廟林水電站阻抗式調(diào)壓室水力過渡數(shù)值與水力模型試驗成果分析

(1.云南省調(diào)水中心，云南 昆明　650051；2.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明　650021；3.云南省水利水電建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心，云南 昆明　650221)

1　工程概況

廟林水電站位于云南省昭通市彝良縣和大關(guān)縣境內(nèi)，金沙江一級支流橫江支流洛澤河上，是洛澤河下游河段梯級水能開發(fā)的第一級引水式水電站。電站總裝機(jī)容量(2×32.5)MW，設(shè)計引用流量111.3m3/s，設(shè)計水頭94.41m。工程由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐三部分組成。其中首部樞紐重力壩壩高50m，水庫校核洪水位 817.83m，正常蓄水位815.00m，發(fā)電最低限制水位806.00m；引水系統(tǒng)隧洞布置于右岸，軸線總長8157.51m，底坡坡降i=3.23‰，混凝土襯砌有效斷面直徑 6.5m，噴混凝土襯砌有效斷面直徑7.2～7.3m，調(diào)壓室為地下室?guī)ё杩箍椎暮唵螆A筒式，井筒高約80m，有效直徑19m，壓力管道內(nèi)徑4m；廠區(qū)樞紐位于洛澤河右岸轉(zhuǎn)嘴村附近的坡地上，為地面式廠房，電站發(fā)電最小靜水頭75.41m。

2　調(diào)壓室的布設(shè)條件及型式確定

根據(jù)廟林水電站工程區(qū)域地形地貌和地質(zhì)情況確定工程建筑物總體布置，廠房內(nèi)側(cè)地形坡度約57°且無明顯不良物理地質(zhì)的陡崖，因此受實際地形條件的限制，調(diào)壓室只能布設(shè)在山體內(nèi)。

從電站隧洞長度、設(shè)計引用發(fā)電流量和發(fā)電運(yùn)行水頭等特性，對調(diào)壓室選取阻抗式、簡單圓筒式和帶上室簡單圓筒式三種型式從水力學(xué)、結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行計算分析比較，最后選取運(yùn)行更合理、投資最省的阻抗式地下室調(diào)壓室，同時設(shè)置一條永久交通洞，作為施工期和運(yùn)行期通行及補(bǔ)氣使用[1]。引水發(fā)電系統(tǒng)布置簡圖如圖1所示。

圖1　水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置簡圖

3　阻抗式調(diào)壓室數(shù)值計算主要方程

3.1　波動穩(wěn)定斷面方程

(1)

式中A——調(diào)壓室井筒斷面積,m2；

Ath——托馬臨界穩(wěn)定斷面面積,m2；

A1——引水隧洞斷面積,m2；

L——壓力引水隧洞長度,m；

H0——發(fā)電最小靜水頭,m；

hw0——壓力引水隧洞水頭損失,m；

hwm——壓力管道水頭損失,m；

α——電站水庫至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)；

K——系數(shù)。

3.2　驗證阻抗孔尺寸合理性數(shù)值方程

阻抗式調(diào)壓室設(shè)計關(guān)鍵在阻抗系數(shù)的選取，也是數(shù)值計算取值時的難點。阻抗式調(diào)壓室只要設(shè)置合適的阻抗系數(shù)，在機(jī)組最不利運(yùn)行工況下才能降低壓力管道的受力狀態(tài)，有效抑制室內(nèi)水位波動幅度和加速波動的衰減，同時可最大限度減小室內(nèi)水位上升過程中產(chǎn)生的對阻抗底板向上壓力和水位下降過程產(chǎn)生的向下壓力[2]。因此，結(jié)合廟林電站引水系統(tǒng)的參數(shù)特性，經(jīng)分析比較認(rèn)為調(diào)壓室非常有必要設(shè)置阻抗孔，但是如何選取合適的阻抗孔尺寸又是關(guān)鍵，式(2)～式(3)為驗證阻抗孔口直徑合理性取值的數(shù)值方程，設(shè)計計算同時參考已建類似工程的取值。

(2)

(3)

