段文剛，黃國兵，侯冬梅，杜 蘭，劉紅慶

（長江科學院 水力學研究所，湖北 武漢 430010）

大型電站疊梁門分層取水進水口水力特性研究

段文剛，黃國兵，侯冬梅，杜 蘭，劉紅慶

（長江科學院 水力學研究所，湖北 武漢 430010）

電站進口前加設疊梁門后引起局部水流條件復雜，本文以模型試驗和數(shù)值模擬為研究手段，系統(tǒng)闡述了疊梁門分層取水進口水流流態(tài)、門頂最小運行水深、水頭損失和疊梁門反向附加水擊壓力等。研究表明，加設疊梁門后機組各柵孔進流較為均化，門井水面波動加大，主要引流區(qū)間在門頂以下10m—門頂以上25m水域，疊梁門門頂最小運行水深一般為15～30m，進口段水頭損失1.20～1.95 m（水頭損失系數(shù)為0.45～1.15），較無疊梁門時增大1.11～1.63 m，對機組發(fā)電經(jīng)濟效益將產(chǎn)生一定影響，機組甩負荷對疊梁門下游面板產(chǎn)生的附加水擊壓力（2.9～3.0）×9.81 kPa。

電站進水口；分層取水；疊梁門；水頭損失；門頂水深；附加水擊壓力

1 研究背景

運行實踐表明，高壩大庫建成后，水庫水溫具有沿深度成層分布的特點，出于生態(tài)環(huán)保的需要，電站分層取水勢在必行。分層取水型式主要有多層取水口、斜臥式、多層水力自動翻板型、浮式板等。由于操作靈活，對庫水位變化適應性強，疊梁門分層取水在大型電站得以廣泛應用。與常規(guī)電站進水口相比，疊梁門分層取水利用備用攔污柵槽放置疊梁門設施，實現(xiàn)引取近表層水。美國沙斯塔、餓馬和格蘭峽水電站自20世紀90年代先后進行分層取水改建并成功運用至今，光照水電站是我國第一個采用疊梁門分層取水的大型水電站（2007年），國內(nèi)部分疊梁門分層取水電站進水口布置見表1。加設疊梁門結構后進口水流近似淹沒薄壁堰流，局部水流結構復雜，從而派生出一系列新的水力學問題。本文結合烏東德、白鶴灘和亭子口等3個工程研究成果（見圖1），系統(tǒng)闡述疊梁門分層取水主要的水力學問題，以供有關工程設計和運行管理參考。

2 研究方法

電站進水口水力學問題研究方法通常采用大比尺水工模型試驗和三維數(shù)值模擬計算。模型試驗涉及水流漩渦問題，由于模型水流中黏滯力和表面張力對漩渦的抑制作用較原型強，為保證模型水流與原型相似，通常要求模型水流雷諾數(shù)Re＞30000，韋伯數(shù)We＞120。為此水工模型比尺選取較大，一般為1∶30～1∶50，可模擬一個或多個流道，順水流向模擬范圍包括上游部分水庫、攔污柵結構體、疊梁門、通倉段、進口段、門槽段、漸變段、壓力管道全程（至蝸殼部位）等。如圖2所示，烏東德模型比尺1∶30，模擬1臺機組流道；白鶴灘模型比尺1∶30，模擬3臺機組流道；亭子口模型比尺1∶50，模擬全部4臺機組流道。為避免模型機組甩負荷過程中造成庫水位上升，在模型水庫中加設可升降的溢水裝置。在模型蝸殼部位安裝模型水輪機，以保證模型導葉關閉過程與原型相似，也可簡化安裝與水輪機導葉啟閉類似的百葉閥，用啟閉機控制百葉閥的啟閉時間。

圖1 進水口布置

表1 國內(nèi)部分疊梁門分層取水電站進水口布置

數(shù)值模擬通常采用三維RNG k-ε紊流數(shù)學模型模擬電站進水口水流流場，自由液面采用VOF處理方法，通過定義控制單元的體積分數(shù)，追蹤網(wǎng)格中的流體體積，在每個控制體積內(nèi)，所有項的體積分數(shù)之和為1。當為自由液面時，水的體積分數(shù)介于0和1之間。

