大石峽水電站進(jìn)水口疊梁門分層取水試驗(yàn)研究

張文遠(yuǎn)，楊 帆，章晉雄，張宏偉

（中國水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)所，北京 100038）

1 研究背景

為了環(huán)保和下游水生態(tài)保護(hù)的需要，修建大中型水電站時(shí)，在電站發(fā)電流道進(jìn)水口設(shè)置分層取水設(shè)施已成為一種趨勢，即滿足電站發(fā)電取水需要又達(dá)到取表層水提高下泄水溫保護(hù)生態(tài)的目的。在國內(nèi)外已建或在建的水庫采取的改善下泄水溫的工程措施中主要有修建分層取水建筑物、打破溫躍層和水利生態(tài)調(diào)度等。水電站進(jìn)水口分層取水建筑物根據(jù)水庫規(guī)模和取水目的主要有高低取水口、多層取水口、隔水幕、疊梁門等多種方案。針對(duì)分層取水型式的研究，美國在二十世紀(jì)五六十年代先后對(duì)沙斯塔、餓馬、格蘭峽等電站進(jìn)水口分別進(jìn)行了疊梁門分層取水的研究和改建工作[1-3]。我國在二十世紀(jì)六十年代中期開始在一些中小型水庫中采用分層取水建筑物，主要用于提高灌溉水溫。近二十年來隨著我國高壩大庫的不斷增多，以下游生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)灌溉為目標(biāo)的大型水庫分層取水措施研究成為重點(diǎn)。中國電建集團(tuán)貴陽院的邵凌峰等[4]和中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司范志國等[5]，對(duì)大中型水電站分層取水方案取水效果、工程投資、優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行比較分析；中國水科院章晉雄等[6]、武漢大學(xué)雷艷等[7]、長科院王才歡等[8]、天津大學(xué)高學(xué)平等[9]、國網(wǎng)新源控股有限公司路振剛[10]、中國水科院柳海濤等[11-13]從模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面對(duì)電站進(jìn)水口采用疊梁門分層取水結(jié)構(gòu)的水力特性、水溫分層及取水效果等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了豐碩的成果，為工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了指導(dǎo)。由于電站進(jìn)水口設(shè)置疊梁門分層取水后，雖然在提高下泄水溫，改善生態(tài)環(huán)境等方面有顯著效果，但進(jìn)水口水流條件較不設(shè)置疊梁門時(shí)取水復(fù)雜，可能出現(xiàn)跌流、吸氣漩渦等不良流態(tài)和增大水頭損失，降低機(jī)組的運(yùn)行效率。因此驗(yàn)證和優(yōu)化疊梁門分層取水進(jìn)水口的布置是十分必要的。

本文以大石峽水利樞紐電站進(jìn)水口為研究背景，對(duì)電站進(jìn)口的水力特性進(jìn)行了系統(tǒng)的模型試驗(yàn)研究。大石峽水利樞紐工程水庫正常蓄水位1700 m，攔河壩最大壩高247 m，電站裝機(jī)容量為750 MW。樞紐工程主要由混凝土面板砂礫石壩、電站進(jìn)水口、岸邊溢洪道、中孔泄洪排沙洞、放空兼排沙洞、生態(tài)放水孔等建筑物組成。電站進(jìn)水口按兩孔一塔布置型式，3個(gè)進(jìn)水塔共6孔，疊梁門后為通倉流道設(shè)計(jì)。進(jìn)水口由攔污柵段、疊梁門段、豎井連接段、閘室段組成，進(jìn)水口底板高程為1619.00 m，每個(gè)進(jìn)水口設(shè)兩孔攔污柵，每孔攔污柵孔口尺寸為5.5 m×83.2 m。攔污柵后布置疊梁門，疊梁門最大擋水高度為1679.00 m高程，孔口尺寸為5.5 m×60 m，門葉分為12節(jié)，每節(jié)高度為5 m。疊梁門墩后為通倉流道，通倉流道后為閘室段，閘室段設(shè)置有平板檢修閘門槽和事故閘門槽各一道，引水隧道內(nèi)徑為6.00 m，發(fā)電流道進(jìn)水口布置見圖1。

