泵站出水池-無壓隧洞過渡段體型優(yōu)化研究

王月華， 王 斌， 吳德忠， 韓曉維， 張鴻清， 王自明

(1.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020；2.余姚市水利局, 浙江 余姚 315400)

1 研究背景

無論是電站尾水系統(tǒng)還是泵站出水系統(tǒng)，對于尾水水位變化不大的水利樞紐，一種較為經(jīng)濟的設(shè)計方案是采用無壓隧洞。無壓隧洞頂拱不承受內(nèi)水壓力，多采用圓拱直墻式斷面，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時，可采用馬蹄形或圓形斷面。為保證洞內(nèi)呈明流狀態(tài)，當(dāng)洞內(nèi)為低流速恒定流且通氣條件良好時，水面以上空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，且凈空高度一般不小于0.4 m。為了節(jié)省開挖量，在隧洞開挖距離較長時，幾臺機組往往共用一條隧洞，因此需要一個過渡匯流池。過渡段的幾何形狀和局部水頭損失密切相關(guān)，如何增加隧洞泄流能力及減少匯流池的水頭損失是優(yōu)化工程設(shè)計的重要內(nèi)容。目前對泵站出水池布置形式的研究較少，主要集中在泵站前池及明渠布置型式研究[1-5]。謝省宗等[6]、王雷等[7]對南水北調(diào)工程惠南莊泵站前池布置方案進行了數(shù)值模擬和試驗研究；黃金偉等[8]對引黃泵站前池水流特性進行了三維數(shù)值模擬；譚喬木等[9]通過模型試驗對明渠收縮段內(nèi)的水深變化規(guī)律進行觀測，總結(jié)了收縮角、底坡和流量對水深和水面波動的影響規(guī)律；翟淵軍[10]結(jié)合南水北調(diào)中線工程，通過模型試驗提出了漸變段直線扭曲段水面擴散角和收縮角的最優(yōu)選擇；戴梅等[11]通過模型試驗對渡槽的進出口連接型式進行了優(yōu)化，得出直線扭曲面漸變段的水頭損失系數(shù)小于反彎扭曲面漸變段的系數(shù)；李蘅等[12]結(jié)合水電工程導(dǎo)流隧洞，研究了陡坡隧洞的泄流能力與隧洞進口型式的關(guān)系，得出曲線進口能有效提高隧洞的泄流能力；吳永妍等[13]通過模型試驗研究了梯形明渠到馬蹄形隧洞進口過渡段的水面銜接特點和局部水頭損失規(guī)律；郭紅民等[14]采用FLUENT軟件對水電站岸邊泄洪洞的泄流能力、水面線等水力特性進行了計算研究；王曉玲等[15]對引額濟烏一期工程尾部調(diào)節(jié)水庫泄水洞泄洪的流態(tài)和水面線進行了數(shù)值模擬計算，得出長距離無壓引水隧洞進口處易出現(xiàn)水流擾動，沿程水面線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

本文以某泵站工程為例，對泵站出水池到無壓隧洞過渡段的水流特性開展模型試驗，分析了過流能力、水面線及局部水頭損失，提出了改進措施。并對前后模型試驗結(jié)果進行對比，分析了過渡段型式對水流特性的影響。

2 模型設(shè)計

試驗?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰蕜t和紊流粗糙區(qū)摩阻力相似準則設(shè)計，采用正態(tài)模型。幾何比尺為λl=25，則糙率比尺λn=λl1/6=1.71。泵站及隧洞均采用有機玻璃制作，糙率為0.009，原型糙率0.011～0.017，按照相似比尺計算出原型糙率為0.016，因此采用有機玻璃模擬能滿足糙率相似要求。模型包括水庫、進水池、泵房、出水池及排水隧洞等建筑物，模型長度約20 m，寬度2～10 m。試驗進口流量采用電磁流量計控制，出口采用三角形薄壁堰對流量進行校核。采用水位測針測試上下游水位，采用DJ800水位波動儀測試水面波動。