（1）網(wǎng)格劃分。為使計算收斂性更好，計算區(qū)域全部采用六面體結構化網(wǎng)格進行劃分，同時對攔污柵前至漸變段重點關注區(qū)域進行加密，使計算結果更接近真實值。

（2）邊界條件。對于水流進口邊界已知庫水位，設定為壓力入口邊界；管道出口邊界根據(jù)引用流量和管道斷面積，設定為流速出口；空氣邊界為大氣壓力邊界；固壁邊界規(guī)定為無滑移邊界條件。

圖2 1∶30模型

3 主要研究成果

3.1 進口水流流態(tài)電站進水口流態(tài)和流速分布是評價分層取水效果一個主要指標，引流范圍愈近底部水溫愈低，愈近表層則水溫愈高。如圖3（a）所示，常規(guī)電站進水口（無疊梁門）機組引流時：機組6個柵孔呈對稱進流，中間4孔大流速分布范圍較兩側邊孔要大，流速可達1.0～1.8m/s，大流速位于進水口底板～喇叭口上緣高程區(qū)間，在喇叭口以上流速分布顯著減小。水流到達通倉段后迅速往喇叭口匯集，最大流速值為2.4m/s，位于距底板高程2～3m處。可以看出，中間柵孔進流多，邊孔進流少，引流范圍主要集中在底部喇叭口附近水域。放置疊梁門后，如圖3（b）所示，水流繞過疊梁門形成淹沒薄壁堰流，流線經(jīng)過2次近90°彎折后進入壓力管道。6個柵孔進流大大均化，大流速位于門頂附近（2.8m/s）。通倉段豎井內(nèi)水流流線紊亂，流速分布不均，最大流速達5.1m/s，進入壓力管道后流線擺動仍然劇烈，在門槽里有小立軸漩渦形成。引流區(qū)間在疊梁門頂以下10m-門頂以上25m水域。

圖3 流速分布

門井水面波動是輔助評價進口流態(tài)優(yōu)劣的一個指標，未放置疊梁門時，電站進水口門井水面波動較小約0.06～0.10m。放置疊梁門后，門井水面波動有加大的趨勢，可達0.12～0.50m，見表2。

表2 放置疊梁門前后門井水位波動

3.2 疊梁門頂最小運行水深從分層取水效果角度來講，盡可能引取表層水，提高下泄水溫，疊梁門放置越高越好。但放置疊梁門后，不可避免地惡化進口水流流態(tài)，可能誘發(fā)危害性吸氣漩渦。一般而言，疊梁門門頂最小運行水深確定受以下幾方面因素限制：（1）避免出現(xiàn)危害性吸氣漩渦；（2）避免出現(xiàn)不利流態(tài)，如薄壁堰自由堰流，水面跌落明顯，波動大；（3）過柵流速限制。從烏東德、白鶴灘、亭子口模型試驗研究成果和收集掌握的資料來看，大型電站疊梁門門頂最小運行水深在15～30m之間（見表3），門頂水深越大，水面波動越小。

表3 國內(nèi)大型電站疊梁門頂最小運行水深

烏東德電站正常蓄水位975m條件下，進水口前最多可放置8節(jié)疊梁門（8×4m），最大門頂高程945 m，相應最小門頂運行水深30m；白鶴灘電站庫水位795m條件下，進水口前最多可放置10節(jié)疊梁門（10×4m），最大門頂高程774m，相應門頂水深21m；亭子口電站正常蓄水位458m條件下，進水口前最多可放置10節(jié)疊梁門，最大門頂高程443m，相應門頂水深15m。

需要指出的是，攔污柵墩和大壩主體結構之間往往通過縱、橫支撐梁進行聯(lián)系，將支撐梁頂面高程布置在特征水位以下0.30～0.50m，可起到破除表面漩渦的作用，低水位條件下進口流態(tài)改善更為明顯，這一結論已在白鶴灘和烏東德模型試驗中反復得到證實。

3.3 進口段水頭損失進口段水頭損失起止斷面定義為攔污柵前水庫斷面和漸變段末端（圓形壓力鋼管始端）斷面。由圖4可知，進口段水頭損失與疊梁門放置高度呈正比關系，與門頂水深呈反比關系，疊梁門放置愈高，門頂水深愈小，水頭損失愈大。以亭子口電站為例，未放置疊梁門時，進口段水頭損失為0.09m，放置2節(jié)后水頭損失為0.17m，放置4節(jié)后水頭損失0.31m，放置6節(jié)后水頭損失0.54m，放置8節(jié)后水頭損失0.82m，放置10節(jié)后水頭損失1.20m。

