乐昌峡水电站进水口水力模型试验研究

黄智敏，何小惠，钟勇明，陈卓英，付 波

(广东省水利水电科学研究院 广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510610)

1 前 言

乐昌峡水利枢纽工程位于广东省乐昌市境内的北江一级支流武水乐昌峡河段内，是一以防洪为主，结合发电、灌溉、供水、改善航运等综合利用的大型水利枢纽工程。枢纽工程电站引水系统布置在挡水大坝的左侧，主要由电站进水口、引水隧洞、厂房、尾水隧洞、出水口等建筑物组成(见图1)。电站安装3台水轮发电机组，总装机容量为132MW，发电设计流量为3×118.04m3/s。

乐昌峡水利枢纽工程为Ⅱ等大(2)型工程，枢纽工程的设计洪水位为162.2m，正常蓄水位154.5m，汛限水位144.5m，极限死水位138.5m。在枢纽工程电站引水系统的初步设计阶段，电站进水口进行了两种布置方案的水力模型试验比较，模型按重力相似律设计为正态，几何比尺Lr=60。本文介绍电站进水口两种布置方案的水力模型试验研究成果。

图1 乐昌峡水利枢纽工程平面布置

2 进水口方案1试验

2.1 方案布置

电站进水口位于坝轴线上游约200m的左岸处，三台机组的三个进水口并排布置，各机组隧洞中心线间距为21.5m，引水隧洞直径为6.2m。

方案1电站进水口为侧式进水口，三台机组进水口体型相同，进水口进口底板高程为124.9m，进水口段由渐缩段和闸门井段组成，长度为31.7m。进水口体型尺寸(见图2):

(1)电站进水口前沿进水渠底高程为124.9m，底宽为64.5m。各进水口渐缩段进口断面设分流墩分为2孔，每孔孔口净宽8.6m、高8.2m，分流墩厚1.3m;进水口前缘布置有一道拦污栅。

(2)各进水口渐缩段为2孔方形钢筋混凝土结构，长度18.5m;各渐缩段平面以直线形式渐缩至1孔，渐缩段平面总收缩角42.05°;立面顶部由进口高度8.2m收缩至末端6.2m，收缩角为6.71°。

(3)进水口渐缩段下游接闸门井段，闸门井为明露塔式结构，过水断面为6.2m×6.2m矩形断面，设有一道事故闸门和一道检修闸门，闸门井顶部高程为163.7m。闸门井段下游接方变圆管段，方变圆管段下游接弯管段与引水隧洞连接。

2.2 进水口入流漩涡及防涡工程措施

2.2.1 进水口入流漩涡形态

图2 电站进水口方案1布置(m)

在发电设计流量(Q=3×118.04 m3/s)运行时，库水位从高水位162.2m开始下降，1～3号机组进水口水面出现较大范围的顺时针旋转环流;库水位降至约150.0m时，进水口水面环流范围和强度逐渐增大，并出现凹陷漏斗状漩涡，尤其是1号机组进水口水面漩涡状况较为明显，漩涡直径约1.5～2.0m，此现象直至库水位降至极限死水位138.5m以下才消除。

为了避免进水口产生漩涡吸气引起隧洞及机组产生振动等，有必要采取防涡消涡的工程措施。

2.2.2 防涡工程措施及运行流态

参考国内外有关电站进水口防涡工程措施［1－4］，经试验比较，得出方案1进水口的防涡梁布置和体型见图3:进水口进口前缘上方布置3道防涡梁，防涡梁高2.2m、宽1.6m，3号防涡梁与进水口上盖板横梁的间距为1.4m，其余各道防涡梁间距为1.3m，防涡梁顶部高程为137.1m。

2.2.3 进水口运行流态

进水口设置防涡梁后，在发电设计流量运行时，进水口水面较平静和平稳，进水口(1～3号机组)水面出现顺时针旋转的环流。当库水位Z＜150.0m运行时，各机组进水口水面偶尔出现游动性小漩涡，无较明显的凹陷漩涡出现。

2.2.4 模型进水口入流漩涡相似问题

图3 方案1—电站进水口防涡梁布置(m)

