两河口水电站叠梁门分层取水进水口水力特性研究

王 川，潘 露，蒲云娟，叶 茂，吕海艳

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.四川水利职业技术学院， 四川 成都 610072)

两河口水电站叠梁门分层取水进水口水力特性研究

王 川1，潘 露2，蒲云娟1，叶 茂1，吕海艳1

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072； 2.四川水利职业技术学院， 四川 成都 610072)

本文以两河口水电站分层取水口为例，通过水工模型试验，对叠梁门进水口水力特性进行研究。试验结果表明，当叠梁门顶水深超过20 m时，进水室内可保持良好的水流流态，且无有害漩涡出现，进水口的水头损失系数在0.56～0.65之间，其变化与叠梁门的总高度呈正比关系，叠梁门顶部的流速垂线分布均呈下大上小的形态，另外，在运行机组左右两侧相邻2个及以上机组段同时放置叠梁门可保证下泄水流均为库区叠梁门高程以上水体。

分层取水进水口；叠梁门；水工模型试验；水力特性

0 前 言

大型水库坝前水温呈现出明显的分层现象，水库下层水体常年维持在较稳定的低温状态，由于电站进水口高程一般较低，发电时下泄的低温水将对下游河道生态环境造成不利影响[1]。在进水口前设置叠梁门进行分层取水是缓减下泄低温水体的有效措施[2]。但加设叠梁门后，进口水流近似淹没薄壁堰流，水流经拦污栅、叠梁门顶进入竖向流道，水流边界条件复杂，从而派生出一系列新的水力学问题[3]。目前，国内外在电站进水口前设置叠梁门的设计经验不多，运行经验更少，其相关水力特性还有待进一步研究。本文结合两河口水电站分层取水进水口水工模型试验，对进水口水流流态、水头损失系数、流速分布、水流动规律等水力特性进行研究，研究成果以供有关工程设计和运行管理参考。

1 工程概况及模型设计

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，为雅砻江中、下游的“龙头”水库。电站进水口型式采用岸塔式，采用“单机单管供水”及“三机一室一洞尾水”的布置格局。厂房6孔进水口呈“一”字型布置，塔体前缘总宽度159.8 m，顺水流方向长33.0 m，进水口底板高程2 765.00 m，塔顶高程2 875.00 m。进水塔前半部为拦污栅及叠梁门段，每孔进水口共设有4孔拦污栅闸，各进水单元之间的拦污栅墩采用横撑连接，拦污栅及叠梁门段和塔体段之间采用纵撑连接，相邻机组拦污栅段在2 786.50 m高程以上用隔墙隔断，以下各机组段连通。主塔体采用喇叭型进口，压力管道内径为7.5 m。电站进水口采用叠梁门分层取水型式，进水口叠梁门共四层，根据不同季节、水库水位及下泄水温要求，分别采用1层～4层挡水。电站进水口布置见图1。

模型试验按重力相似准则设计，采用1∶50的正态模型，模拟范围包括进水口前部分库区、进水口塔体及压力管道。拦污栅结构体、叠梁门、进水喇叭口、压力管道及各门槽均采用有机玻璃加工制作，水库地形用水泥浆抹面制成，机组引流量采用电磁流量计控制。

2 试验研究成果及分析

2.1 进口漩涡及门顶最小淹没水深

对于电站进水口而言，必须保证各种工况下进水室内流态平稳，无有害漩涡的出现[3]。根据美国麻省Worcester Alder试验室的分类方法，将电站取水口前自由表面诱发的漩涡分为6种类型[4]，已建工程的运行实践表明，进水口前尽量避免出现3类和4类漩涡，不允许出现5类和6类漩涡。电站叠梁门分层取水进水室内水流流态与叠梁门顶淹没水深有着密切的关系，当门顶淹没水深过低时，叠梁门后出现类似薄壁堰流，水面跌落至闸室通仓流道内，水流受到垂向拉伸作用，较容易产生漩涡。

图1 电站进水口布置示意

图2为不同门顶淹没水深时，进水室内水流流态。以两层叠梁门为例，当门顶水深大于20 m时，进水室内水流平稳，无明显水流波动;门顶水深减低至16 m时，进水室内水面凹陷，出现表面漩涡，属于3～4类漩涡;门顶水深13 m时,进水室内出现喇叭状旋涡，有间隙吸气现象，属于4～5类漩涡;门顶水深低于13 m，进水室内水面波动剧烈，并出现漏斗型吸气漩涡。

因此，为保证进水口前水流平稳，无有害漩涡出现，叠梁门顶最小淹没水深应大于20 m，另外，试验研究发现，适当增大叠梁门墩与胸墙之间间距，减小通仓流道竖向流速，有助于改善进水室内水流流态。

根据《水电站进水口设计规范》中采用戈登(Gordon)公式来计算进水口临界淹没水深：

S=cva1/2

(1)

式中S——为临界淹没水深,m;

a——为门高，m;

v——为闸门处流速，m/s;

c——为系数，侧向取水时取0.73。

对于两河口水电站叠梁门分层取水进水口，工作闸门处高度为7.5 m，正常引流量248.67 m3/s，工作闸门处流速约为5.5 m/s，按常规进水口侧向取水计算的临界淹没水深为11.05 m，低于模型试验观测到避免有害吸气漩涡时的门顶淹没水头值，说明叠梁门分层取水进水口的临界淹没水深不能完全采用戈登公式进行计算，还需考虑叠梁门、通仓流道的影响。

a.门顶水深20 m b.门顶水深16 m c.门顶水深13 m

图2 不同叠梁门顶淹没水深时进水室内水流流态(两层叠梁门)