圖1 電站進(jìn)水口布置示意圖

2 模型設(shè)計(jì)及測量設(shè)備

2.1 模型設(shè)計(jì)大石峽水利樞紐電站進(jìn)水口水工模型比尺為1∶21.05，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。進(jìn)水塔、疊梁擋水閘門、快速事故門槽、漸變段等部分的模型全部采用有機(jī)玻璃精細(xì)加工制作，漸變段后引水洞采用PE管制作。試驗(yàn)中觀測了典型組合試驗(yàn)工況（見表1）下，進(jìn)水口的水流流態(tài)、壓力和流速分布以及水頭損失等內(nèi)容。

表1 不同組合試驗(yàn)工況

2.2 測量設(shè)備疊梁門、閘墩及進(jìn)水口邊墻上的動(dòng)水壓力測量采用中國水利水電科學(xué)研究院研制的DJ800型壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其量程為0.0～70.0 kPa，滿量程相對(duì)誤差0.1%；流量測量采用天津延輝儀表通訊有限公司研制的電磁流量計(jì)進(jìn)行測量，量程為0.0～1000.0 m3/h，測量精度為0.5%；進(jìn)水口段水頭損失中的測壓管水頭采用測壓排進(jìn)行測量，精度0.1 mm；疊梁門頂及攔污柵槽內(nèi)的流速分布采用荷蘭生產(chǎn)的P-EMS型電磁流速儀測量，量程為0.0～2.5 m/s，測量精度±0.001 m/s。

3 進(jìn)水口水流流態(tài)

進(jìn)水口不放置疊梁門，在最低發(fā)電運(yùn)行水位1634.00 m（進(jìn)口淹沒水深15 m）運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水口沒有產(chǎn)生漩渦吸氣的惡劣流態(tài)，能夠基本滿足電站正常發(fā)電引水的要求。進(jìn)水口設(shè)置2層、4層及6～12層疊梁門（每層疊梁門高度5 m）取水，三臺(tái)機(jī)組發(fā)電流量均為148.1 m3/s的運(yùn)行條件下：疊梁門頂水深在18.0 m以上時(shí)，電站進(jìn)口來流均較平穩(wěn)，疊梁門后基本無漩渦或僅出現(xiàn)較弱的表面小漩渦，來流能夠較為平順地經(jīng)疊梁門頂和豎向流道流入引水管道；疊梁門頂水深為13.8～15.0 m時(shí)，進(jìn)水塔2#和3#孔疊梁門下游閘墩后出現(xiàn)明顯較強(qiáng)的喇叭狀漩渦（照片1）；疊梁門頂水深為11.2～13.1 m時(shí)，流道內(nèi)出現(xiàn)不間斷吸氣漩渦，下游引水管內(nèi)觀測到氣泡吸入（照片2）；疊梁門頂水深為8.5～11.1 m時(shí)，疊梁門后呈臨界跌流形態(tài)；疊梁門頂水深越低，水流跌落程度越大，水面越紊亂，吸入下游管道的氣泡越多。

照片1 2#和3#進(jìn)水孔閘墩后漏斗漩渦

照片2 引水流道內(nèi)的氣泡

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)進(jìn)口疊梁門后通倉流道內(nèi)左、右兩側(cè)閘墩附近縱撐寬度為不對(duì)稱布置時(shí)，1#和2#進(jìn)水孔之間閘墩（縱撐寬度1.5 m）附近漩渦尺度及強(qiáng)度大于2#和3#進(jìn)水孔之間閘墩附近的漩渦（縱撐寬度3.0 m）。1#和2#進(jìn)水孔之間閘墩后縱撐寬度調(diào)整為3.0 m后，能消減閘墩后通倉流道內(nèi)的漩渦尺度及強(qiáng)度。進(jìn)水口通倉流道內(nèi)縱橫撐結(jié)構(gòu)有消渦和穩(wěn)定流態(tài)的作用，縱撐設(shè)計(jì)采用對(duì)稱布置形式對(duì)進(jìn)口水流流態(tài)更有利。

