长距离引水隧洞特征工况分析及蜗壳压力计算

杨 刚，刘 健

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 400074)

石笋河四级水电站位于重庆市奉节县石笋河。由于石笋河为典型的西南山区河流，水面比降大、水流急、水头落差高，且平面布置受限制，需要设置长距离引水隧洞，总长为586.71m。本文通过数值模型计算分析，验证石笋水电站长距离引水隧洞在特征工况下的水力变化过程及蜗壳压力变化过程。

1 工况概况分析

1.1 工程概况

石笋河四级水电站工程设计等级为四级，正常蓄水位库容为450万m3，调节库容为408万m3。工程多年年均径流量为32411m3/s，设计洪水位为451.69m，装机容量为2×2400(一期)+4800(二期)=9600kW，多年平均发电量为2218kW·h。

其中，引水隧洞布置于左岸，为有压隧洞，隧洞长587.72m，引水隧洞为圆形断面，洞径为5.5m，坡度为1.5∶10。进口底板高程438.00m，出口底板高程392.71m；沿线地面高程430～690m，埋深13～252m。

1.2 设计洪水

根据工程附近的把水寺站水文实测资料推算分析，工程段设计洪水计算结果见表1。

1.3 泥沙特性

根据工程附近把水寺站水文实测资料，工程河段多年平均悬移质输沙量为34.16万t；多年平均推移质输沙量约为5.12万t。泥沙输移主要集中在6—10月。

1.4 水位、流量对应关系

根据工程附近把水寺站水文实测资料，工程段水位流量关系曲线如图1所示，分析图1可知，二者呈典型的乘幂曲线关系。

1.5 地形地貌及工程地质

工程区地处新华夏系第三隆起带和第三沉降带之交接部位，亦即川鄂湘黔隆褶带西北缘与四川沉降褶带内二级构造-川东褶带的接合部，其北缘与北西向的大巴山弧形构造斜接、重接复合；在区域构造上属新华夏构造体系。两褶带以齐耀山背斜为界，以南为新华夏系第三隆起带，以北属新华夏系第三沉降带。区内地质构造以褶皱为主，无区域性断裂通过，压性和压扭性断层较发育，但规模不大。齐耀山背斜以东，区域一级褶皱构造均呈NNE向展布，背斜两翼往往不对称，西北翼缓，南东翼陡，轴面时有扭转。齐耀山背斜以西，从SW向NE，主要构造线由NNE走向自然弯转为近EW向，均消失于齐耀山背斜西北侧，成为突向NW的弧形构造带。

表1 工程处石笋河设计洪水计算结果

图1 工程处水位与流量关系曲线图

石笋河分别流经拦河坝向斜、梁桥背斜、巫山向斜、齐耀山背斜。在构造形式上以褶皱变形为主，断裂少见，区内无深大断裂分布，新构造运动上升作用十分强烈，流水深蚀，形成高崖深谷，背斜成山，向斜成谷，主要山脉走向均与构造线方向一致，使山峰巍峨耸立，巍然壮观。

1.6 电站系统布置

厂区建筑物由主厂房、副厂房、升压站、尾水建筑物等组成。厂址位于大坝枢纽下游1.1km铁索桥处，厂房为岸边式厂房，电站共装机10000kW+4800kW+10000(备)kW。厂房总长45.4m，总宽31.0m。主厂房平行石笋河布置于左岸，副厂房布置于主厂房后侧岸坡，尾水建筑物垂直主厂房布置。尾水建筑物垂直于厂房布置，正向出水，通过尾水隧洞衔接引向石笋河下游。升压站为露天开敞式，位于厂房上游，长20.0m，宽12.0m。电站系统布置图如图3所示。

图3 电站系统布置简图

2 数学模型建立与计算

2.1 模型建立

建立三维数学模型来分析典型工况下引水隧洞和蜗壳的水力过程及压力分布。模型计算网格采用三角网格，间距设为3m，局部区域进行加密处理。整个模型共有46229个网格和58192个网格节点。其中，蜗壳处三维网格划分如图4所示。引水隧洞网格划分如图5所示。

图4 蜗壳网格划分图

图5 引水隧洞网格划分图

2.2 工况选择

根据文献[9]～[12]对水轮机各类工况的分析，以及石笋河四级水电站实际运作情况，选择水轮机机组在15s内甩下100%负荷作为最大波动工况；选择水轮机机组在12s内甩下10%负荷作为最小波动工况。

选择最大波动工况和最小波动工况这两种工况作为典型工况进行研究分析。

3 数学模型计算结果与分析

3.1 最大波动工况

最大波动工况下，调压井的水力变化过程如图6所示。分析图6可知，在水轮机机组甩下100%负荷后，调压井内的水位和流量都出现了周期性震荡，其中波动周期约为710s，波动周期内水位波峰为2822.6m，波谷为2769.1m，振幅达到53.5m。最大水位出现在210s左右区域。流量波动周期与水位波动周期基本一致，最大流量为205.3m3/s。

图6 最大波动工况下水力变化过程

最大波动工况峰值处叶轮压力、叶轮涡量、蜗壳压力、管道压力分布如图7所示，分析可知：

(1)最大波动工况峰值下，叶轮边角切割水流，产生较大静压，最大可达到4.32×105Pa，小于设计阈值3.5×106Pa，满足稳定要求。同时，在叶轮边角涡量较大，产生多处明显漩涡。

(2)最大波动工况峰值下，蜗壳最大压力约为1.92×105Pa，小于设计阈值3.0×106Pa；管道最大压力为5.45×105Pa，小于设计阈值6.8×106Pa，均满足稳定要求。

图7 最大波动工况下峰值水力特性数值模拟结果

3.2 最小波动工况

最小波动工况下，调压井的水力变化过程如图8所示。分析图8可知，在水轮机机组甩下10%负荷后，调压井内的水位和流量都出现了周期性震荡，其中波动周期约为710s，波动周期内水位波峰为2812.33m，波谷为2763.28m，振幅达到49.05m。最大水位出现在210s左右区域。机组出力在经过15s震荡后基本维持在12.8万kW，较为稳定。

图8 最大波动工况下水力变化过程

最小波动工况峰值处叶轮压力、叶轮涡量、蜗壳压力、管道压力分布如图9所示，分析可知：

(1)最小波动工况峰值下，叶轮最大静压可达到3.19×105Pa，小于设计阈值3.5×106Pa，满足稳定要求。同时，在叶轮边角涡量较大，产生多处明显漩涡。

(2)最小波动工况峰值下，蜗壳最大压力约为1.39×105Pa，小于设计阈值3.0×106Pa；管道最大压力为1.18×105Pa，小于设计阈值6.8×106Pa，均满足稳定要求。

(3)在最小波动工况下，水流对管道的压力大幅下降。

图9 最小波动工况下峰值水力特性数值模拟结果

4 结论

为研究长距离引水隧洞水力过渡过程压力分布规律，同时为石笋河四级水电站运营提供依据，本文建立三维数学模型计算、分析，得到以下结论：

(1)在水轮机机组甩去部分或者全部负荷后，调压井内的水位和流量都出现了周期性震荡，波动周期均在710s左右，其中最大波动工况震荡幅度约为53.5m；最小波动工况震荡幅度约为49.050m。

(2)在各工况下，叶轮压力、蜗壳压力、管道压力均小于设计阈值，满足稳定要求。总体来看，实例工程引水隧洞在各工况下运行较为稳定，满足设计要求。

(3)针对机组甩去其他比例负荷的工况，以及各台水轮机甩去负荷比例不同的工况有待进一步分析研究。