连接隧洞段断面类型对侧式进出水口水力特性影响

摘要：抽水蓄能电站实际工程布置中，侧式进/出水口与闸门井之间往往存在一定长度的连接隧洞段，目前设计过程中缺乏连接隧洞段横断面类型的选择依据。通过数值模拟手段开展了连接隧洞段横断面类型（圆型、城门洞型、方型）对侧式进/出水口水头损失、流速分布及流量分配等水力特性的影响规律研究。结果表明：出流工况下，连接隧洞段横断面为方型时其内部水平扩散和垂向扩散最充分，各项水力指标较好，水头损失系数有所减小但变化不大，流速分布及孔口流量分配更均匀，中、边孔口流速不均匀系数均小于1.5，流量不均匀程度均小于10%。进流工况下，不同连接隧洞段横断面类型对侧式进/出水口水力特性影响较小，各项水力指标均满足规范要求。研究成果可为侧式进/出水口连接隧洞段体型设计提供依据。

关 键 词：侧式进/出水口； 连接隧洞段； 水力特性； 抽水蓄能电站

中图法分类号： TV135

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.023

0 引 言

为加快实现中国能源绿色低碳转型，抽水蓄能电站加快发展势在必行［1］。抽水蓄能电站侧式进/出水口作为水道系统的重要组成部分，在实际工程中得到广泛运用［2］。受实际工程地形地质条件的限制，侧式进/出水口与闸门井之间往往存在一定长度的连接隧洞段，不同连接隧洞的横断面类型将会影响侧式进/出水口水力特性。因此，开展侧式进/出水口连接隧洞段的研究具有重要的理论价值和实践意义。

抽水蓄能电站侧式进/出水口水力特性主要受自身体型参数影响。为此，众多学者开展了大量研究工作［3-5］，主要包括分流隔墩的布置［6-7］、扩散段长短［8-9］、平面扩散角和顶板扩张角大小［10-11］、调整段长短［12］等。由于侧式进/出水口具有双向过流的特点，其水力特性除受自身体型参数影响外，还与输水隧洞有关。高学平等［13］采用数值模拟方法对与侧式进/出水口衔接的输水隧洞坡角进行研究，发现当输水隧洞坡角等于扩散段顶板扩张角时，进/出水口附近水力特性较优。张从联等［14］通过物理模型试验发现设置两个对称的立面弯道可基本消除弯道的影响。孙双科等［15］通过物理模型试验指出，拦污栅断面流速分布受侧式进/出水口与立面弯道之间的直隧洞影响较为显著。张兰丁等［16］通过物理模型试验发现，立面弯道上弯段与闸门井间距大于5倍管径可消除弯道对管道内部流速分布的影响。综上所述，自身体型参数和输水隧洞都会影响进/出水口水力特性，但目前关于输水隧洞对侧式进/出水口水力特性影响的相关研究较少，且尚未涉及连接隧洞段横断面类型的影响研究。

因此，本文旨在研究连接隧洞段横断面类型对侧式进/出水口双向过流条件下各项水力指标的影响，为侧式进/出口连接隧洞段设计提供依据。

1 研究对象

抚宁抽蓄电站侧式进/出水口（图1）由防涡梁段、调整段及扩散段组成，总长63.15 m。防涡梁段长10.15 m，调整段长15.00 m，孔口宽5.5 m，高9.0 m；扩散段长38.00 m，平面水平扩散角α=28.36°，立面顶板扩张角β=3.01°。侧式进/出水口与闸门井之间设置渐变段1、连接隧洞段、渐变段2。渐变段1长10.0 m，连接隧洞段长33.5 m，并存在i=5.97%的坡度；渐变段2长10.0 m，闸门井长13 m；同时在闸门井右侧设置方变圆渐变段3连接输水隧洞，长度10.0 m；输水隧洞存在带坡度的平面转弯段，转弯角度20°，转弯半径215.0 m，坡度i=6%。

死水位条件下，进流流量2×78.9 m3/s，出流流量2×67.1 m3/s。

2 研究方法

2.1 控制方程及湍流模型

抽水蓄能电站侧式进/出水口内部流动为不可压缩流动，控制方程为连续性方程和N-S方程。由于N-S方程中存在雷诺应力项，需要引入湍流模型进行封闭，而RSM湍流模型能较好地模拟水流在平面弯道［17-18］及侧式进/出水口内部的流动［19］，因此本文引入RSM模型对N-S方程进行封闭，具体方程参见文献［20］。

