抽水蓄能电站侧式进出水口体型优化模型试验研究

梅家鹏，聂思敏，王弘元

(1.华电电力科学研究院，杭州 310012；2.河海大学 水利水电学院，南京 210098)

在抽水蓄能电站的输水系统中，进出水口是很重要的组成部分，它具备双向流动的特点，比如下库在发电时为出水口，在抽水时变成进水口，上库则与下库相反[1,2]。进出水口是库区和输水隧洞连接的桥梁，从库区到输水隧洞逐渐收缩，包括拦污栅、导流墙等部分。如若进出水口体型设计不合理，很可能造成水流脱流、回流、流速分布不均匀、流量偏流、拦污栅震动、漩涡等不良流态。为了保障发电工况和抽水工况均能安全、经济、稳定运行，进出水口的体型设计研究显得尤为重要[3-6]。

1 工程概况

句容抽水蓄能电站站址位于江苏省句容市境内，距南京市约65 km、镇江约36 km、句容县城约26 km。本电站工程为一等大(1)型工程，枢纽建筑物包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞群和开关站等。输水系统位于仑山主峰的山体内，总长约1 368.3～1 403.4 m，其中引水系统总长约1 079.9～1 115.0 m，尾水系统总长约286.53 m。输水系统主要包括上库进/出水口、引水上平洞、引水调压室、引水竖井、引水下平洞、引水钢岔管、引水支管、尾水隧洞、下库进/出水口等。引水系统采用三洞六机的布置方式，平面呈“Y”形。引水上平洞采用平行布置，在上平段末端设置引水调压室，引水系统立面采用一级竖井布置，下平洞设三个钢岔管，钢岔管采用“Y”形，尾水系统采用单洞单机布置，平面呈直线且平行，尾水隧洞和下库进/出水口采用45°斜井连接。下库进/出水口位于下水库右岸一小山脊上，采用侧向岸坡塔式进/出水口。

2 模型试验设计

2.1 模型设计

单体模型分为原方案体型和优化方案体型。模型按重力相似准则设计，几何正态。试验几何比尺选用λL=40。相应的其他物理量比尺为：

水深比尺λH=40

流速比尺λV=400.5=6.325

流量比尺λQ=402.5=10 119.29

压强比尺λp/γ=40

糙率比尺λn=401/6=1.849

单体模型模拟下水库进出水口、斜井、闸门、尾水隧洞等建筑物，沿引渠来流方向模拟200 m左右，采取必要的整流措施，以保证试验范围内的水流条件相似。建筑物模型全部采用透明有机玻璃按图纸进行精确制作，引渠用水泥砂浆进行制作。单体模型布置见图1、图2和图3所示。为了保证与基本资料一致，将导流墩尾部断面桩号定为0+000.00 m。

图1 单体模型布置(整体)

图2 单体模型布置(局部)

图3 下库进出水口单体水工模型布置示意图

2.2 量测设备

模型试验由循环式供水系统供水。循环式供水系统由蓄水库、水泵房、平水塔、供水管及回水槽等组成。蓄水库容积2 000 m3，平水塔容积200 m3，塔内设置平水设施。模型中各水力参数由211工程三期升级改造的水工混合模拟系统进行控制和量测，该混合模拟系统可同时对模型供水流量、64点流速、32点水位以及8个口门进行同步实时跟踪测量及控制。