由于模型进水口水流的雷诺数Re比原型工程水流雷诺数小L1.5r倍，模型水流的粘滞力和表面张力比原型工程水流相应要大，因此按重力相似律设计的进水口模型的入流漩涡状况与原型工程并不完全相似，模型比尺Lr越大，相似性越差。目前，国内外较普遍采用加大进水口模型试验的流量，使进水口模型的雷诺数Re达到或超过某一临界值(见表1)，以防不测。

方案1进水口在发电设计流量运行时，其Re(Re=VD/υ，V为进水口入流平均流速，D为进水口进口高度，υ为水流运动粘滞系数)原型值约7.5×106，模型值约1.6×104，明显小于表1中有关专家和学者建议的临界值。因此，模型进水口施放了3倍发电流量(Q=3×3×118.04m3/s)运行的试验，模型进水口入流的Re约4.8×104，可达到众多学者提出的模型Re数临界值的要求(见表1)。

进水口施放3倍发电设计流量运行的试验表明，在各级库水位运行条件下，各机组进水口水面的环流范围和强度略增大，各机组进水口水面出现凹陷小漩涡，但没有形成较明显的漏斗状漩涡。

表1 电站进水口雷诺数Re比较

2.3 进水口前沿库区流态和进口流速分布

电站进水口前沿区域来流较平顺，水流较平稳，无较明显偏流和回流区。各进水口通道的入流流速分布较均匀，流态良好。

2.4 进水口段水头损失

电站进水口段水头损失可采用式(1)～(2)计算:

式中 hj——进水口段水头损失，m;

H0——库水位，m;

Hi——管道量测断面测压管水位，m;

V——管道量测断面平均流速，m/s;

α——断面流速分布系数，取α=1。

经测试和计算，进水口段(包括进口渐缩段、闸门井段、方变圆管段等，总长度41.7m)的水头损失值为0.18m，水头损失系数η为0.22。可见，方案1电站进水口的水头损失较小。

3 进水口方案2试验

3.1 方案布置

为了满足工程区域河流生态的要求，电站进水口应尽量引取水库上层水温较高的水体，经发电后输回到下游河道。因此，工程设计将电站进水口的体型修改为(见图4):

(1)电站进水口的位置和进洞点与方案1相同，进水口段由隔水门段、进水口闸门井段、方变圆段三部分组成。

(2)进水口底高程仍为124.9m。隔水门段(桩号0－031.7～0－014.8)主要由闸墩、拦污栅、隔水门等组成，每台机组的隔水门段分为两孔，每孔净宽8.6m。进水口闸门井段为方形管段(桩号0－014.8～0+000)，进口断面高度为10m，进口断面顶盖板由1/4椭圆曲线渐缩为进口高度6.2m(桩号0－009.8);进口断面左、右两侧墙采用半径2.48m的1/4圆弧曲线连接。

图4 电站进水口方案2布置(m)

3.2 进水口运行方式

(1)当水库蓄水至死水位141.5m时，电站开始取水发电。在汛期，当库水位上升至汛限水位144.5m时放下隔水门，隔水门顶高程为135.4m，每孔设置有3块隔水门板，每块高度3.5m。电站取表层水发电，直至水库蓄水至正常蓄水位154.5m;当库水位由正常蓄水位降至汛限水位时，隔水门顶高程维持为135.4m不变。

(2)当库水位由汛限水位144.5m下降至死水位141.5m的过程中，将隔水门逐块吊起，保持隔水门顶有9～10m水深运行，以降低隔水门顶上的入流流速。

3.3 进水口入流漩涡及防涡工程措施

3.3.1 进水口入流漩涡

(1)三台机组满发运行时(Q=3×118.04 m3/s)，放下隔水门，库水位从高水位162.2m开始下降，右侧1号机组进水口右侧库区来流绕其右边墩进入进水口右侧通道，1号机组进水口右通道(即隔水门段右边孔)水面出现较明显的漏斗状漩涡，漩涡直径约2.0～2.5m;2～3号机组进水口水面出现较明显的环流和凹陷小漩涡，但没有出现较明显的漏斗状漩涡(见图5)。

图5 进水口入流漩涡和环流示意

(2)当库水位Z＜144.5m运行时，将隔水门逐块吊起(保持隔水门顶上入流水深h≥9m)，各机组进水口水面出现环流，水面出现游动性凹陷小漩涡，漩涡直径约1.0m，此现象直至库水位降至极限死水位138.5m以下。