2.2 计算模型建立

模型计算区域包含库区、进/出水口及隧洞。其中压力边界根据水库死水位按静水压强给出；固壁边界采用无滑移条件；水库表面采用刚盖假定；隧洞断面边界为速度边界，依流量按平均流速给出。对计算区域进行网格划分，网格总数约1 000万，整体网格尺寸0.3 m，局部网格尺寸0.1 m。近壁面设厚度为0.3 m的边界层，共15层，其中第一层网格厚度0.005 m，此时y+值介于30～300之间，可满足计算精度要求，计算区域及网格如图2所示。

2.3 数值模型验证

对上述建立的数学模型进行计算，提取侧式进/出水口水头损失、拦污栅断面流速及孔口流量分配，并与试验结果比较，对数值模型进行验证。孔口流量分配的计算方法参考NB/T 10072-2018《抽水蓄能电站设计规范》［21］。表1为侧式进/出水口水头损失系数，表2为侧式进/出水口各孔口流量分配情况，图3为拦污栅断面中垂线流速。结果表明，计算值与试验值拟合较好，选用RSM湍流模型对N-S方程进行封闭能够用于研究侧式进/出水口水力特性。

3 结果分析

3.1 计算条件

抽水蓄能电站实际工程布置中，连接隧洞段横断面多采用圆型，但为满足侧式进/出水口内部的水流条件，一些工程也采用城门洞型（例如安徽桐城抽水蓄能电站、云浮水源山抽水蓄能电站）和方型（例如江西遂川抽水蓄能电站）。

为专门研究连接隧洞段横断面类型对侧式进/出水口水力特性的影响，在前述侧式进/出水口体型（连接隧洞段横断面为圆型）的基础上，保证隧洞洞线及隧洞的宽高不变，改变进/出水口与闸门井之间连接隧洞段横断面类型分别为城门洞型和方型，同时不考虑隧洞坡角和平面转弯的影响（接平直隧洞），分别建立数学模型进行计算，分析水头损失、流速分布及流量分配变化情况，图4为3种隧洞横断面类型图。

死水位条件下，进流流量2×78.9 m3/s，出流流量2×67.1 m3/s。

3.2 出流工况结果分析

3.2.1 水头损失系数

出流工况，连接隧洞段的横断面由圆型转变为方型，随着横断面面积不断增大，隧洞段及进/出水口的水头损失系数有所减小，但变化不大。

3.2.2 流速分布

为对比连接隧洞段横断面不同类型在出流工况对进/出水口内部流动的影响，提取了进/出水口的内部流速场，沿着出流方向分别选取了Y=-L*（扩散段始端）、Y=-0.79L*（扩散段中间断面Ⅰ）、Y=-0.63L*（扩散段中间断面Ⅱ）、Y=-0.40L*（扩散段末端）、Y=-0.16L*（拦污栅断面）5个典型截面如图5所示，其中L*为进/出水口总长度，Y=0断面为侧式进/出水口末端断面，Y的正方向沿出流方向。

图6（a）给出了进/出水口中孔各典型截面的内部流速场，细实线代表流速为0的等值线。可以看出，连接隧洞段的横断面类型不同，进/出水口中孔的流速分布规律基本相同。在Y=-L*截面，主流位于孔口中部，断面最大流速约为3.2 m/s，城门洞型和方型隧洞横断面流速分布更为均匀；由于扩散段水平扩散角和顶板扩张角的作用，水流流至Y=-0.79L*截面时流速有所减小，断面最大流速约为2.8 m/s，连接隧洞段的横断面类型由圆型转变为方型，断面流速分布越来越均匀。水流流至Y=-0.63L*截面时，断面流速继续减小，圆型隧洞截面最大流速约2.4 m/s，城门洞型和方型隧洞截面最大流速约2.0 m/s，方型隧洞截面流速分布最为均匀。Y=-0.40L*截面，各断面主流在横向上位于中部，在垂向上位于孔口中下部，且城门洞型和方型隧洞横断面垂向上主流位置比圆型横截面略高，各断面最大流速约1.6 m/s，当水流流至Y=-0.16L*截面时，各断面主流位置基本保持不变，由于调整段的作用，各断面流速分布更加均匀，最大流速约1.2～1.6 m/s，其中方型隧洞横截面的拦污栅断面流速分布最为均匀，断面顶部的低流速区面积较小。

