抽水蓄能電站上庫側(cè)式進(jìn)水口漩渦問題實(shí)驗(yàn)研究

夏在森，王 海

（1.遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000；2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200）

0 前言

電站進(jìn)水口外上方的來流行進(jìn)到進(jìn)水口前，通常會(huì)在進(jìn)水口的兩側(cè)發(fā)生范圍較大的水流回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，強(qiáng)度較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生吸氣漩渦，造成水工建筑物破壞、過流能力降低等諸多危害。長期以來，抽水蓄能電站進(jìn)水口消渦方式研究主要集中在庫區(qū)邊界，靠近進(jìn)水口兩側(cè)的附近邊界，通過各種造型的人工消渦體等措施進(jìn)行消渦，但是針對(duì)庫區(qū)地形地貌的消渦研究較少。本文通過抽水蓄能電站上庫物理模型的研究，分析漩渦的強(qiáng)度、位置、大小與地形、流量、位之間的規(guī)律。

1 工程背景

響水澗抽水蓄能電站裝機(jī)容量1000 MW，安裝4臺(tái)250 MW可逆式混流式水泵水輪機(jī)—發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，設(shè)計(jì)年發(fā)電量17.62億kW時(shí)，電站由上水庫、下水庫輸水系統(tǒng)、地下廠房及地面開關(guān)站等建筑物組成。上庫大壩為混凝土板堆石壩，壩高89.5 m，發(fā)電蓄水位222 m，停機(jī)正常水位198 m，停機(jī)死水位190 m。水庫總庫容 1748 萬 m3。

2 物理模型設(shè)計(jì)

在恒定流量工況下，針對(duì)五種地形方案（見圖1及表1），在不同的水位組合工況下（停機(jī)死水位190.00 m、停機(jī)正常水位198.00 m），進(jìn)行庫區(qū)流場(chǎng)的全場(chǎng)觀測(cè)，得出全場(chǎng)的流速分布。在不同方案中，針對(duì)每個(gè)工況的渦深、漩渦的半徑和旋轉(zhuǎn)角速度，結(jié)合理論公式，比較漩渦的實(shí)測(cè)形態(tài)和理論形態(tài)。

表1 五種保留山體方案特征表

圖1 實(shí)驗(yàn)方案地形比照?qǐng)D

2.1 模型的相似準(zhǔn)則

水工試驗(yàn)中電站前池中水流流動(dòng)為主導(dǎo)力。電站進(jìn)水口前的漩渦運(yùn)動(dòng)，表面張力忽略不計(jì)。按Fr準(zhǔn)則進(jìn)行模擬。只要雷諾數(shù)超過一定極限值，粘滯力的影響就可以忽略不計(jì)，由于在Fr模型中，沒有考慮粘滯力的作用，而該力對(duì)前池水流中的表面漩渦有一定的影響，為了確保模擬的準(zhǔn)確性，在遵從Fr準(zhǔn)則的前提下，適當(dāng)提高模型水流的流速。

2.2 模型比尺

該抽水蓄能電站，在描述漩渦形態(tài)時(shí)選擇的模型實(shí)際流速為Froude模型流速的2.5倍，本次試驗(yàn)采用模型比尺λL=50。

水深比尺：

流速比尺:

流量比尺:

壓強(qiáng)比尺:

糙率比尺:

2.3 漩渦測(cè)量

運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)隨機(jī)出現(xiàn)的漩渦進(jìn)行觀測(cè)。主要采用定總數(shù)采樣方法對(duì)隨機(jī)出現(xiàn)的漩渦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)隨機(jī)出現(xiàn)的漩渦在時(shí)間歷程中出現(xiàn)的頻次進(jìn)行分析。

3 漩渦分析

通過5個(gè)方案的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，逐級(jí)保留山體以增大進(jìn)水口上游區(qū)域低于死水位的地形面積，觀察分析每種方案中進(jìn)水口在死水位和正常水位兩種工況下，進(jìn)水口左右兩側(cè)出現(xiàn)的漩渦的形態(tài)、強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)范圍，以及監(jiān)測(cè)斷面水流時(shí)均不均勻系數(shù)和水面波動(dòng)情況，綜合分析地形對(duì)進(jìn)水口漩渦的影響。

