s，采用直线关闭规律。J11、J12、J13为下游尾水。

图1 某水电站引水发电系统仿真图

本文取副调压室J3、主调压室J4和机组J8为研究对象。计算工况取上库正常蓄水位891.5 m，对应地取下游水位831.37 m。3台机组同时运行突甩额定负荷。D1为J3处简单式调压室的直径，D2为J4处阻抗式调压室的直径，d为主调压室阻抗孔直径。研究在主、副调压室位置一定的情况下，改变两个调压室的尺寸(即D1、D2和d的大小)对主、副调压室最高涌浪水位、波动衰减率、蜗壳末端最大水锤压力和机组最大转速升高率的影响。

3 结果与分析

根据有关文献[6,13-14]，用爱文吉里斯特(Evangelisti)公式计算得出该上游串联双调压室临界稳定断面积Fth为1 431 m2，同时考虑到工程规模、水电站并网运行、调速器的调节作用以及因地质条件限制尽可能减少对围岩的开挖，本文初步拟定主调压室直径为25、30、35 m，主调压室阻抗孔直径为3.2、3.6、4.0、4.4、4.8、5.2 m，副调压室直径为0、15、20、25、30 m。

3.1 主、副调压室直径变化与调压室最高涌浪水位的关系

主、副调压室直径变化对主调压室最高涌浪水位的影响见图2。

由图2可知，当D1和d一定时，随着D2增加，主调压室最高涌浪水位下降。由图2(a)可知，当D1一定，随着d增加，主调压室最高涌浪水位升高。这是因为阻抗孔直径增大时，阻抗作用减小导致最高涌浪水位升高[15-17]。当D1变小甚至为0时，随着d增加，最高涌浪水位明显提升，但随着D1变大，这一上升趋势明显减缓，说明副调压室的存在降低了主调压室的最高涌浪水位。图2 (b)和2(c) 也观察到相同的变化趋势。

主、副调压室直径变化对副调压室最高涌浪水位的影响见图3。

由图3可知，当D1和d一定，随着D2增加，副调压室最高涌浪水位下降；当D2和d一定，D1越小，副调压室最高涌浪水位越高。由图3(a)可知，当D1为15 m时，随着d增加，副调压室最高涌浪水位迅速下降，d增加到4 m时，最高涌浪水位达到最小值，d超过4 m后开始缓慢上升。这可以解释为：当d小于4 m时，可认为主调压室阻抗孔直径较小，其反射水锤波的效果较差，主调压室的穿室作用较强，透入副调压室的水锤压力较大，水锤压力对副调压室的涌浪水位起主要控制作用。当d从3.2 m增到4 m，主调压室的穿室作用减弱，透入副调压室的水锤压力减小，所以副调压室最高涌浪水位递减。当d大于4 m 时，由于主调压室阻抗孔直径过大，水锤压力对副调压室的控制作用减弱，而主调压室对副调压室的控制作用加强，因主调压室的最高涌浪水位随阻抗孔直径的增加而上升，导致副调压室的涌浪水位有所上升。

从图3(a)中D1为20、25和30 m曲线也能观察到相同的变化趋势，只是不同的D1，折线图上最小值点对应的d的大小不一，随着D1增加，最小值点对应的d值减小或者相近。图3(b)和(c)中也能观察到上述变化趋势。

图2 D1、D2、d对主调压室最高涌浪水位的影响

图3 D1、D2、d对副调压室最高涌浪水位的影响

3.2 主、副调压室直径变化与蜗壳末端最大水锤压力的关系

主、副调压室直径变化对蜗壳末端最大水锤压力的影响见图4。

由图4可知，当D2和d一定，随着D1增加，蜗壳末端最大水锤压力逐渐减小。当D1增加到一定程度时，阻抗孔直径变化对蜗壳末端最大水锤压力的敏感性减弱。这可以解释为，副调压室直径足够大时，对越过主调压室的水锤波足以充分反射，所以主调压室阻抗孔直径的大小对水锤压力的影响减弱。因此，布置上游串联双调压室时，主调压室阻抗孔直径可以相对减小。

