某大型抽水蓄能电站泄水建筑物水工模型试验研究

贾丽炯 兰州资源环境职业技术学院

一、概况

本电站工程为一等大（1）型工程，枢纽建筑我物包括上水库、下水库（已建）、输水系统、地下厂房洞群和开关站、下水库泄放洞等，电站设计安装4台单机容量375MW的可逆式抽水蓄能机组，总装机容量1500MW，年发电量25.125亿度，年平均抽水耗电量32.63亿度。下库进/出水口位于距下岸水库大坝约650m处，两进/出水口平行布置，轴线间距离为24.0m，由进水渠、前池段、拦污栅段、扩散段、调整段、检修闸门塔、渐变段、尾水隧洞等组成。进水明渠长约200m，宽73m，底板高程为172.0m；进水明渠后接前池，前池底板高程161.0m，与明渠之间通过56.5m长的反坡连接，坡度1：5；反坡底端与进/出水口间经拦渣坎分为15m的沉渣池和30m的前池。进/出水口扩散段长34m，调整段长7m，调整段断面6.0×7.4m（b×h）；后接检修闸门塔，闸门孔口尺寸6.0×7.4m（b×h）；闸门后接尾水隧洞，设12m渐变段，隧洞由6.0×7.4m（b×h）方形渐变为直径7.4m圆形隧洞。

二、模型试验设计

（一）模型比尺和模拟范围

根据模型试验任务书要求，模型几何比尺为1∶50（Lr=50）。模型按重力相似准则设计，采用正态模型，其它相关水力学参数的比尺分别为：

流速比尺：Vr =500.5=7.071；

流量比尺：Qr=502.5=17677.669；

时间比尺：Tr=500.5=7.071；

糙率比尺：Nr=501/6=1.919。

整个模型由供水系统、下游水库和尾水明渠、进/出水口、量水系统以及回水系统等组成，模型制作和安装见图1。

模型模拟制作范围：纵向长570.0m、横向宽300.0m。下库地形模拟至215.00m高程，下库地形和尾水明渠均根据设计资料采用水泥沙浆制作，进/出水口及泄放洞采用有机玻璃制作。出口附近区域内的开挖地形按设计图模拟制作。

（二）测试仪器和测试方法

模型试验中，采用电磁流量计量测模型流量，水位采用测针测量，流速用旋桨流速仪测量，压力采用测压管和测针进行观测。对某一点的水位、流速、压力等均分别测量三次，取三次测量的平均值。进/出水口设两个观测断面，各孔口的每个观测断面均设有三条（左、中、右）观测垂线，每条垂线设5个测点。尾水渠共设五个观测断面，根据尾水渠各个观测断面处水面宽度，各断面设5条观测垂线，每条垂线分别设有3个（表、中、底）流速观测点，其中，底部测点距渠底2.0m，表面测点位于水面以下1.0m。模型试验设计、模型制作和安装、试验测试仪器和测试方法均满足水工常压模型试验规程要求。

三、原方案模型试验

（一）抽水工况下水流流态、流速分布

电站抽水时，进/出水口各流道的分流比、分流系数、流速分布不均匀系数、平均过栅流速以及最大过栅流速等参数的测试结果见表1。

表1 进出水口内各流道的分流系数及分流比（电站抽水）

模型试验结果表明：各流道的分流比约28.5%～36.8%；分流系数约0.86～1.10。不同工况下的分流比之间差别不大，分流稳定，进流均匀。基本能够满足各流道之间均匀进流的要求。中间流道②的流量略小于两侧流道的流量。电站在工况条件下抽水时，在拦污栅门槽处，流道①、流道②、流道③的断面平均流速最大值分别为0.96m/s、0.80m/s、0.91m/s；最大流速值分别为1.28m/s、1.02m/s、1.15m/s；能够满足过栅流速的要求。

（二）发电工况下水流流态、流速分布

发电工况条件下，进/出水口各流道的分流比、分流系数、流速分布不均匀系数、平均过栅流速以及最大过栅流速等参数的测试结果见表2。

表2 进出水口各流道的分流系数及分流比（电站发电）

模型试验结果表明：各流道的分流比约19.1%～44.9%；分流系数约0.57～1.35。不同工况下的分流比之间差别大，分流不稳定，出流不均匀，不能满足均匀出流的要求。中间流道（流道②）的流量最大，流道③流量次之，流道①流量最小。电站在工况条件下发电时，在拦污栅门槽处，流道①、流道②、流道③的断面平均流速最大值分别为0.89m/s、1.27m/s、0.92m/s；最大流速值分别为2.43m/s、3.71m/s、2.59m/s；不能够满足过栅流速的要求。