3.3　穩(wěn)定斷面水位涌波數(shù)值方程

丟棄全負(fù)荷時的最高涌波方程：

(4)

(5)

增加負(fù)荷時的最低涌波方程：

(6)

(7)

(8)

相應(yīng)流量通過阻抗孔的水頭損失方程：

(9)

式中Q——引水隧洞引用流量,m3/s；

Q0——增加負(fù)荷后的流量,m3/s；

S——阻抗孔斷面積,m2；

φ——阻抗孔流量系數(shù)；

hc0——最大流量通過阻抗孔時的水頭損失,m；

v——壓力引水隧洞流速,m/s。

根據(jù)廟林水電站引水系統(tǒng)水力邊界條件和主要特性參數(shù)，由主要計算方程[3]，按托馬準(zhǔn)則在合理范圍選取不同井筒斷面和初擬的阻抗孔尺寸，試算結(jié)果見表1。

表1　調(diào)壓室波動水位試算結(jié)果值(初擬阻抗直徑3.3m)

根據(jù)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定[1]，當(dāng)電站額定水頭在40～100m時，機(jī)組突甩全荷時蝸殼最大瞬時壓力升高率宜小于50%～30%。由于廟林水電站額定水頭為68m，蝸殼承受的最大靜水頭為99.14m(不包含水錘壓力)，因此蝸殼最大瞬時壓力升高值應(yīng)選擇下線30%，其相應(yīng)組合工況下升高值應(yīng)控制在128.9m以內(nèi)，即調(diào)壓室最高涌浪應(yīng)控制在847m以內(nèi)，經(jīng)計算，以上三個斷面試算結(jié)果在116～119m范圍，均滿足規(guī)范要求。另外，從《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》的穩(wěn)定斷面相關(guān)計算原則及基本要求，按托馬準(zhǔn)則和考慮K值系數(shù)后的計算結(jié)果值，選擇19m直徑作為廟林電站調(diào)壓室設(shè)計斷面更為經(jīng)濟(jì)和合理。

通過初定調(diào)壓室阻抗直徑確定調(diào)壓室的穩(wěn)定斷面，又通過調(diào)壓室穩(wěn)定斷面反過來驗證初定的調(diào)壓室阻抗直徑的合理性，計算結(jié)果見表2。

表2　不同阻抗斷面下甩荷時調(diào)壓室底板壓差和涌浪水位值

從上述五組阻抗斷面的計算結(jié)果看出，阻抗孔斷面積與隧洞斷面積比在22.75%～28.99%，面積比均滿足規(guī)范要求試驗分析的15%～50%范圍。另外，從機(jī)組調(diào)節(jié)保證計算反映，由于廟林水電站引水隧洞為長壓力隧道，取3.3m阻抗孔直徑更有利于抑制水位波動幅度和加速波動的衰減進(jìn)程，因此選擇直徑3.3m作為廟林水電站阻抗孔設(shè)計斷面。

綜合以上試算分析結(jié)果，廟林水電站調(diào)壓室選取直徑19m，阻抗孔尺寸3.3m是技術(shù)上合理、經(jīng)濟(jì)上可行的。

4　水力模型試驗的驗證

4.1　實施水力模型試驗的目的

為進(jìn)一步驗證廟林水電站阻抗式調(diào)壓室基本數(shù)值方程試算過程中參數(shù)選取的合理性和試算成果使用的可靠性，開展水力模型試驗和水力過渡過程的分析與研究，目的是驗證廟林水電站在正常運(yùn)行或最不利組合工況下調(diào)壓室的最高、最低涌浪水位及波動衰減周期；驗證調(diào)壓室井筒斷面、阻抗孔尺寸斷面和阻抗系數(shù)設(shè)置的合理性；驗證引水隧洞、阻抗孔口及壓力鋼管的最大和最小壓力值，計算水擊壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速升高值，進(jìn)一步尋求機(jī)組最優(yōu)關(guān)機(jī)時間和導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，以及增加負(fù)荷時機(jī)組開機(jī)時間間隔。開展模型試驗為廟林水電站最終安全可靠的運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持和保障。

