某水电站工程尾水渠扩散段水力优化研究

王二平, 朱瑞平, 张 欣

(华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450045)



某水电站工程尾水渠扩散段水力优化研究

王二平, 朱瑞平, 张 欣

(华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450045)

某水电站尾水渠扩散段在工程设计时为提高过流能力,实现尾水洞出口断面低水位运行,采取较大扩散角的布置形式.模型试验表明:设计方案下扩散段流态紊乱,过流能力较低.先后采取在扩散段设置控导流设施、减小扩散段的扩散角、调整闸室位置与修改闸室及上、下游连接段体型等3种修改方案进行试验研究.其中第3种修改方案较好地顺应了水流的流动特性,尾水渠各流段流态平顺,过流能力相对较强,实现了尾水洞出口断面较低水位运行；同时节省工程量,基本达到预期效果.该水力优化措施已应用于工程设计.

尾水渠;扩散段;扩散角；水力优化；水流流态;水面线;导流墩

在输水渠道中,当相邻两段渠道的断面不同时,常采用扩散段进行衔接过渡.合理地选取扩散段的扩散角度对保证水流平顺过渡至关重要.若扩散角度选取不合理,不适应扩散水流的流动特性,有可能出现边界层分离、折冲水流等不利流态,降低过流能力,抬高渠道的水面线，与设计预期的效果相差甚远[1].笔者以某典型水电站尾水渠工程设计为例,借助物理模型试验进行尾水渠扩散段的水力优化研究.

1 某水电站工程尾水渠设计

某典型水电站总装机容量1 500 MW,机组安装高程为611.10 m[2].水轮机泄水流经493 m长的尾水洞后,经尾水渠扩散段、闸室段及尾水渠段泄入下游河道.由于机组安装高程与下游河道尾水位的高差不大,为了保证电站出力,设计要求尽可能降低尾水洞出口水位,以保证机组安装高程到机坑水面的净空高度不小于3.2 m,同时避免尾水洞出现明、满流交替现象.当汛期下游河道出现高水位、机坑水面以上净空高度不满足要求时,则施加高压气体使水面下落,以保证机组正常发电.对此，尾水渠的设计方案如图1所示.

图1 尾水渠设计方案(单位:m)

工程设计中,尾水渠扩散段长18 m,单侧扩散角为30.25°,以期获得较大的过流能力,降低尾水洞出口水位,减少汛期河道高水位时对机坑实施压气的时间.扩散段下游与四孔闸室相衔接,闸室下游为10 m长的矩形断面过渡段,之后接122 m长的尾水渠段泄水入河道.其中扩散段、闸室段及过渡段的底板为平坡,底板高程为598.5 m;尾水渠段纵坡为逆坡，其坡度i=- 0.024,出口高程为601.41 m.由于设计方案下尾水渠扩散段采用的扩散角较大,能否达到预期效果,需要通过模型试验进行检验.

2 设计方案下尾水渠扩散段流态及沿程水面线

模型试验中,需进行包括尾水渠扩散段及其下游渠道过流区域在内的单体模型试验,重点研究扩散段及其下游流段的水流流态及过流能力,验证设计方案的可行性与实际效果,并针对存在的问题提出优化措施.单体模型的几何比尺为1∶40.

根据水电站机组运行时的泄流量及下游河道断面出现的特征水位进行放水试验.其中机组满发设计流量为278.4 m3/s,下游河道断面正常水位为603.65 m,正常高水位为607.83 m.试验表明,当水流从尾水洞进入扩散段时,因扩散角过大,水流未能扩散到整个边界而形成边界层分离现象:沿两侧边墙附近出现较强的回流区,且回流区大小及位置具有不确定性,当下游河道断面为正常水位603.65 m时,回流最宽处为3～4 m.两侧的回流挤压出洞水流,使其集中流向中间两个闸孔.过闸室后水流基本沿过渡段中部流动,未能全断面过流.至尾水渠段过水断面为梯形,过流宽度进一步增大,尽管设置了长16 m的渐变段,水流仍难以扩散到整个过流断面.在过渡段至尾水渠上游段之间的左、右岸形成范围较大的弱回流区,单侧回流区长24～30 m,宽7～9 m,如图2所示.