图6（b）给出了进/出水口边孔各典型截面的内部流速场。可以看出，连接隧洞段的横断面类型不同，进/出水口边孔的流速分布规律也基本相同。Y=-L*截面，断面流速分布较为均匀，圆型隧洞横断面最大流速约为2.4 m/s，城门洞型和方型隧洞横断面最大流速约为2.0 m/s；由于扩散段水平扩散角的作用，水流流至Y=-0.79L*截面时主流位于断面边壁，断面最大流速约为2.0 m/s，连接隧洞段的横断面类型由圆型到方型，断面流速分布越来越均匀。水流流至Y=-0.63L*截面时断面流速分布呈现“左小右大”的特点，最大流速约1.6 m/s，且方型隧洞横截面的低流速面积较小。在Y=-0.40L*截面，各断面低流速区面积继续增大，断面最大流速约1.2 m/s。由于调整段的作用，当水流流至Y=-0.16L*截面时，各断面流速分布较为均匀，低流速区面积较小，断面最大流速约0.8 m/s，其中方型隧洞横截面拦污栅断面流速分布最均匀。

图7给出了出流工况下拦污栅断面中垂线流速变化情况。可以看到，对于不同类型的连接隧洞段横断面，中孔中垂线流速分布均呈现“上小下大”的特点，主流位于孔口中下部；但隧洞横断面为城门洞型和方型时，拦污栅断面主流位置比隧洞横断面为圆型时高，且最大流速与隧洞横断面为圆型相比有所减小；边孔中垂线流速分布流速分布较为均匀，没有明显主流。

表3给出了出流工况下进/出水口中、边孔拦污栅断面流速不均匀系数数值模拟值，可以看到，随着连接隧洞段的横断面类型由圆型转变为方型，横断面面积不断增大，流速不均匀系数逐渐减小，中孔由1.67减小到了1.48，边孔由1.42减小到了1.35，流速分布逐渐均匀。

3.2.3 流量分配

表4给出了出流工况下进/出水口各孔口流量分配变化情况。可以看到，随着连接隧洞段的横断面类型由圆型转变为方型，横断面面积逐渐增大，进/出水口各孔口流量分配逐渐均匀，流量不均匀程度由8.52%～9.04%减小到了6.84～7.12%。

3.3 进流工况结果分析

3.3.1 水头损失系数

进流工况，对于不同类型的连接隧洞段横断面，隧洞段及进/出水口的水头损失系数基本保持不变。

3.3.2 流速分布

图8（a）给出了进/出水口中孔各典型截面的内部流速场。可以看出，不同类型的连接隧洞段横断面进流工况下进/出水口中孔的流速分布规律基本相同。Y=-0.16L*截面，主流位于孔口中下部，断面最大流速约0.9 m/s，孔口顶部存在小范围的低流速区。由于调整段均化水流的作用，在Y=-0.40L*截面，各断面流速分布逐渐均匀，主流区面积逐渐增大，断面顶部的低流速区面积基本保持不变。随着水流在扩散段内部的流动，各断面面积逐渐减小，断面流速逐渐增大，在Y=-0.63L*截面时，断面主流区面积仍在增大，顶部低流速区面积消失，断面流速分布较为均匀。当水流流至Y=-0.79L*截面时，断面流速分布最为均匀，断面平均流速约2.6 m/s。在Y=-L*截面时，断面平均流速约3.0 m/s。

图8（b）给出了进/出水口边孔各典型截面的内部流速场。可以看出，不同类型的连接隧洞段横断面进流工况下进/出水口边孔的流速分布规律基本相同。Y=-0.16L*截面，主流位于孔口中下部，且主流区面积大于中孔，断面最大流速约0.9 m/s，孔口顶部也存在小范围的低流速区。由于调整段的作用，在Y=-0.40L*截面，主流区面积基本保持不变，但最大流速略有增大，约为1.2 m/s，断面顶部的低流速区面积也略有增大。随着水流在扩散段内部的流动，各断面面积逐渐减小，断面流速逐渐增大。在Y=-0.63L*截面时，断面主流区面积逐渐增大，且主流区面积大于中孔，顶部低流速区面积消失，断面流速分布较为均匀。当水流流至Y=-0.79L*截面时，断面流速分布最为均匀，断面平均流速约2.8 m/s。在Y=-L*截面时，断面主流位置靠近扩散段边壁，断面最大流速约3.4 m/s。