3.1 方案1

圖2 地形1吸氣漩渦個(gè)數(shù)占進(jìn)水口總漩渦百分比

圖3 方案1進(jìn)水口前池流場(chǎng)（死水位）

方案1的流態(tài)、漩渦等數(shù)據(jù)見圖2~圖3，由圖可知，進(jìn)水口前庫區(qū)地形為非對(duì)稱布置的情況下，進(jìn)水口布置因受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，布置在庫區(qū)側(cè)邊時(shí)，試圖通過庫區(qū)的開挖，人為制造平順的進(jìn)流條件是不能從根本上解決進(jìn)水口漩渦問題的。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于進(jìn)水口靠近山體的一側(cè)，由于來流受到邊界約束程度大大強(qiáng)于進(jìn)水口不靠近山體的一側(cè)，漩渦發(fā)生的幾率和強(qiáng)度都較大。結(jié)果表明：單純的庫區(qū)開挖不能達(dá)到預(yù)期的工程目標(biāo)，漩渦的消除不僅依靠平順的來流、合理的邊界條件，還可以通過能夠消除漩渦環(huán)量的反向環(huán)量進(jìn)行消渦，如何布置才能制造一個(gè)穩(wěn)定的反向環(huán)流是接下來的研究方向。

3.2 方案2

圖4 地形2吸氣漩渦個(gè)數(shù)占總渦數(shù)百分比

圖5 方案2進(jìn)水口前池流場(chǎng)圖（死水位）

方案2的流態(tài)、漩渦等數(shù)據(jù)見圖4~圖5，方案2中的漩渦較方案1中的漩渦有了一些變化，左側(cè)漩渦渦深有加大的趨勢(shì)，漩渦半徑有加大的趨勢(shì)，右側(cè)漩渦有輕微的削減趨勢(shì)。

3.3 方案3

圖6 地形3吸氣漩渦個(gè)數(shù)占總渦數(shù)百分比

圖7 方案3進(jìn)水口前池流場(chǎng)圖（死水位)

方案3的流態(tài)、漩渦等數(shù)據(jù)見圖6~圖7，方案3中的漩渦和方案2、方案1中的漩渦有較大變化：方案3中左側(cè)漩渦渦深有所加大，漩渦半徑有所加大；方案3中右側(cè)漩渦強(qiáng)度有明顯的削減趨勢(shì)，體現(xiàn)在漩渦的渦深和半徑上。在實(shí)驗(yàn)觀察中，右側(cè)漩渦由前兩個(gè)方案的穩(wěn)定、持續(xù)的漏斗漩渦轉(zhuǎn)變成渦深變小、漩渦旋轉(zhuǎn)范圍變大、變?nèi)岷?、且偶見漩渦消失，可以看出右側(cè)漩渦變化消減和左側(cè)漩渦變化加強(qiáng)的趨勢(shì)，地形對(duì)進(jìn)水口兩側(cè)漩渦的影響開始顯現(xiàn)。

3.4 方案4

圖8 地形4吸氣漩渦個(gè)數(shù)占總渦數(shù)百分比

圖9 方案4進(jìn)水口前池流場(chǎng)圖（死水位)

方案4的流態(tài)、漩渦等數(shù)據(jù)見圖8~圖9，由圖可知，方案4的庫區(qū)流場(chǎng)在進(jìn)水口前方較方案3和方案2有了較大的區(qū)別。由于方案4的地形已經(jīng)完全阻攔了原來的主流區(qū)，受地形影響，方案4主流區(qū)在進(jìn)水口遠(yuǎn)方形成了一個(gè)側(cè)向收縮的來流，其收縮程度要比方案3大。這使主流區(qū)的過流斷面在最窄處寬度幾乎只有原方案1的大約30%。

在死水位工況，進(jìn)水口左側(cè)漩渦呈現(xiàn)出范圍很大的旋轉(zhuǎn)，且流速較大，因受到來流的正向推動(dòng)作用，使其旋轉(zhuǎn)范圍和強(qiáng)度較方案3增強(qiáng)，但是由于該處的地形開闊，漩渦旋轉(zhuǎn)的能量受到水的粘滯力影響，帶動(dòng)了大范圍的水體繞渦心旋轉(zhuǎn)，這在很大程度上消弱了漩渦中心的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，并沒有產(chǎn)生吸氣現(xiàn)象，其本質(zhì)為淺表型漩渦，這種現(xiàn)象和方案3在死水位工況下的分析結(jié)果是一致的。進(jìn)水口右側(cè)的漩渦有較方案3進(jìn)一步削弱的趨勢(shì)，漩渦表面流速進(jìn)一步降低。

在正常水位工況下，進(jìn)水口左側(cè)的漩渦形成吸氣漩渦的概率略有降低，但漩渦旋轉(zhuǎn)線速度的降低較明顯。進(jìn)水口右側(cè)的漩渦強(qiáng)度在正常水位工況下被抑制得很低，僅偶發(fā)一些細(xì)小的漩渦，并馬上消失。

3.5 方案5

圖10 地形5吸氣漩渦個(gè)數(shù)占總渦數(shù)百分比

圖11 方案5進(jìn)水口前池流場(chǎng)圖（死水位)