图2 设计方案下尾水渠流态图

在流态观测的同时,对尾水洞出口及下游各观测断面的水深进行了量测,得到如图3所示的沿程水面线.

图3 设计方案下尾水渠沿程水面线

由图3可知，尾水渠扩散段流态不满足要求.由于回流区漩涡挤压过流宽度,将导致过流能力降低,试验测得的尾水洞出口水位必将高于设计期望的较低值,设计方案未能达到预期效果.因此,为了改善尾水渠扩散段流态,降低尾水洞出口水位,必须对扩散段采取修改措施.项目组先后提出了3种修改方案.

3 尾水渠扩散段修改方案及试验成果

3.1 在扩散段设置导流墩的方案

从干预水流促使其沿扩散段两翼流动的角度考虑,提出在扩散段设置导流墩的修改方案,以期通过导流墩的控导作用促使水流产生适度的横向扩散流动,从而达到预期目的.

3.1.1 导流墩体型设计与布置

为了达到控导效果,导流墩的几何形状、尺寸大小以及在扩散段的相对位置与水流条件要满足一定的制约关系.同时在干预控导水流的过程中,导流墩对水流产生的附加阻力应尽可能较低.借鉴类似的工程经验[3],拟采用平面上呈八字形的导流墩.初步拟定导流墩单侧墩体厚1.0 m,高6.5 m,迎流面呈倾斜状,迎流角为半径3.5 m的尖圆角,以减小水流阻力与壅水高度;同时将墩体上游段设计为实体墩,下游段为间隔断开1.0～1.6 m的间断体,利用墩体断开空间的连通作用,使墩体两侧水流的动量能够相互交换,平衡由于导流作用不均衡所产生的动量差,使过流断面动量分布趋于均匀.导流墩实体段与断开段的长度及其分布设计,需根据控导水流的效果,通过对比试验加以确定.

共选取了3种不同墩体长度及虚实分布的导流墩设计方案,分别进行不同布置方案的对比试验.最终确定的导流墩设计方案为立面上呈梯形,梯形底全长12.0 m,梯形顶全长9.0 m,下游段按1.6 m 和1.4 m间隔断开;其他尺寸不变.导流墩体型尺寸如图4所示.该导流墩在平面布置上单侧墩体轴线与来水流向的夹角β为21.37°,八字形墩体上游端开口间距为4.5 m,墩体首端距扩散段起始端的距离为2 m.导流墩布置如图5所示.

图4 导流墩体型设计图(单位:m)

图5 导流墩布置图(单位:m)

3.1.2 导流墩方案下尾水渠水流流态及水面线

根据确定的导流墩体型设计及布置方案进行放水试验.在试验中看到,水流从尾水洞进入扩散段后,在导流墩的控导下,分成3股流向闸室.其中,中间股水流流向中间两闸孔,两侧股水流沿着接近导流墩轴线方向分别流向两边闸孔.在水流流经导流墩后半段、通过墩体间的空隙时，水流动量有所交换,流向有所调整.在低尾水位时,扩散段内的流态得到明显改善,回流区消失,水流平顺地进入闸室段,两边孔的过流能力得到加强.在高尾水位时,导流墩被淹没,导流墩的控导作用有所减弱,流经扩散段两侧的流量有所减少,但扩散段流态基本正常,未出现回流区等不利流态.由于4个闸孔均有流量通过,基本消除了尾水渠上游渐变段处的回流区.

通过对尾水洞出口及下游各观测断面的水深进行量测,得到沿程水面线如图6所示.从图6可以看出,导流墩方案有效降低了主洞出口水位及扩散段沿程水面线,如主洞出口水位在正常尾水位和正常高尾水位时分别降低了0.18 m与0.07 m.