同時，由表4可知，在常規(guī)電站進水口引流條件下（無疊梁門），進口段水頭損失較小，hw=0.09～0.34m，水頭損失系數(shù)ξ=0.03～0.21。放置疊梁門后，進口段水頭損失明顯增加，相應進口段水頭損失增大為1.20～1.95m，水頭損失系數(shù)為0.45～1.15。換言之，疊梁門分層取水附加水頭損失約1.11～1.63 m，將對機組發(fā)電經(jīng)濟效益產(chǎn)生一定影響。疊梁門設置改變了常規(guī)進水口的水流運動軌跡，進口水流流向經(jīng)過兩次90°轉(zhuǎn)彎后進入引水管道，加之疊梁門及通倉段支撐梁對水流的局部阻力影響，使進口段水頭損失及水頭損失系數(shù)均明顯增大，疊梁門頂水深越小，水頭損失及水頭損失系數(shù)愈大。初步分析可知，進口段水頭損失與門頂水深、通倉段長度和縱橫聯(lián)系梁布設密切相關。

圖4 進口段水頭損失～疊梁門高度關系曲線

表4 放置疊梁門前后電站進口段水頭損失和水頭損失系數(shù)

3.4 機組甩負荷對疊梁門反向附加水擊壓力加設疊梁門結構后在機組甩負荷條件下，疊梁門下游面板將遭受反向水擊壓力，這也是攔污柵墩結構設計關注的一個技術指標。試驗表明：疊梁門下游面板產(chǎn)生的水擊壓力豎向分布特征為頂部小底部大，亭子口電站實測底部附加水擊壓力為3.0×9.8 kPa，頂部為1.3×9.8 kPa（見表5），沿水深方向愈往上水擊壓力愈小。平面分布特征為中間柵孔大兩側柵孔小，符合一般規(guī)律。機組全部甩負荷極端條件下，試驗測得疊梁門反向附加水擊壓力約為（2.9～3.0）× 9.8 kPa（見表6和圖5），3個工程模型試驗測得的最大附加水擊壓力值較為接近。

表5 疊梁門下游面板水擊壓力沿水深分布

表6 機組甩負荷引起疊梁門附加水擊壓力

圖5 疊梁門底部水擊壓力過程線

4 結語

疊梁門分層取水是近年學術研究和工程實施的熱點，本文從定性和定量兩個層面對加設疊梁門后進口水力特性進行分析探索，有助于形成總體認識，可為今后相關工程設計和運行管理提供參考。

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Hydraulic characteristics study on stoplog gates multi-level water in take of large hydropower station

DUAN Wengang，HUANG Guobing，HOU Dongmei，DU Lan，LIU Hongqing
（HydraulicsDepartment，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Setting stoplog gates in front of power p lant inlets leads to complicated local flow conditions. The flow pattern at inlets，the minimum depth at gates，the water head loss，and the additional water ham?mer back pressure on the stop log gates are systematically studied based on physical model testing and nu?merical simulation.The results indicate that，the inlet flow at each gate hole of power units was more uni?form，and the fluctuation of water level in the valve pit increased if the stop log gate was set.The main water-intake area ranged from 10m under the gateway top to 25m above the gateway top，and the mini?mum depth at gates was 15～30m in general.The water head loss at inlet was 1.20～1.95m（head loss coeffi?cient equal to 0.45～1.15），which was 1.11～1.63m higher compared with that without stop log gates，and the economic benefits of power units were then affected.The additional water hammer pressure on the down?stream panels of stop log gates was（2.9～3.0）×9.81kPa，under load rejection operating conditions.

hydropower plant inlet；multi-level water intake；stop log gate；waterhead loss；depth at gates；additional water hammer pressure

TV132

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.011

1672-3031（2015）05-0380-06

（責任編輯：李福田）

2015-08-09

段文剛（1972-），河南南陽人，教授級高級工程師，主要從事電站水力學和樞紐泄洪消能研究。E-mail：ckydwg@163.com