方案5的流態(tài)、漩渦等數(shù)據(jù)見圖8~圖9，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案5中的漩渦在死水位工況，主要表現(xiàn)為：左側(cè)漩渦渦深略有加大，漩渦半徑有所加大，漏斗漩渦時(shí)有發(fā)生，發(fā)生吸氣的概率較方案4有所增大；右側(cè)漩渦強(qiáng)度得到了有效抑制，并且來流使原來的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的水流轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r(shí)針運(yùn)動(dòng)和水平向右的運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)基本沒有明顯的漩渦旋轉(zhuǎn)流態(tài)。在正常水位工況下，左側(cè)漩渦形成吸氣漩渦的概率與方案4相比變化不明顯。進(jìn)水口右側(cè)漩渦強(qiáng)度在死水位工況下較方案4繼續(xù)減弱，且水流為逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，漩渦的強(qiáng)度被抑制得很小，幾乎完全消失，水面平靜，偶發(fā)一些細(xì)小漩渦且迅速消失。

4 進(jìn)/出水流水頭損失

通過以上五個(gè)方案的比照分析，發(fā)現(xiàn)一定的側(cè)向進(jìn)流可以有效抑制進(jìn)水口右側(cè)漩渦，隨著地形的改變，側(cè)向進(jìn)流強(qiáng)度增加，進(jìn)水口處的漩渦能量被重新調(diào)整，左側(cè)漩渦被加強(qiáng)，方案4、方案5都能較好地抑制漩漏斗漩渦。但是考慮到在死水位工況，方案5的地形將主流過流斷面壓縮得過于狹窄，局部流速偏大，可能造成上游雍水，工程設(shè)計(jì)中建議采用方案4為最終方案。為保證水頭損失系數(shù)滿足工程要求，對(duì)方案4抽水、發(fā)電工況的水頭損失系數(shù)進(jìn)行分析校驗(yàn)。

上庫進(jìn)/出水口損失系數(shù)測(cè)量及分析研究主要是針對(duì)庫區(qū)地形條件改變做出的，進(jìn)水口體型本身在本次模型試驗(yàn)前已進(jìn)行過優(yōu)化。改變庫區(qū)地形，會(huì)造成損失系數(shù)的增加或減少，因此通過合理改變地形，改善外部流動(dòng)條件，可有效降低水頭損失系數(shù)。水頭損失系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：η出為抽水工況下的水頭損失系數(shù)；η進(jìn)為發(fā)電工況下的水頭損失系數(shù)；H1引水隧洞末斷面測(cè)壓管水頭；H2為進(jìn)/出水口處測(cè)壓管水頭；V1為引水隧洞末斷面平均流速；V2為進(jìn)水口斷面處平均流速。

表2 方案1（死水位）抽水工況 單位：m

表3 方案1（死水位）發(fā)電工況 單位：m

方案1死水位條件下水頭損失計(jì)算成果見表2~表3，由于上庫四個(gè)進(jìn)/出水口體型一樣，可取平均值η出（方案1）=0.36，η進(jìn)（方案 1）=0.16。

表4 方案4（死水位）抽水工況 單位：m

表5 方案4（死水位）發(fā)電工況 單位：m

方案4死水位條件下水頭損失計(jì)算成果見表4~表5，取其平均值 η出（方案 1）=0.36，η進(jìn)（方案 1）=0.16。

由計(jì)算結(jié)果可知在死水位條件下1#、2#進(jìn)水口出流損失系數(shù)略有增加，這是受到庫區(qū)地形的影響的結(jié)果。但此水位不是工程的運(yùn)行水位，是工程抽水運(yùn)行起始水位，該水位損失系數(shù)略有增加不影響工程的經(jīng)濟(jì)效益。

表6 方案4（正常水位）抽水工況 單位：m

表7 方案4（正常水位）發(fā)電工況 單位：m

正常水位工況下方案4進(jìn)出水流的水頭損失見表6~表7，取平均值 η出（方案 4）=0.27，η進(jìn)（方案 4）=0.10。

可見方案4只是在死水位、抽水工況下進(jìn)水口的水頭損失系數(shù)略大于原設(shè)計(jì)方案1。在死水位發(fā)電工況、正常水位發(fā)電工況、正常水位抽水工況，其水頭損失系數(shù)均不大于甚至小于原方案1。由此可知，合理的庫區(qū)地形不僅可以減弱不利于工程安全運(yùn)行的漩渦流態(tài)和減少不必要的開挖量，而且可以降低進(jìn)/出流水力損失，進(jìn)一步提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1）庫區(qū)水流在不同水位工況下對(duì)地形的敏感程度不同，在死水位，水流流態(tài)受地形的影響明顯，在正常水位，由于水庫庫區(qū)的流速總體為低流速，水流對(duì)地形變化的敏感度不高。

2）適當(dāng)保留庫區(qū)死水位以下的地形，在節(jié)約工程投入，保護(hù)庫區(qū)環(huán)境的同時(shí)，還可以合理利用地形有效抑制進(jìn)水口處的吸氣漩渦。