尾水洞出口底坡对尾水调压室水位波动影响的研究

宋 勇

(四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072)

0 引言

目前，西南地区已建或在建的几十座大型水电站为了避免大规模地开挖山体，造成围岩应力的破坏，均将施工前期的导流洞改建成发电尾水洞，如二滩、溪洛渡和乌东德等大型水电站。但由于导流洞与尾水洞所承担的任务不同，它们的布置形式通常也不尽相同，尾水洞的底部高程低而平缓，导流洞的底部高程相对较高，因此导流洞改建尾水洞会抬高尾水洞出口的底部高程[1-3]，其结果，一方面，尾水洞与下游河床的衔接方式不再是单一的斜坡衔接，也可以采用开挖量不大的平底衔接；另一方面，尾水位变幅较大的电站的下游尾水位可能会低于或接近于尾水洞洞顶高程。国内学者丁振华等[4]结合某尾导结合型电站的水力模型试验，指出下游尾水位在尾水洞出口洞顶附近时，过渡过程中尾水洞内会出现明满流交替现象，伴随的压力交变会对尾水洞衬砌造成破坏。因而对于尾水位变幅较大的尾导结合型电站，上述特殊的水力学现象均有可能发生，加之尾水洞出口与下游河床的衔接方式的多样化，使尾水系统的水力特性变得更加复杂。因此为了澄清这些复杂因素的综合影响，本文结合某尾导结合型电站引水发电系统的整体水工模型试验，研究不同尾水洞出口底坡对尾水洞内不同流态的过渡过程中尾水调压室的涌浪特性的影响。

1 模型简介及典型试验工况

针对该水电站1#和2#机组组成的典型水力单元，依据相似原理和重力相似准则，建立线性比尺为1:60的正态模型。整体水工试验模型包括引水管道、水轮机蜗壳、尾水管、尾水调压室(两机共用)、尾水洞(含部分导流洞)、尾水洞闸门井、尾水洞出口衔接段及出口下游河道。下游河道依据真实河道的地形图采用砖石混凝土制作而成，整个物理模型的制作误差不超过3%，满足试验要求，该电站尾水系统的纵剖面见图1。

在该物理模型试验中，尾水洞出口与下游河床的衔接方案有两种：①尾水洞出口与下游河床采用斜坡衔接，i=25%的坡度；②尾水洞出口与下游河床采用平底衔接，i=0%的坡度，如图2所示：

图1 某水电站尾水系统的纵剖面

图2 尾水洞的两种出口衔接方案

为了研究尾水洞内不同流态的过渡过程中尾水调压室内的涌浪特性，可根据尾水洞内发生明满流的过渡过程时所对应的临界尾水位，选取典型的试验工况，见表1。

表1 某水电站典型的试验工况

尾水洞出口顶部高程为396m，工况D1的下游尾水位高于尾水洞出口顶部高程及上临界上限尾水位，则双机甩负荷过程中尾水洞内自始至终为满流。工况D2和D3的下游尾水位在尾水洞出口顶部高程附近，介于上临界下限尾水位和下临界尾水位，则双机甩负荷过程中尾水洞内会出现文献[3]提出的特殊水力学现象—明满流交替。工况D4、D5和D6的下游尾水位均低于尾水洞出口顶部高程及下临界尾水位，则双机甩负荷过程中导流洞改建尾水洞内始终为明流，而导流洞上游段尾水系统内为满流。本文试验成果按水力过渡过程中导流洞改建尾水洞内呈现的三种流态分别进行现象描述和机理分析。

2 试验成果及机理分析

2.1 导流洞内为满流的过渡过程中尾水调压室水位波动

导流洞改建尾水洞内为满流的过渡过程中，两种尾水洞出口底坡方案下尾水调压室内的水位约以165s周期的正弦曲线衰减，如图3所示，与公式(2)的计算结果一致，调压室内涌浪幅值最高达19.5m。

图3 工况D1不同衔接方式下尾水调压室水位波动

如果不计水头损失，机组弃全负荷时尾水调压室水位波动振幅Z[5]为：

(1)

(2)

式中：V0——尾水洞内流速；f——尾水洞断面积；L——尾水洞有压段长度；F——调压室断面积。

式(1)表明：尾水调压室内水位波动振幅Z与尾水系统有压段长度、调压室断面积、尾水洞断面积和机组引用流量有关。当尾水系统有压段长度越长，调压室内水位波动振幅越大；反之，越小。由于水力过渡过程中尾水洞内始终为满流时，两种尾水洞出口底坡方案下尾水系统有压段长度相等，故调压室内水位波动振幅相同且变化趋势一致。此外，工况D1的有压断长度和机组引用流量均较其它典型工况大，因而工况D1下调压室水位波动振幅也是所有典型工况中最大的。