4 疊梁門體壓力分布

機(jī)組正常引水發(fā)電時(shí)，疊梁門下游側(cè)測點(diǎn)的時(shí)均壓力值及脈動(dòng)壓力均方根值見表2和表3，中孔及邊孔時(shí)均壓力分布圖見圖2和圖3所示。各組實(shí)驗(yàn)工況下沿中心孔和邊孔疊梁閘門下游側(cè)中心線的動(dòng)水壓力測點(diǎn)時(shí)均壓力值隨測點(diǎn)高程的降低而線性增大，時(shí)均壓力分布形狀與靜水壓力分布相似，相同高程不同部位測點(diǎn)的時(shí)均壓力值基本相同。同一測點(diǎn)隨上游水位升高其動(dòng)水壓力也相應(yīng)增大，壓力增大值與水深增加值接近。由此可見，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)作用于疊梁門上各測點(diǎn)的時(shí)均壓力主要取決于測點(diǎn)以上的水深。各組典型試驗(yàn)工況下，疊梁門下游側(cè)測點(diǎn)脈動(dòng)壓力的均方根值在0.19～3.07 kPa之間的較小值范圍內(nèi)。水流經(jīng)過疊梁門頂?shù)湄Q向流道后，疊梁門后水流紊動(dòng)較小，水流總體比較平穩(wěn)。

圖2 中心孔疊梁門體壓力分布圖

圖3 右邊孔疊梁門體壓力分布圖

表2 機(jī)組正常引水時(shí)疊梁門下游側(cè)測點(diǎn)的時(shí)均壓力值 （單位：kPa）

表3 機(jī)組正常引水時(shí)疊梁門下游側(cè)測點(diǎn)脈動(dòng)壓力均方根值 （單位：kPa）

5 疊梁門頂及豎向流道流速分布

對(duì)進(jìn)水塔中心線一側(cè)3孔疊梁門頂以上及相應(yīng)攔污柵槽位置不同高程位置流速分布以及邊孔和中心孔疊梁門后高程為1653.0 m和1644.0 m豎向流道流速分布進(jìn)行了測量分析。典型工況疊梁門頂、攔污柵槽及豎向流道的流速分布見圖4。

圖4 進(jìn)水口段攔污柵槽、疊梁門頂及豎向流道流速分布圖（6層疊梁門取水，水位1667.0 m）

由測量結(jié)果及圖4分析可知，同一組試驗(yàn)工況下，3孔攔污柵槽、疊梁門頂中心線處及不同高程豎向流道的流速分布規(guī)律及大小基本接近；不同取水工況下實(shí)測攔污柵槽的平均過柵流速在0.46～1.05 m/s之間，攔污柵過柵流速小于1.2 m/s，滿足 《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL285—2018）的相關(guān)要求；六層至十二層疊梁門取水工況下，疊梁門上方靠近疊梁門門頂部位的水流流速較大，實(shí)測最大水流流速在1.73～2.47 m/s之間。表層水流流速較小，且隨門頂水深增大而減小，流速值在0.5 m/s以下；疊梁門后不同高程豎向流道的水流流速分布接近于梯形，主流偏于進(jìn)水塔靠下游擋墻側(cè)，豎向最大流速值在2.36～2.91 m/s之間，豎向水流方向同一樁號(hào)位置測點(diǎn)的流速值相差大多小于10%。

6 進(jìn)水口段水頭損失

根據(jù)攔污柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙，攔污柵的縱橫梁支撐結(jié)構(gòu)以及單根柵條的寬度按照幾何相似采用不銹鋼條焊接而成，柵條的總數(shù)量與原型攔污柵的柵條數(shù)量相同，同時(shí)確保模型攔污柵條的阻水面積與原型相似。模型中以漸變段后1.5倍管道直徑處為參考斷面，測量了不設(shè)疊梁門和設(shè)置不同層數(shù)疊梁門情況下進(jìn)水口段（從攔污柵至漸變段末端）的總水頭損失，進(jìn)水口段的水頭損失（hj）按式（1）計(jì)算：

式中：H0為進(jìn)口上游庫區(qū)（0-0斷面）的測壓管水頭，m；Hi（i=1，2，3）分別為1#、2#和3#引水管道漸變段后參考斷面（1-1、2-2、3-3斷面）的測壓管水頭，m；V0、Vi分別為測量斷面的平均流速，m/s，其中進(jìn)口前0-0斷面的行進(jìn)流速忽略不計(jì)。根據(jù)式（1），取1-1、2-2和3-3斷面為參考斷面，1#、2#和3#機(jī)組進(jìn)水口段的水頭損失系數(shù)δ可按式（2）計(jì)算：