(1)流量控制及量测。模型进口流量利用电磁流量计控制和量测，精度为1%，并采用标准矩形薄壁堰进行校核，以保证流量的准确性。

(2)流速量测。模型流速采用光电旋桨传感器，配合计算机多点自动采集处理系统同步量测64点流速，局部测点用光电直读式流速流向仪量测。

(3)水位(水深)量测。水位观测同时由振动针式水位仪和水位测针进行观测，前者可与计算机连接，后者由人工测量，便于两者互相验证。水位测针读数精度可达0.1 mm。

2.3 测点布置

原方案单体模型布置了8个测流断面，用于观测进出水口的水流流态和流速分布。分别位于斜井上弯段(断面1，桩号0+082.97 m)、闸门井(断面2，桩号0+061.10 m)、扩散段入口(断面3，桩号0+048.89 m)、扩散段(断面4，桩号0+036.75 m；断面5，桩号0+026.25 m；断面6，桩号0+017.25 m)、拦污栅(断面7，桩号0+010.25 m)和渠道(断面8，桩号0-003.82 m)。各断面的测流垂线根据孔道宽度按1～4条确定，顺发电方向，孔道编号依次为1～4孔，流速测量断面及测点位置布置图见图4所示。修改方案单体模型流速测量断面及测点相对位置与原方案相同。

图4 测速垂线布置图

2.4 模型试验内容

模型试验中，首先分析了句容上库进出水口原设计体型在库水位分别为65.00、72.00和81.00 m时，各工况下的出口流速分布、流量分配和水头损失系数等水力特性。然后，在上述试验基础上对进出水口体型进行适当优化，进行进一步试验。通过试验结果，对比分析优化体型的结构改变对出流流态的影响情况。

3 实验结果分析

3.1 原设计体型试验

原设计体型的进出水口平面总扩散角为28.72°，立面扩散角度为5.71°，扩散段长为34.00 m，扩散段进口断面尺寸为6.80 m×5.30 m(高×宽)，拦污栅段长为10.80 m，防涡梁尺寸为l.50 m×1.20 m(高×宽)，净间距为l.35 m，拦污栅槽宽度为0.80 m。平方段水平长度为11.00 m，断面尺寸为6.80 m×5.30 m(高×宽)。平方段后接闸门井，闸门井后接直径为6.80 m的引水隧洞，之间有11.00 m长的方变圆的渐变段。

原体型各试验工况如表1所示。

表1 单体模型原体型各试验工况表

(1)进/出水口流量分配及流速分布。试验中观测到出水口流量分配总体呈现对称分布，中间两孔流量稍大，左右两边孔流量略小，最大流量比为1.08，流量分配合理，满足设计规范中流道比小于1.1的要求；进水口流量分配总体呈现对称分布，中间两孔流量稍小，左右两边孔流量略大，最大流量比为1.08，流量分配合理，满足设计规范中流道比小于1.1的要求。各工况各孔流量比见表2(表中流量比定义为各孔过流流量与平均流量之比)。

表2 原方案各工况各孔流量比

表3给出了各工况下拦污栅断面的流速不均匀系数。由表中数据可知，发电工况最大流速不均匀系数为2.12，超过设计标准；抽水工况最大流速不均匀系数为1.38，满足流速不均匀系数不超过1.5的规范要求(表3中流速不均匀系数定义为最大流速与平均流速之比)。

(2)进/出水口水头损失。表4给出了各工况进出水口至引水隧洞各段水头损失系数，具体是进出水口段和弯管段的水头损失系数。各发电工况的各段水头损失系数相近，进出水口段水头损失系数平均值为0.653(其中，各发电工况闸门井段、扩散段、拦污栅段水头损失系数平均值分别为0.241、0.399、0.011)，弯管段水头损失系数平均值为0.366。各抽水工况的各段水头损失系数相近，进出水口段水头损失系数平均值为0.379(其中，各抽水工况闸门井段、扩散段、拦污栅段水头损失系数平均值分别为0.152、0.203、0.022)，弯管段水头损失系数平均值为0.622(为便于统一比较，表中水头损失系数λ以隧洞顺直段内的断面平均流速V为基准，λ=Hf/(V2/2g)，Hf为总水头损失数值)。

表3 原方案各工况拦污栅断面各孔流速不均匀系数

表4 原方案各工况水头损失系数

3.2 优化体型试验

试验表明原体型进出水口体型基本可行。但是由于顶板扩散角的影响，原方案体型在各发电工况下扩散段出口顶部存在反向流速。这导致拦污栅断面的最大流速不均匀系数为2.18，超过设计要求。

图5 原体型发电工况下进出水口顶板流态(侧视图，发电工况2，水位：72 m)