图9给出了进流工况下进/出水口中、边孔拦污栅断面中垂线流速变化情况。可以看到，对于不同类型的连接隧洞段横断面，中、边孔中垂线流速分布规律基本相同，均呈现“上小下大”的特点，且中孔流速整体小于边孔，连接隧洞段的横断面类型不同，对进流工况进/出水口拦污栅断面流速分布影响较小。

表5给出了进流工况下进/出水口中、边孔拦污栅断面流速不均匀系数数值模拟值。可以看到，连接隧洞段的横断面由圆型转变为方型时，横断面面积不断增大，流速不均匀系数基本保持不变，且均小于1.5，孔口流速分布较为均匀，连接隧洞段的横断面类型不同对进流工况进/出水口拦污栅断面流速不均匀系数影响较小。

3.3.3 流量分配

表6给出了进流工况下进/出水口各孔口流量分配变化情况。可以看到，随着连接隧洞段的横断面类型由圆型转变为方型，横断面面积逐渐增大，进/出水口各孔口流量分配基本保持不变，流量不均匀程度均小于10%，各孔口流量分配均匀，表明连接隧洞段的横断面类型不同对进流工况进/出水口流量分配影响较小。

4 结 论

本文开展了连接隧洞段不同横断面类型对侧式进/出水口水力特性的影响研究，得到以下结论：

（1） 出流工况下，侧式进/出水口连接隧洞段横断面类型为方型时，隧洞段和进/出水口水头损失系数有所减小，但变化不大；水流在进入进/出水口前断面流速分布更均匀，进/出水口内部水平和垂向扩散更加充分，扩散段及调整段顶部的低流速区面积较小；拦污栅断面流速分布及各孔口流量分配更为均匀，中边孔口流速不均匀系数均小于1.5，流量不均匀程度均小于10%，进/出水口可获得较好的水力特性。

（2） 进流工况下，连接隧洞段横断面类型对侧式进/出水口水力特性影响较小，进/出水口水头损失系数基本保持不变；调整段顶部的回流区面积均较小；拦污栅断面流速分布及各孔口流量分配规律相同，各项水力指标均满足设计规范要求。

（3） 推荐侧式进/出水口与闸门井之间连接隧洞段的横断面采用方型，此时进/出水口可获得较优的水力特性。

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（编辑：胡旭东）

Influence of cross-section types of connecting tunnel segment on hydraulic characteristics of lateral inlet/outlet

LIU Shuai

（Yalong River Hydropower Development Company，Chengdu 610051，China）

Abstract：

In the actual engineering layout of pumped storage power stations，there is a certain length of connecting tunnel segment between the lateral inlet/outlet and the gate shaft.At present，there is no selection basis for the cross-sectional type of the connecting tunnel segment in the design process.Therefore，in this paper，the influence of cross-section types （ circular，gate and square ） of connecting tunnel segment on hydraulic characteristics such as head loss，velocity distribution and flow distribution of lateral inlet/outlet was studied by means of numerical simulation.The results showed that under the outflow condition，when the cross-section was square，the internal horizontal diffusion and vertical diffusion were the mo2efed6851608dfa890fdcdaa2bc2549dst sufficient，the hydraulic indexes were better，the head loss coefficient decreased but did not change much，the flow velocity distribution and orifice flow distribution were more uniform，the non-uniformity coefficients of the middle and side orifice flow were less than 1.5，and the non-uniformity degrees of the flow were less than 10%.Under the inflow condition，different cross-section types of the connecting tunnel segment had little influence on the hydraulic characteristics of the lateral inlet/outlet，and all of the hydraulic indexes can meet the specification requirements.The research results can be a basis for the shape design of the connecting tunnel segments.

Key words：

lateral inlet/outlet； connecting tunnel segment； hydraulic characteristic； pumped storage power station