原方案：泵站平面布置圖如圖1所示。泵站出水池長23.5 m(均為原型尺寸，下同)，反坡漸變段長26.5 m，無壓隧洞長100m，隧洞后設(shè)置出口段及三角堰。泵站排澇流量120 m3/s，由4臺泵組成，泵站出水池與下游無壓隧洞連接。其中水平過渡段底寬38.6 m，渠高15 m；反坡過渡段底寬由38.6 m逐漸過渡到6.6 m；城門洞隧洞底寬6.6m，側(cè)墻高4.7 m，頂拱圓心角180°。特征斷面如圖2所示。

優(yōu)化方案：由于原方案過渡段過短，沿程水面坡降較大，為使過渡段水流更平順，減小水面紊動，避免過多能量損失，提高隧洞過流能力，需對過渡段進行改進。優(yōu)化方案平面布置圖如圖3所示。其中過渡段兩處折角收縮段均改為圓弧面，隧洞進口位置向下游移動10 m。

圖1 原方案平面布置圖(單位：m)

圖2 特征斷面示意圖(單位：m)

圖3 優(yōu)化方案平面布置圖(單位：m)

表1 模型試驗工況

3 成果分析

3.1 過流能力

試驗觀測了隧洞自由出流的過流能力。由于此時隧洞的過流能力不受洞長的影響，進口水流為寬頂堰流，流量系數(shù)按照常規(guī)堰流公式計算：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；m為流量系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)(由于下游水位不影響隧洞出流，σs取1.0)；B為過水寬度，即隧洞底寬6.6 m；Z1為泵站出水池水位，m；H0為計入行進流速水頭的總水頭，m，H0=Z1-0.7+v2/2g。

(1)經(jīng)擬合，原方案流量與上游水位的試驗關(guān)系式為：

Q=10.731H01.4919

(2)

相關(guān)系數(shù)：R2=0.999，范圍：2.64 m≤H0≤5.83 m。

水位流量關(guān)系曲線見圖4。通過公式估算，流量系數(shù)約為0.363。當(dāng)1臺機組運行時，隧洞進口水位為2.69 m；當(dāng)2臺機組運行時，隧洞進口水位為3.87 m；當(dāng)3臺機組運行時，隧洞進口水位為4.86 m;當(dāng)4臺機組運行時，隧洞進口水位為5.74 m，此時隧洞通過最大輸水流量，上游水位比設(shè)計限制水位7.53 m低1.79 m，說明原設(shè)計方案過流能力滿足設(shè)計要求。

(2)經(jīng)擬合，優(yōu)化方案流量與上游水位的試驗關(guān)系式為：

Q=10.745H01.5076

(3)

相關(guān)系數(shù)：R2=0.999，范圍：2.62 m≤H0≤5.74 m。

水位流量關(guān)系曲線見圖4。通過公式估算，流量系數(shù)約為0.371。當(dāng)1臺機組運行時，隧洞進口水位為2.68 m，比原設(shè)計減小0.01 m；當(dāng)2臺機組運行時，隧洞進口水位為3.83 m，比原設(shè)計減小0.04 m；當(dāng)3臺機組運行時，隧洞進口水位為4.80 m，比原設(shè)計減小0.06 m；當(dāng)4臺機組運行時，隧洞進口水位為5.66 m，這時隧洞通過最大輸水流量，上游水位比設(shè)計限制水位7.53 m低1.87 m，說明優(yōu)化方案過流能力滿足設(shè)計要求，比原方案有增加。

圖4 隧洞自由出流水位-流量關(guān)系

3.2 水面線

優(yōu)化方案中心線水面沿程變化規(guī)律與原方案相似，在隧洞進口上游，水面變化平緩，受出水池和隧洞進口斷面收縮的影響，隧洞進口前水面有小幅度壅高，約0.07 m。優(yōu)化方案水面起伏有大幅減輕，尤其是隧洞進口段，沒有明顯水面局部跌落現(xiàn)象，隧洞進口附近洞頂富余增加，隧洞內(nèi)水面波動減弱。

(1)2#機組單獨運行時，由于2#機組的出口基本正向?qū)λ矶催M口，水流受出水池和隧洞進口的影響相對較小。原方案和優(yōu)化方案沿程水位落差分別約為0.33、0.31 m。(2)1#、2#、3#三機組聯(lián)合運行時，原方案和優(yōu)化方案沿程水位落差分別約為1.28和0.78 m。(3)4機組同時運行(設(shè)計工況)時，原方案和優(yōu)化方案沿程水位落差分別約為0.48和0.36 m。優(yōu)化方案洞頂凈空高度為1.37 m，滿足設(shè)計要求。