为了获得更为良好的进出水口的水流流态，解决原体型中扩散段出口底、顶层流速过低和局部有阵发性回流的问题，在前述试验的基础上将原体型进出水口的出口高度由10.2 m降低到9.2 m，使得顶板扩散角由原方案5.71°变为4.04°。

原体型的模型试验表明库区水位对进出水口各孔道流量比、流速分布、水头损失等影响不大，故优化体型单体模型试验取正常蓄水位72.0 m的运行工况进行研究。

(1)进/出水口流量分配及流速分布。试验中观测到发电工况流量分配总体呈现对称分布，中间两孔流量稍大，左右两边孔流量略小，最大流量比为1.07，流量分配合理，满足设计规范中流道比小于1.1的要求；抽水工况流量分配总体呈现对称分布，中间两孔流量稍小，左右两边孔流量略大，最大流量比为1.08，流量分配合理，满足设计规范中流道比小于1.1的要求。各工况各孔流量比见表5(表中流量比定义为各孔过流流量与平均流量之比)。

表5 优化方案各工况各孔流量比

进/出水口流速分布较原方案相比有所均化。从垂线上来看，各孔流速分布总体为中下部大，顶部及底部小，各断面无反向流速。由于水流紊动的不确定性，扩散段顶部局部区域偶尔可见回流，但存在时间短、强度小，对出流影响不明显。从水平上来看，两边孔靠近中孔流速大，远离中孔流速小，两中孔中间流速大，两侧流速小。抽水工况下，进水口附近流态平顺，上方水面平稳，未见明显凹涡。垂线方向上流速分布中下部较大，底部和顶部略小。水平方向上流速分布均匀。

表6给出了各工况下拦污栅断面的流速不均匀系数。由表6中数据可知，发电工况最大流速不均匀系数为1.62，满足规范要求；抽水工况最大流速不均匀系数为1.28，满足规范要求(表6中流速不均匀系数定义为最大流速与平均流速之比)。

表6 优化方案发电工况拦污栅断面各孔流速不均匀系数

(2)进/出水口水头损失。表7给出了各工况下出水口至引水隧洞各段水头损失系数，具体是进出水口段和弯管的水头损失系数。发电工况进出水口段水头损失系数平均值为0.662(其中，闸门井段、扩散段、拦污栅段水头损失系数分别为0.261、0.387、0.013)，弯管段水头损失系数为0.415。抽水工况进出水口段水头损失系数为0.360(其中，闸门井段、扩散段、拦污栅段水头损失系数分别为0.143、0.192、0.025)，弯管段水头损失系数为0.430。(为便于统一比较，表7中水头损失系数λ以隧洞顺直段内的断面平均流速V为基准，λ=Hj/[V2/(2g)]，Hj为总水头损失数值)。

表7 优化方案各工况水头损失系数

4 结 语

进出水口单体模型试验表明，优化体型降低了扩散段出口高度，缩小了立面扩散角，扩散段水流流态较原方案得到有效改善，两者的主要试验结果对比见表8。主要结论有。

表8 原体型与优化体型的主要试验结果对比

(1)原方案与优化方案各工况下，流道比均能满足0.9～1.1的控制标准；原方案各发电工况下各流道垂线不均匀系数都接近甚至超过了流速不均匀系数不大于2的控制标准，体型优化后，发电工况最大垂线流速不均匀系数为1.62，水流平顺程度有了较大程度的改善，满足设计要求。

(2)原方案抽水工况下平均水头损失为0.379，优化方案抽水工况下水头损失为0.360；原方案发电工况下平均水头损失为0.653，优化方案发电工况下水头损失系数为0.662，体型优化前后，各工况下水头损失系数变化不大。

(3)体型优化后，扩散段近壁局部区域阵发性回流较原体型明显减弱，发生区域缩小，存在时间缩短，水流扩散较好。综上所述，进出水口的体型对扩散流动有明显影响，体型优化后的水流特性好于原体型。

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[1] 陆佑媚,潘家铮.抽水蓄能电站[M]. 北京：水利电力出版社,1992.

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