（三）进出水口的水头损失系数

模型试验过程中，采用逐渐加大模型流量的系列试验方法，测试和计算进/出水口的水头损失，每组试验分别测量三次。发电和抽水时，根据下库进/出水口总水头损失、水头损失系数的试验测试和计算结果，可以得到进/出水口总水头损失系数与输水隧洞内流速水头的关系曲线，见图2。

上述试验结果表明：电站抽水时，进/出水口的总水头损失系数为0.217～0.240，其平均值为0.227。电站发电时，进/出水口的总水头损失系数（无拦污栅）为0.578～0.638，总水头损失系数的平均值为0.601。

四、推荐方案模型试验

与进/出水口体型设计和布置的原方案相比较，推荐方案仅对进/出水口的顶板和底板的扩散角、分流墩的长度及其扩散角等细部尺寸进行了较小的修改。因此，推荐方案模型试验中，重点观测和分析进/出水口内水流流态、流速分布、分流比以及水头损失系数等。

（一）抽水工况下水流流态、流速分布

抽水工况条件下，进/出水口各流道的分流比、分流系数、流速分布不均匀系数、平均过栅流速以及最大过栅流速等参数的测试结果见表3。

表3 进出水口内各流道的分流系数及分流比（电站抽水）

模型试验结果表明：电站抽水工况下，各流道的分流比31.7%～35.5%；分流系数0.95～1.07。不同工况下的分流比之间相近，分流稳定，进流均匀。能够满足各流道均匀分流的要求。中间流道（流道②）的流量略小于两侧流道的流量。

（二）发电工况下水流流态、流速分布

发电工况条件下，进/出水口各流道的分流比、分流系数、流速分布不均匀系数、平均过栅流速以及最大过栅流速等参数的测试结果见表4。

表4 进出水口各流道的分流系数及分流比（电站发电）

模型试验结果表明：发电工况下，各流道的分流比30.8%～37.6%；分流系数0.92～1.13，不同工况下的分流比之间差别不大，分流稳定，出流较均匀，能满足均匀分流的要求。中间流道（流道②）的流量略大于两侧流道的流量。

（三）进出水口的水头损失系数

模型试验中，采用逐渐加大模型流量的系列试验方法，测试和计算进/出水口的水头损失。发电和抽水时，根据下库进/出水口推荐方案的水头损失和水头损失系数试验测试结果，可以得到进/出水口的水头损失系数与流速水头的关系曲线，见图3。

上述进/出水口推荐方案试验结果表明：电站抽水时，进/出水口的总水头损失系数为0.223～0.248，其平均值为0.236。扩散段的水头损失系数为0.103～0.133，平均值为0.117。电站发电时，进/出水口的总水头损失系数为0.571～0.613，其平均值为0.588。扩散段的水头损失系数为0.403～0.438，平均值为0.419。

五、结语

该抽水蓄能电站下库进/出水口模型比尺为1：50，模型按重力相似准则设计和制作，经过下库进/出水口原布置方案和5个修改方案的模型试验研究，主要结论如下：

（1）原方案模型试验结果表明，下库进/出水口体型设计和结构布置（包括出口段、调整段、闸门段、渐变段以及消涡梁等）是可行的。

（2）在下库进/出水口原方案模型试验中，发电工况下，进/出水口内分流不稳定，出流不均匀，不能满足均匀分流的要求；各流道顶部均出现反向水流现象，流速分布不均匀，拦污栅门槽处的流速分布不能够满足过栅流速的要求。

（3）推荐方案的模型试验结果表明，抽水工况下，分流比为31.7%～35.5%；分流系数为0.95～1.07。进/出水口分流稳定，进流均匀。各流道的断面平均流速最大值分别为0.88m/s、0.86m/s、0.92m/s，能满足过栅流速要求。发电工况下，分流比为30.8%～37.6%；分流系数为0.92～1.13，进/出水口分流稳定，出流较均匀，各流道的断面平均流速最大值分别为0.99m/s、0.99m/s、0.93m/s，能满足过栅流速要求。