图6 导流墩方案下尾水渠沿程水面线

虽然导流墩修改方案能有效降低尾水洞出口水位及扩散段水面线,但降幅是否为可能的较大值,即尾水洞出口断面水位是否为可能出现的较低值,由于缺少比较方案,这里还无法作出评判.

3.2 减小扩散段扩散角的方案

第2种修改方案为减小扩散段单侧扩散角方案.该方案保持扩散段长度不变,将下游四孔闸改为两孔闸,取消两边孔,使闸室宽度缩小为原来宽度的1/2,此时扩散段单侧的扩散角为5.71°.闸室段宽度减小后其下游过渡段变为扩散段，并与尾水渠段连接.由于尾水渠纵坡为逆坡且坡度较大,为避免增大渠道纵坡使水流产生横轴漩涡而影响过流能力,保持其坡度值不变,过渡段及尾水渠长度仍取设计值,其中过渡段长10 m,单侧扩散角为40°.该修改方案(这里称之为两孔闸方案)如图7所示.

对该方案进行试验看到,水流从尾水洞流出，先后经过两级扩散流入下游河道.由于降低了闸室上游扩散段的扩散角,水流流经该流段时未出现边界层分离现象,水流沿边界自然扩散,流态较为顺畅.流经闸室段时通过两闸孔的流量也基本均衡.但当水流流入闸室过渡段时,由于过渡段扩散角偏大,仍出现了边界层分离现象,过渡段两侧的回流区一直延伸到尾水渠渐变段下游断面.该方案的沿程水面线如图8所示.

图7 两孔闸方案尾水渠模型布置图(单位:m)

图8 两孔闸方案下尾水渠沿程水面线

由图8可以看出,该方案的扩散段沿程水面线不仅低于设计方案,也低于导流墩修改方案.如在正常尾水位和正常高尾水位情况下，主洞出口水位较设计方案分别降低了0.27 m与0.13 m，较导流墩方案分别降低了0.09 m与0.06 m.分析试验结果可知,减小扩散段的扩散角可使水流沿边界自然扩散,通过改善流态能够有效降低水流流经扩散段时的流动阻力, 使过流能力显著提高[4], 不仅超过设计方案，也优于导流墩方案.同时也说明，顺应扩散水流流动特性进行扩散段体型修改优于采取人为干预水流的工程措施.因为导流设施在干预控导水流的过程中不可避免地会产生附加阻力,该阻力通过影响流速而降低过流能力[5].

尽管本修改方案使尾水洞出口水位显著降低且优于导流墩方案,但在闸室下游段两侧仍存在较大的回流区,该回流漩涡虽然强度较弱但范围较大,对过流仍有挤压作用而影响水流通过.另外，在两种尾水位情况下,尾水洞出口及下游各断面水流均为缓流,该处水流受到的挤压作用必将或多或少地影响到闸室上游扩散段[6]的过流,导致尾水洞出口断面水位抬升.故该方案仍需要修改.

3.3 上移闸室位置及修改闸室设计,降低闸室上下游连接段扩散角的方案

基于对以上试验方案成果的分析,同时结合尾水洞出口附近及下游各个流段的地形、地质条件与结构设计的可行性,项目组提出了第3种修改方案,如图9所示.

图9 单孔闸方案尾水渠模型布置图(单位:m)

将闸室位置上移至尾水洞出口处,以增加闸室下游扩散段的长度,降低扩散角;同时改多孔闸为单孔闸,以消除闸墩对水流产生的阻力影响,并进一步降低上游连接段的扩散角.闸室修改后,闸孔净宽为12 m,上游设20 m长连接段,闸室段长度为9.2 m,扩散段单侧的扩散角降低到11°.由于下游尾水渠为逆坡渠道,为了便于水流扩散,降低流动阻力,使扩散段沿平坡增加长度,同时不增大尾水渠纵坡[7],故通过上移闸室位置来实现.