圖5 中心線水面線縱向變化對比圖

3.3 局部水頭損失

局部水頭損失是由于幾何邊界條件改變而引起的水流能量損失。出水池及隧洞進口的幾何形狀和局部水頭損失密切相關(guān)。局部損失系數(shù)為局部水頭損失與隧洞速度水頭的比值，水頭損失ΔHij及水頭損失系數(shù)ξij的計算公式為：

(4)

(5)

式中：vi為泵站斷面平均流速，m/s；vj為隧洞斷面平均流速，m/s；ξij為i，j斷面之間的局部水頭損失系數(shù)。

對于出水池及隧洞進口，4個泵站出水口的水流匯流后在一條隧洞流出，泵站斷面在單位時間內(nèi)輸入的水流能量應(yīng)等于隧洞斷面加上其間水流的能量損失(忽略沿程水頭損失)。測量斷面見圖6，局部水頭損失匯總見表2。

圖6 局部水頭損失測量斷面

表2 局部水頭損失統(tǒng)計

由表2可知，優(yōu)化方案的局部水頭損失及水頭損失系數(shù)均小于原設(shè)計方案。具體如下：

(1)2#單機組運行時，優(yōu)化方案平均水頭損失為0.023 m，平均水頭損失系數(shù)為0.065。水頭損失比原設(shè)計方案減小0.015 m。(2)1#、2#、3#三機組運行時，優(yōu)化方案平均水頭損失為0.044 m，平均水頭損失系數(shù)為0.051。水頭損失比原設(shè)計方案減小0.007 m。(3)1#、2#、3#、4#四機組運行時，優(yōu)化方案平均水頭損失為0.029 m，平均水頭損失系數(shù)為0.074。水頭損失比原設(shè)計方案減小0.005 m。

3.4 水面波高

為進一步了解優(yōu)化方案的水流特性，試驗對3組工況進行了水面波動觀測，為邊墻高程設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考，觀測斷面及位置見圖7。

圖7 水面波高觀測斷面及位置

試驗表明，各工況出水池及隧洞進口位置水面平穩(wěn)，波動不大。平均波高、1/3大波波高和1/10大波波高能直觀反映水面波動大小。其中1/3大波波高是指將某一時段連續(xù)測得的所有波高按大小排列，取總個數(shù)中的1/3個大波波高的平均值；1/10大波波高取波高最大的1/10個波，計算其平均波高。波高特征值詳見表3，由表3可知：(1)泵站出口斷面(1#)波高值最大，各工況平均波高為6～9 cm，1/3波高值為9～14 cm，1/10波高值為11～17 cm。(2)2#單泵運行時，水面波動相對較小，其他工況水面波動比較接近。

表3 各斷面波高特征表 cm

續(xù)表3

4 結(jié) 論

本文以某泵站工程為背景，通過物理模型試驗分析了該工程泵站原方案和優(yōu)化方案的過流能力、水面線和局部水頭損失等，優(yōu)化方案得到工程設(shè)計和施工的采用。結(jié)論如下：

(1)原方案和優(yōu)化方案過流能力均滿足設(shè)計要求，優(yōu)化方案富余更大。原方案過渡段水位比設(shè)計限制水位7.53 m低1.79 m，優(yōu)化方案過渡段水位比設(shè)計限制水位7.53 m低1.87 m。

(2)優(yōu)化方案水面起伏有大幅減輕，尤其是隧洞進口段，隧洞進口附近洞頂富余增加，隧洞內(nèi)水面波動減弱。其中設(shè)計工況時，優(yōu)化方案洞頂凈空高度為1.37 m，滿足設(shè)計要求。

(3)通過優(yōu)化過渡段邊墻體型，各工況優(yōu)化方案局部水頭損失均小于原方案，減小幅度為0.005～0.015 m。

(4)優(yōu)化方案各工況過渡段水面平穩(wěn)，波動不大。2#單泵運行時，水面波動相對較??；其他工況水面波動比較接近，平均波高為3～9 cm，1/3波高值為5～14 cm，1/10波高值為6～17 cm。