3.3.2 防涡工程措施及运行流态

经多方案试验比较之后，得出方案2电站进水口防涡梁的布置为:(1)各机组进水口的各通道进口前缘上方设置二道水平防涡梁，防涡梁高2.0m、宽1.6m，梁顶高程为138.0m，防涡梁的间距为1.3m;(2)在1号机组隔水门段右通道的拦污栅槽与隔水门槽之间上方设置三道防涡横梁，防涡横梁高2.0m、宽1.2m，各防涡横梁高度间隔为1.2m，防涡横梁布置的高程范围为154.0～145.6m(见图6)。

由表1可见，在发电设计流量运行条件下，方案2进水口模型雷诺数Re约4.5×104，比方案1进水口模型雷诺数明显增大，因此，对方案2进水口进行了增大1倍设计流量运行的试验。发电设计流量和2倍发电设计流量(Q=2×3×118.04m3/s)的运行试验表明:

(1)在库水位Z=162.2～145.6m运行时，1号机组进水口右通道(右边孔)水面环流中心偶尔出现游动性凹陷小漩涡，漩涡直径0.8～1.0m，环流在两门槽之间的防涡横梁阻隔作用下，无法形成漏斗状漩涡;2～3号机组进水口水面出现以顺时针方向旋转为主的环流。

(2)在库水位Z=145.6～144.5m运行时，各机组进水口正向入流流速相应增大，1号机组进水口右通道入流受右边墩的影响作用减小，水面环流减弱，各机组进水口水面出现游动性凹陷小漩涡，漩涡没有出现漏斗状和串通。

(3)当库水位Z＜144.5m运行时，将隔水门逐块吊起，保持隔水门顶上入流水深h≥9m，各机组进水口水面出现较明显环流和游动性凹陷小漩涡，但漩涡没有出现漏斗状和串通，此现象直至库水位降至极限死水位138.5m以下。

因此，电站进水口设置了防涡梁之后，不会出现有害的吸气漩涡，工程运行是安全的。

图6 电站进水口方案2防涡梁布置(m)

3.4 进水口前沿库区流态和进口入流流速分布

(1)当库水位Z≥144.5m运行时，各隔水门孔和进水口进口断面的垂线流速分布较均匀。汛限水位144.5m运行时的隔水门顶和进水口进口断面流速分布见图7。由图7可见，各隔水门顶垂线流速分布的特性为面流速小、底流速大，流速值约为0.7～1.2m/s;各进水口进口断面入流的各垂线平均流速约2.7～3.0m/s。

(2)在库水位Z＜138.5m运行时，吊起隔水门，各隔水门孔入流较均匀，流速降低;各进水口进口断面的流速分布特性与汛限水位(144.5m)运行的流速分布相近。

3.5 进水口段水头损失

电站进水口段设置了隔水门，进水口段水头损失值与库水位Z有关。经测试和计算，有、无隔水门的进水口段(桩号0－031.70～0+010)水头损失hj与库水位Z关系见图8。试验表明:

(1)在设置隔水门条件下，电站进水口段的水头损失比无隔水门工况运行的水头损失增大，如隔水门顶水深h分别在4.6m和3.1m运行时，进水口段的水头损失值分别为1.12m和2.45m;在隔水门顶水深h≥9m的运行条件下，进水口段的水头损失值hj＜0.4m。因此，在工程实际运行中，应尽量保持在隔水门顶水深h≥9m的条件下运行。

(2)在无隔水门运行条件下，电站进水口段的水头损失hj＜0.4m，水头损失值相应较小。

4 结束语

(1)本文对乐昌峡水利枢纽工程电站进水口的两种布置方案进行水力模型试验，提出了改善进水口运行流态、入流漩涡、水头损失等的工程措施和方法，优化了进水口体型。

图7 电站进水口垂线流速分布

图8 电站进水口段水头损失hj—库水位Z关系

(2)试验研究表明，方案1进水口的进口入流流速、水头损失均较小，水力特性较优，由于无法取用水库上层水温较高的水体，不能满足河流生态的要求;方案2进水口设置了隔水门段之后，发电取水可满足河流生态的要求，但其进水口段水头损失相应增大。本文对方案2进水口水头损失的影响因素和变化规律进行试验研究及分析，提出了减少电站进水口水头损失的运行措施。

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