模型修改后的试验表明,由于降低了闸室下游扩散段的扩散角,水流通过时沿扩散段边界均衡扩散,未出现边界层分离现象.在两种尾水位条件下,尾水洞泄流从出口至下游河道的各个流段均过渡平顺,衔接顺畅.

该方案的沿程水面线如图10所示.可以看出，扩散段沿程水面线相对最低,实测结果与理论分析基本一致.在两种尾水位情况下主洞出口水位比两孔闸修改方案分别降低了0.12 m与0.06 m.试验成果基本达到了预期目的,同时能够节省工程量,该修改方案得到了工程设计方的认可.

图10 单孔闸方案下尾水渠沿程水面线

4 结 语

针对某水电站尾水渠扩散段设计方案存在的水力学问题,通过模型试验分析比较了3种修改方案的实际效果,第3种修改方案的尾水洞出口断面运行水位相对最低,能够保证水电站汛期运行期间对其实施压气措施的时间相对最短,该修改方案已应用于工程修改设计.在此过程中有以下认识.

1)在明渠扩散段设计中,为实现水流均衡扩散、平顺过渡,扩散角的选取应不大于水流沿边界流动的自然扩散角,以避免水流产生边界层分离现象.

2)设计中若由于某种原因不得已采取较大扩散角时,可采用分导流设施控导水流扩散,使流态得以恢复.但控导设施在扰动水流的过程中不可避免地产生附加阻力,造成过流能力的部分损失,故选择分导流设施时应权衡利弊.

[1]孙东坡,李林昊,赵宝帅,等.明渠扩散段急流运动特性及调控方法研究综述[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2014,35(4)：1-6.

[2]李国庆,王二平.厄瓜多尔CCS水电站尾水洞水力学模型试验报告[R].郑州:华北水利水电学院,2012.

[3]王二平,方进,金辉.导流墩在电厂循环水流道中的应用研究[J].中国农村水利水电,2011(5):141-144.

[4]夏震寰.现代水力学[M].2版.北京:高等教育出版社,1990.

[5]李君涛,张公略,冯小香.导流墩改善口门区水流条件机理研究[J].中国港湾建设,2011,173(2):1-3.

[6]吴持恭.水力学[M].4版.北京:高等教育出版社,2008.

[7]宁利中.急流扩散段冲击波的水力计算问题[J].西北水力发电,2004,20(3):2-4.

(责任编辑：陈海涛)

Hydraulic Optimization Research for Diffusion Section of Tailrace in a Hydropower Station

WANG Erping, ZHU Ruiping, ZHANG Xin

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045， China)

In order to improve the flow capacity, and make the outlet section of tailrace tunnel operating with low water level, the diffusion section of tailrace in a hydropower station was arranged the layout with large diffusion angle. The results from model experiments show that the diffusion section has disordered flow regime and low flow capacity. Then we designed three modified schemes, namely setting up control and diversion facilities and reducing the diffusion angle in the diffusion section, changing the location and shape of the lock chamber and modifying the figure of the connected section between upstream and downstream, and researched the flow capacity under three modified schemes by experiments. The experimental results show that the third scheme better conforms to the characteristics of water flow, the flow regime remains steady in every sections of the tailrace, the flow capacity is relatively strong, the outlet section of tailrace tunnel is realized to operate with lower water level. In addition, this scheme reduces the workload and basically achieves the expected results. This hydraulic optimized measures have already been applied to practical engineering design.

tailrace; diffusion section; diffusion angle; hydraulic optimization; water flow regime; water surface curve; diversion pier

2014-11-07

国家自然科学基金资助项目(50779019).

王二平(1960—),男,河南郑州人,教授,主要从事水力学与河流动力学方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.004

TV731

A

1002-5634(2015)01-0016-05