4.2　水力模型試驗調(diào)壓室成果

根據(jù)廟林水電站建筑物總體布置和確定的設(shè)計參數(shù)，試驗根據(jù)率定的模型引水隧洞材料糙率值，調(diào)壓室采用正態(tài)模型進(jìn)行試驗?？紤]廟林水電站引水隧洞較長，若采用調(diào)整模型隧洞糙率試驗難以達(dá)到引水隧洞正態(tài)設(shè)計，為保證測試的準(zhǔn)確度，試驗時按變態(tài)模型設(shè)計以減小引水隧洞模型長度開展試驗。

通過水力模型試驗結(jié)果，當(dāng)水庫水位在校核洪水位817.33m，兩臺機(jī)組同甩負(fù)荷至0臺機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)工況，模型試驗結(jié)果調(diào)壓室最高涌波水位833.07m；當(dāng)水庫水位在最低發(fā)電水位806.00m，由1臺機(jī)組正常運(yùn)行再開啟第2臺機(jī)組，模型試驗調(diào)壓室最低涌波水位788.34m。

4.3　模型試驗調(diào)壓室成果附圖

在水庫校核洪水位817.33m，兩臺機(jī)組同甩負(fù)荷至0臺機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)工況時水力模型試驗的最高涌波圖如圖2所示。

圖2　水庫校核洪水位817.33m，2臺→0臺涌波水位

水庫水位在最低發(fā)電水位806.00m，由1臺機(jī)組正常運(yùn)行再開啟第2臺機(jī)組，水力模型試驗的最低涌波圖如圖3所示。

圖3　水庫最低發(fā)電水位806.00m，1臺→2臺涌波水位

5　數(shù)值方程與水力模型試驗結(jié)果比較

在水庫校核洪水位817.33m，2臺機(jī)由正常運(yùn)行突甩全負(fù)荷，水力模型試驗調(diào)壓室最高涌浪水位833.61m，相應(yīng)工況數(shù)值計算結(jié)果835.77m，模型試驗值比數(shù)值方程值略低2.16m；在水庫最低發(fā)電水位806.00m，由1臺機(jī)正常運(yùn)行，另一臺機(jī)突開至滿負(fù)荷時，模型試驗調(diào)壓室最低涌浪水位788.04m，相應(yīng)工況數(shù)值計算結(jié)果786.39m，試驗值比計算值略高1.65m，且最低涌波水位均高于調(diào)壓室底板2.0m以上，滿足《水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》對涌浪水位的控制要求[3]。通過模型試驗與數(shù)值方程計算結(jié)果綜合分析，數(shù)值方程計算結(jié)果的涌波值與水力模型試驗結(jié)果基本吻合，且數(shù)值方程計算結(jié)果更安全于水力模型試驗值。通過對差值進(jìn)行分析，認(rèn)為數(shù)值方程計算時采用的隧洞糙率值[4]與水力模型試驗室率定的材料糙率值是產(chǎn)生差值的主要因素之一，但差值在可接受范圍內(nèi)。

因此，通過水力模型試驗證明，廟林水電站調(diào)壓室井筒斷面、阻抗孔直徑和阻抗系數(shù)的設(shè)計是合理可行的。

6　結(jié)　論

a.從廟林水電站調(diào)壓室的數(shù)學(xué)試算結(jié)果分析，對于邊界條件相似工程的阻抗式調(diào)壓室設(shè)計，只要選擇合適的阻抗系數(shù)，采用數(shù)值計算的結(jié)果是可以滿足設(shè)計和使用要求的。

b.對確定的調(diào)壓室穩(wěn)定斷面，當(dāng)阻抗孔尺寸在一定范圍變化取值時，對調(diào)壓室的水位波動影響明顯，但阻抗孔尺寸增大到一定程度，對調(diào)壓室的水位波動甚微。

[1]DL/T 5186—2004水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2004.

[2]王樹人.調(diào)壓井水力計算理論與方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1983.

[3]DL/T 5058—1996水電站調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，1997.

[4]SL 279—2002水工隧洞設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2002.