综合图2、3和4，为了充分发挥副调压室降低涌浪水位、减小水锤压力以及阻抗孔减小调压室断面面积的作用，拟定副调压室直径D1为 20和25 m，主调压室阻抗孔直径d为3.6 和4.0 m。

3.3 主、副调压室直径变化与调压室水位波动衰减率的关系

主、副调压室直径变化对调压室水位波动衰减率的影响见表1。

图4 D1、D2、d对蜗壳末端最大水锤压力的影响

由表1可知：(1)当D1和D2一定，d越大，主、副调压室水位波动衰减率越小。因此对于上游串联双调压室系统，相对较小的阻抗孔直径可以使得调压室涌浪水位有更快的衰减。(2)当D1和d一定，D2越大，主、副调压室的峰值越低，水位波动衰减率增加。所以主调压室直径不能过小，但过大的主调压室尺寸造成较大的开挖量，不利于围岩稳定和结构安全，所以拟定主调压室直径为30 m。(3)当D2和d一定，随着D1增加，主、副调压室水位波动衰减率减小。因此，较大的副调压室直径不利于两个调压室的水位波动衰减。所以拟定副调压室直径为20 m。

3.4 主调压室阻抗孔直径变化对特征参数的影响

主调压室阻抗孔直径变化时相应的各项特征数据见表2。

表1 D1、D2、d与调压室水位波动衰减率的关系

表2 主调压室阻抗孔直径变化相应的各项特征数据(D1=30 m，D2=20 m)

注：ΔZ1为主、副调压室最高涌浪水位之差的绝对值；t1为调压室达到最高涌浪水位所需的时间;Δt1为主、副调压室达到最高涌浪水位的时间差；δ为调压室水位波动衰减率；ζ为蜗壳末端最大水锤相对升压值；β为机组最大转速升高率。

由表2可以看出，当D1、D2一定时：(1)随着d增加，副调压室最高涌浪水位先降低后上升，主调压室最高涌浪水位逐渐上升。(2)当d一定时，t1副

当d超过4 m时，ΔZ1与Δt1较小，即主、副调压室的水位波动频率相对一致，相互之间诱发共振的可能性较大；而当d小于4 m时，阻抗孔面积与有压引水隧洞断面面积比值低于15%，而规范要求该比值合理区间为15%～30%[6]。因此选择阻抗孔直径为4 m。

综上所述，当主调压室(阻抗式)直径为30 m、阻抗孔直径为4 m、副调压室(简单式)直径为20 m时，既能减小主、副调压室尺寸，又能更好地反射水锤波，降低调压室最高涌浪水位，提高波动衰减率。该尺寸布置下，主、副调压室断面面积之和为1 021 m2，该上游串联双调压室临近稳定断面积Fth为1 431 m2，所选双调压室断面面积之和为Fth的71%，满足工程实际所需。

4 结 论

上游双调压室系统的水位波动稳定非常复杂，合理地选择主、副调压直径在调压室设计中至关重要。本文结合某水电站工程实例进行过渡过程计算，探讨了主、副调压室直径变化对上游串联双调压室压力引水系统的影响。得出结论如下：

(1)上游串联双调压室系统(主调压室为阻抗式，副调压室为简单式)随着主调压室直径增大，主、副调压室最高涌浪水位下降，波动衰减加快。随着副调压室直径增大，主调压室阻抗孔直径的大小对水锤压力的影响减弱，且不利于波动衰减。

(2)主调压室阻抗孔直径存在一个临界值，低于该值时，随着阻抗孔直径增大，副调压室最高涌浪水位迅速降低，且先于主调压室到达峰值；高于该值时，随着阻抗孔直径增大，副调压室最高涌浪水位缓慢上升，最终上升到与主调压室最高涌浪水位相近的位置，且主、副调压室涌浪水位达到峰值的时间差缩短。

(3)结果表明，该电站选取主调压室直径30m,主调压室阻抗孔直径4 m,副调压室直径20 m是合理的。