白鹤滩水电站尾水洞明满流段优化试验研究

孙洪亮，陈益民，杨 飞，侯 博

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，311122，杭州）

白鹤滩水电站尾水隧洞较长，在左、右岸各布置4座圆筒形尾水调压室。为节省工程投资，2～6号尾水隧洞末尾部分洞段由导流洞改建而成（见图1），尾水隧洞采用缓坡段后接陡坡段（衔接段）、然后接平坡段（明满流段）的布置方式（见图 2），总长997.6～1744.9 m。

由于导流洞底板高程通常布置较高，所以低尾水位工况下，过渡过程中会发生明满流现象。明满流现象会导致尾水洞内压力剧烈变化，危害尾水系统的安全及输水系统稳定性，有必要对尾水隧洞的明满流问题进行深入研究。白鹤滩水电站尾水位较低时，导流洞改建段同样存在明满流现象，鉴于此，本文采用模型试验方法，对明满流段的流态及体型优化进行了研究，从而减小尾水隧洞明满流的影响，保证工程的安全运行。

一、模型试验

1.实验模型和测量

模型试验以6号水力单元尾水隧洞为研究对象，按重力相似准则设计，采用比尺1∶50的正态模型。模拟范围包括460 m缓坡段、陡坡段（衔接段）、平坡段（明满流段）及部分下游河道。尾水隧洞采用透明有机玻璃制作，出口明渠为钢板制作，下游河道为PVC塑料板制作。

流量由电动针阀控制，电磁流量计测量；沿程压力采用脉动压力传感器测量，布置了6个测点；水位采用精度0.1 mm的水位测针测量。由于试验为局部模型，过渡过程工况下，模型入口处流量由数值计算确定，然后将流量—时间过程线通过计算机编程的方式加载至电动针阀控制器，保证与尾水隧洞来流条件相似。

图1 输水系统平面布置图

图2 输水系统立面布置图

2.典型试验工况

典型试验工况列于表1，其中工况1和2为低尾水位甩负荷和高尾水位增负荷2种典型工况，研究尾水隧洞明满流流态、发展机理、压力变化过程。甩负荷导叶采用13秒一段直线关闭，增负荷导叶采用30秒直线开启。工况3和4为恒定流工况，主要研究低尾水位和高尾水位情况下明满流段的流态，进而对比进行尾水出口形式结构优化。

表1 非恒定流典型工况

表2 体型优化对比试验方案

二、明满流发展过程分析

工况1下，压力测值如图3所示，该工况下明满流段始终为明流，关闭阀门后，明满流结合点处（位于连接段）开始形成减压波向下游传播，随后水体倒流，下游形成增压波向上游传播，由于减压波和增压波的叠加作用，明满流段形成涌波；150秒后水面平稳，涌波周期与尾水调压室及尾水管检修闸门室内水位波动周期相同，压力测点1为衔接段起点，一直处于有压状态，受水击压力的影响，该部位局部压力波动相对剧烈，压力波主要由水击波和质量波（水位波动）叠加形成。工况2时，尾水位接近隧洞顶，阀门开启7秒后第一个增压波到达明满流结合点处，16秒传递到尾水隧洞出口位置，随后下游减压波向上游传递，随着上下游减压波与增压波叠加，形成涌浪，当涌浪触顶后，形成局部滞气现象，同时伴随强烈压力脉动现象，实测压力如图4所示，100秒后水面恢复平稳。

从以上现象可以发现，尾水隧洞内明满流现象产生的主要原因是负荷发生变化后，水流反复流动引起方向相反的增压波和减压波叠加，进而引起水面涌波，当尾水位较高时，涌波会不时出现触顶现象，形成封闭的气囊，过渡过程中，封闭气囊迅速被拉伸或压缩，表现出压力脉动现象。许景贤认为水位波动过程中，导流洞顶部无足够的进排气空间时，就会产生压力脉动现象。

明满流段的水击压力会对尾水隧洞衬砌结构带来一定的影响，工况2下，明满流交替过程中，压力波动最大幅度达17 m左右，衰减较快，有压流工况下的极值结果要小些，主要是由于尾调补水作用及波动持续时间较短，因而明满流效应对尾水隧洞衬砌段的影响较小，压力也不会超过隧洞衬砌压力的设计值73.5 m。

三、体型优化研究

尾水隧洞出口和衔接段的布置对明满流段的流态有重要影响，为确定合理的结构布置方案，进行了5种布置方案对比分析（见表2），通过方案1和2对比，优化尾水隧洞出口体型。出口体型选择两种对比方案：平坡方案和逆坡堰方案，通过方案3、4和5对比优化衔接段坡度。

恒定流为水力过渡过程的初始状态，尾水隧洞出口型式对恒定流流态有重要影响，所以方案1和2试验工况为表1中恒定流工况3和4。衔接段坡度主要影响过渡过程流态，实验选取表1中双机甩负荷工况5。

图4 工况2压力变化对比

1.尾水洞出口结构研究结果

尾水洞出口设置逆坡堰和平坡方案下，低尾水位时将出口流态进行对比。逆坡堰方案出口流态为跌水，下游库水位对洞内流态没有影响。平坡方案出口水流紊动较大，明满流段流态受出口水流紊动影响较大；另外平坡方案洞内水深相对较小，过渡过程时明满流起点会延伸至缓坡洞段，对机组稳定影响相对较大。高尾水位时两种方案差别较小，洞内及出口水流平稳。

尾水隧洞明满流段水面线对比见图5和6所示。当下游尾水位较低时，逆坡堰雍高洞内水位，与平坡方案相比，洞内水面线平均高5.50 m左右，洞内流态不受河道水位影响，眀满流主要发生在平坡段，不会进入缓坡段，影响范围较小。随尾水位升高，两种方案水面线高差越来越小，达到一定高度，水面线基本相同。

综上所述逆坡堰作用优势明显，工程推荐采用逆坡堰方案。

2.衔接段坡度试验结果

试验流态观察发现：衔接段坡度为5%时，阀门关闭后明流段水面出现涌波，明满流结合点向上游最远传播至缓坡段内70 m处，明满流现象相对剧烈，实测水头损失为0.07 m；衔接段坡度为15%时，明满流结合点保持在衔接段内，向上游最远传播至距衔接段起始点下游23 m处，明满流现象相对缓和，实测水头损失为0.14m；坡度为25%时，明满流结合点保持在衔接段内，向上游最远传播至距衔接段起始点下游52 m处，明满流现象最平缓，实测水头损失为0.20 m。在低尾水时，衔接段坡度越大，衔接段的明满流强度越弱，但水头损失加大，逆向水流容易出现急流与临界流现象，流态复杂，另外施工难度大；衔接段坡度较小时，水头损失较小，但明满流会进入缓坡段，明满流范围较大，对机组稳定性影响较大；当坡度为15%时，明满流分界点位置控制在衔接段，水头损失相对较小，综合考虑施工方便等因素，白鹤滩工程衔接段推荐采用坡度为15%的逆坡堰方案。

图6 工况3时水面线对比

图7 工况4时水面线对比