試驗(yàn)水體溫度約10℃，水體運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)1.306×10-6m2/s，以引水管道直徑作為特征長度?？刂漂B梁門頂以上水深不低于18.0 m，不同試驗(yàn)工況下進(jìn)水口段的水頭損失系數(shù)見表4。由測量結(jié)果分析可知：（1）攔污柵槽內(nèi)不放置攔污柵，電站正常發(fā)電運(yùn)行工況下，進(jìn)口不放置疊梁門時(shí)，三機(jī)聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行時(shí)進(jìn)水口段水頭損失系數(shù)的平均值為0.531。（2）進(jìn)水口放置疊梁門后的水頭損失相比不放置疊梁門時(shí)明顯增大，放置六層疊梁門時(shí)的水頭損失系數(shù)是不放置疊梁門時(shí)水頭損失系數(shù)的2.12倍；隨著疊梁門層數(shù)及高度的增加，進(jìn)水口段的水頭損失呈小幅度增大的趨勢。（3）三機(jī)聯(lián)合發(fā)電條件下，進(jìn)水口分別放置6、8、10、12層疊梁門運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水口段的平均水頭損失系數(shù)分別為0.833、0.864、0.896和0.930，進(jìn)口段的水頭損失分別為1.17 m、1.21 m、1.25 m和1.30 m。疊梁門每增加兩層（每層5 m高度），進(jìn)口段的水頭損失系數(shù)相對(duì)增加3.7%～4.6%。（4）相同試驗(yàn)工況下，將攔污柵放入攔污柵槽內(nèi)，實(shí)測攔污柵引起的局部水頭損失系數(shù)在0.033～0.051之間，攔污柵對(duì)進(jìn)水口總水頭損失的占比相對(duì)較小。

表4 進(jìn)水口段有無攔污柵水頭損失系數(shù)

7 結(jié)論

本文對(duì)大石峽水電站疊梁門分層取水進(jìn)水口水力特性進(jìn)行了1∶21.05的水工模型試驗(yàn)研究，量測和分析了對(duì)不同疊梁門高度取水時(shí)的進(jìn)水口的水流流態(tài)、疊梁門體的壓力分布、疊梁門頂及豎向流道的流速分布、進(jìn)水口段總的水頭損失系數(shù)，本項(xiàng)研究工作的主要結(jié)論如下：

（1）電站進(jìn)水口設(shè)置疊梁門取水后，疊梁門頂水頭在大于18 m情況下，進(jìn)口水流平順穩(wěn)定，水流從疊梁門頂經(jīng)兩次九十度轉(zhuǎn)彎進(jìn)入引水管道后，水流能迅速得到調(diào)整趨于均勻，且疊梁門結(jié)構(gòu)型式簡單，因而在進(jìn)口設(shè)置疊梁門實(shí)現(xiàn)分層取水的方案是可行的。

（2）機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，疊梁門體壓力分布近似靜水壓力分布，作用于疊梁門上的時(shí)均壓力主要取決于測點(diǎn)以上的水深，疊梁門后水流紊動(dòng)較小，脈動(dòng)壓力的均方根值小于3.5 kPa。

（3）攔污柵槽的平均過柵流速在0.46～1.05 m/s之間，滿足水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求。疊梁門頂上方靠近疊梁門門頂部位的水流流速較大，最大流速值在1.73～2.47 m/s之間。疊梁門后不同高程豎向流道的流速分布相似，最大值在2.36～2.91 m/s之間。

（4）攔污柵引起的局部水頭損失系數(shù)在0.033～0.051之間，攔污柵對(duì)進(jìn)水口總水頭損失的占比相對(duì)較小。不放置疊梁門時(shí)進(jìn)水口段的水頭損失系數(shù)為0.582，放置六至十二層疊梁門后，水頭損失系數(shù)從0.882增大到0.962，疊梁門每增加兩層（每層高度5 m），進(jìn)口段的水頭損失系數(shù)相對(duì)增加3.7%～4.6%，疊梁門對(duì)進(jìn)水口總水頭損失的占比相對(duì)較大。

（5）通倉流道進(jìn)水口縱橫撐結(jié)構(gòu)有消渦和穩(wěn)定流態(tài)的作用，縱撐設(shè)計(jì)采用對(duì)稱布置形式對(duì)進(jìn)口水流流態(tài)更有利。