2.2 导流洞内为明满流的过渡过程中尾水调压室水位波动

图4 工况D2不同衔接方式下尾水调压室水位波动

图5 工况D3不同衔接方式下尾水调压室水位波动

导流洞改建尾水洞内为明满流的过渡过程中，两种尾水洞出口底坡方案下尾水调压室水位约以180s周期的正弦曲线衰减(如图4、图5所示)，且水位波动振幅最高达19m。随着机组甩负荷，经过机组的流量减小，尾水洞内呈现退水波，导流洞改建尾水洞洞顶出现气囊，并随着洞内水位下降气囊长度逐渐增长，且最终在调压室内水位与下游尾水位两者水头差的作用下，尾水洞出口处水体开始反向流动，洞内水面上升，洞顶气囊被波动的水面分割成若干段，并受挤压溃散，造成尾水洞内水体扰动剧烈，因而工况D2和D3下调压室内水位波动的周期和振幅较工况D1有一定的偏差。

2.3 导流洞内为明流的过渡过程中尾水调压室水位波动

从图5和图6可以看出：导流洞改建尾水洞内为明流的过渡过程中，两种尾水洞出口底坡方案下尾水调压室内水位波动是两种完全不同规律的曲线，平坡方案下水位的最高值在涌浪第二振幅结束时达到，且第一振幅幅值小于第二振幅幅值，而斜坡方案下水位的最高值在第一振幅结束时达到，且第一振幅幅值远远大于第二振幅幅值，见表2；此外，同一工况下两种尾水洞出口底坡方案下调压室内的初始水位高程相差2m～3m，最低水位高程相差3m～4m。

图6 平底衔接方式下尾水调压室水位波动

图7 斜坡衔接方式下尾水调压室水位波动

表2 两种尾水洞出口底坡方案下

当下游尾水位较低时，机组甩负荷过程中整个导流洞改建尾水洞内水流流态始终为明流，在调压室水位与下游尾水位两者水头差的作用下，尾水系统内水体往复波动，正向波与逆向波在尾水洞内相遇叠加，影响着尾水调压室内的水位波动。两种尾水洞出口底坡方案对尾水调压室内水位波动的具体影响过程如下：

(1)平坡衔接方案：随着机组甩负荷，尾水调压室内水位下降至最低点且在降水波的作用下导流洞改建尾水洞段内明流水深减小，流速增大，易在尾水洞与导流洞结合点的位置出现水流流速与降水波波速相等，甚至前者大于后者的现象，形成断波，阻碍导流洞改建尾水洞段内水体补充调压室，因而在尾水调压室水位下降至最低点的下一时刻，尾水洞与导流洞衔接段斜坡上的水体在自重的作用下，开始回补调压室，调压室内水位开始回升，升至局部最高点，与此同时，导流洞改建尾水洞段内水体仍涌向尾水洞出口，洞内水面与出口处水面存在较大的水头差，形成向上游传递的行波，因而调压室内水位再次下降的同时，行波向上游传递，导流洞改建尾水洞段内水面升高，尾水调压室内水位回升，且此次回升幅度较第一次回升幅度大，见图5。最终随着水体能量的耗散，尾水调压室内水位衰减至下游河床水位附近。

(2)斜坡衔接方案：随着机组甩负荷，尾水调压室内水位下降至最低点，与平坡衔接方案不同的是由于尾水洞出口斜坡的存在，导流洞改建尾水洞段内明流水位相对较高，流速相对较小，不易出现水流流速与降水波波速相等，或者前者大于后者的现象，因而也不会形成断波，故尾水调压室内水位下降至最低点的下一时刻，斜坡衔接方案下尾水洞内回补调压室的水体不仅仅是衔接段水体，还有导流洞改建尾水洞内水体，且此次回升的幅度也较平坡方案下调压室内水位第一次回升的幅度大，与此同时，调压室内水位与下游河床水位形成新的水头差，调压室内水位再次下降，其中下降平缓段可能是由于水锤波传递至尾水调压室时波叠加的结果，之后调压室内水位回升和下降是调压室内水位与下游河床水位再次形成水头差的结果，之后水位较快地衰减至下游尾水位附近，见图6。

3 结论

(1)当导流洞改建尾水洞内自始至终为满流或出现明满流的过渡过程中，两种尾水洞出口底坡对尾水调压室内的水位波动和调压室底板压差的压力变化趋势影响不大。

(2)当导流洞改建尾水洞段为明流的过渡过程中，两种尾水洞出口底坡方案下尾水调压室内的水位波动是两种完全不同规律的曲线，且尾水洞出口斜坡方案下调压室内水位的最低值比平坡方案下高，即尾水洞出口采用斜坡衔接方案，尾水调压室阻抗底板以上水深有更大的裕度。