2.2 水头损失系数

模型中以压力管道渐变段后2倍管径处为参考断面，测量了不设叠梁门、设置一层叠梁门、两层叠梁门情况时进水口段的水头损失。三种工况下，进水口段的水头损失及水头损失系数见表1，水头损失系数按式(2)计算。

(2)

式中ζ——为水头损失系数;

h——为库水位与参考断面之间总水头损失，m;

v——为参考断面平均流速，m/s;

g——为重力加速度,m/s2。

表1 进水口段水头损失及水头损失系数

试验表明：

(1)进水口前设置叠梁门后，水流越过叠梁门进入压力管道过程中流向经历两次90°转弯，水流条件复杂，局部水头损失增加，进水口段水头损失系数较不设叠梁门时明显增大，进水口前不设叠梁门时，进水口段水头损失系数为0.22，设置叠梁门时，进水口段水流损失系数为0.56～0.65。

(2)进水口段的水头损失系数随着叠梁门层数增多略有增大，其原因为通仓流量内支撑梁增多引起的局部水头损失增大。

2.3 流速分布

进水口前设置两层叠梁门取水，门顶淹没水深25 m时，叠梁门顶流速垂线分布如图3所示。叠梁门顶流速垂线分布下大上小，主流集中在门顶10 m范围内，流速值为0.9～2.1 m/s，底部主流流速约为平均流速的1.3～1.5倍，叠梁门顶10 m以上水层的流速值大幅降低，基本在0.4～0.7 m/s范围内。

图3 叠梁门顶淹没水深25 m时叠梁门顶流速垂线分布(两层叠梁门)

2.4 进水单元之间水流动规律

电站进水口相邻机组拦污栅段在2 786.50 m高程以上用隔墙隔断，以下各机组段连通补水。图4为进水口前放置叠梁门后，相邻机组之间横向流速分布，横向流速越大，补水量越大。

试验结果表明：当5号和6号机组开机，仅5号和6号机组进水口前放置叠梁门运行时，4号取水单元对5号取水单元有一定补水，3号取水单元对4号和5号取水单元无补水效果，此时4号取水单元前底层冷水以向5号取水单元补水的形式下泄；当5号和6号机组开机，4号、5号、6号机组进水口前放置叠梁门运行时，4号取水单元对5号取水单元有一定补水，3号取水单元对4号和5号取水单元有少量补水，2号取水单元对3～5号取水单元无补水效果，此时3号取水单元前少量底层冷水以向4号和5号取水单元补水的形式下泄；当5号和6号机组开机，3号、4号、5号、6号机组进水口前放置叠梁门运行时，4号取水单元对5号取水单元有一定补水，3号取水单元对4号和5号取水单元有少量补水，2号取水单元对3～5号取水单元无补水效果，此时5号和6号机组下泄水流均为进水口前上层水体。因此，厂房进水口设置叠梁门取水时，在运行机组左右两侧相邻2个及以上机组段同时放置叠梁门可保证机组下泄水流均为进水口前上层水体。

大型水电站进水口叠梁门数量及层数较多，叠梁门一次吊放时间较长，同时，为适应库水位变化，进水口前叠梁门放置层数须不断变化，这导致叠梁门的运行方式变得十分复杂。对进水单元之间水流动规律的研究成果可拟定较好的叠梁门运行方式。

3 结 语

本文以两河口水电站叠梁门分层取水进水口水工模型为基础，对进水口的水流流态、水流损失系数、流速分布及水流动规律等水力特性进行了研究，主要结论如下：

(1)为保证进水口前水流平稳，无有害漩涡出现，叠梁门顶最小淹没水深应大于20 m；叠梁门分层取水进水口的临界淹没水深不能完全采用戈登公式进行计算。

a.5号、6号机组运行，5号、6号机组进水口前放置叠梁门

c.5号、6号机组运行，3号、4号、5号、6号机组进水口前放置叠梁门

(2)进水口前设置叠梁门时，进水口段水流损失系数为0.56～0.65，大于进水口前不设叠梁门时；进水口段的水头损失系数与叠梁门总高度成正比关系。

(3)叠梁门顶流速垂线分布下大上小，底部流速约为平均流速的1.3～1.5倍。

(4)厂房进水口设置叠梁门取水时，在运行机组左右两侧相邻2个及以上机组段同时放置叠梁门可保证机组下泄水流均为库区叠梁门高程以上。

[1] 高学平,等.水电站叠梁门分层取水流动规律及取水效果[J].

天津大学学报(自然科学与工程技术版),2013,46(10):895-900.

[2] 高志芹,等.糯扎渡水电站进水口叠梁门分层取水研究[J].云南水力发电,2012,28(4):15-19.

[3] 柳海涛,等.光照水电站分层取水进水口水力特性研究[C]//.水力学及水动力学进展,南京:河海大学出版社，2007:306-311.

[4] Tracy B. Vermeyen. Glen Canyon Dam Multi-level Intake Structure Hydraulic Model Study[R]. Technical report R-99-02, U.S. Department of the Interior, 1999.

[5] 章晋雄，张东，吴一红，等.锦屏一级水电站分层取水叠梁门进水口水力特性研究[J].水力发电学报,2010,29(2):1-6.

2016-07-12

王川(1986-)，男，河南新乡人，工程师，从事高速水流的泄洪消能研究工作。

TV671

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1003-9805(2017)02-0073-04