張 帥， 張曉宏， 張俊發(fā)

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

具有超長(zhǎng)引水隧洞的水電站，非恒定流時(shí)壓力引水系統(tǒng)中的水能波動(dòng)和水流慣性均較大[1-5]。為減小引水隧洞和壓力管道的水錘壓力，改善機(jī)組運(yùn)行條件，常需設(shè)置調(diào)壓室[6-8]。若設(shè)置單調(diào)壓室，則所需調(diào)壓室的尺寸較大，且單調(diào)壓室一般較靠近廠房，當(dāng)廠房附近圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、斷裂和軟弱結(jié)構(gòu)面較多、巖性較差時(shí)，開挖單一大尺寸調(diào)壓室不利于圍巖穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。若在該調(diào)壓室上游一定距離再布置一個(gè)輔助調(diào)壓室，可有效解決這類施工問題及水力過渡過程問題[9-12]。對(duì)于上游設(shè)置串聯(lián)雙調(diào)壓室系統(tǒng)，文獻(xiàn)[9-12]主要研究了主、副調(diào)壓室的位置、面積變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求等。本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，重點(diǎn)研究上游串聯(lián)雙調(diào)壓室系統(tǒng)(主調(diào)壓室為阻抗式，副調(diào)壓室為簡(jiǎn)單式)的調(diào)壓室直徑變化對(duì)主、副調(diào)壓室最高涌浪水位、波動(dòng)衰減率、蝸殼末端最大水錘壓力和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率的影響。進(jìn)而分析得出上游串聯(lián)雙調(diào)壓室系統(tǒng)合理的主、副調(diào)壓室直徑。

2 工程概況及研究方法

某水電站為徑流引水式電站，工程規(guī)模為三等中型，主要任務(wù)是發(fā)電。上游水庫(kù)校核洪水位為893.0 m，設(shè)計(jì)洪水位為891.5 m，正常蓄水位為891.5 m，下游水位為831.37 m。本工程引水發(fā)電系統(tǒng)主要由進(jìn)水口、壓力引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道等組成。引水隧洞為有壓洞，長(zhǎng)17.090 km，襯砌后直徑為10.5 m?？拷鼜S房處圍巖等級(jí)為Ⅲ、Ⅳ類，巖石強(qiáng)度較低，受地質(zhì)條件限制，不利于在該處建單個(gè)大尺寸調(diào)壓室。選擇布置串聯(lián)雙調(diào)壓室系統(tǒng)，主調(diào)壓室采用阻抗式，在距離主調(diào)壓室上游200 m處利用施工豎井建成副調(diào)壓室，采用簡(jiǎn)單式。引水隧洞在主調(diào)壓室下部通過岔洞分為3條壓力支管，廠房?jī)?nèi)安裝3臺(tái)單機(jī)容量為38.3 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

水電站引水發(fā)電系統(tǒng)用過渡過程計(jì)算軟件模擬如圖1所示，其中J1為上游水庫(kù)，J3為副調(diào)壓室(簡(jiǎn)單式)，J4為主調(diào)壓室(阻抗式)。主調(diào)壓室J4下部通過岔洞分為3條壓力支管，其后分別連接1臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，J8、J9、J10為3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，導(dǎo)葉總關(guān)閉時(shí)間為10 s，采用直線關(guān)閉規(guī)律。J11、J12、J13為下游尾水。

圖1 某水電站引水發(fā)電系統(tǒng)仿真圖

本文取副調(diào)壓室J3、主調(diào)壓室J4和機(jī)組J8為研究對(duì)象。計(jì)算工況取上庫(kù)正常蓄水位891.5 m，對(duì)應(yīng)地取下游水位831.37 m。3臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行突甩額定負(fù)荷。D1為J3處簡(jiǎn)單式調(diào)壓室的直徑，D2為J4處阻抗式調(diào)壓室的直徑，d為主調(diào)壓室阻抗孔直徑。研究在主、副調(diào)壓室位置一定的情況下，改變兩個(gè)調(diào)壓室的尺寸(即D1、D2和d的大小)對(duì)主、副調(diào)壓室最高涌浪水位、波動(dòng)衰減率、蝸殼末端最大水錘壓力和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率的影響。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[6,13-14]，用愛文吉里斯特(Evangelisti)公式計(jì)算得出該上游串聯(lián)雙調(diào)壓室臨界穩(wěn)定斷面積Fth為1 431 m2，同時(shí)考慮到工程規(guī)模、水電站并網(wǎng)運(yùn)行、調(diào)速器的調(diào)節(jié)作用以及因地質(zhì)條件限制盡可能減少對(duì)圍巖的開挖，本文初步擬定主調(diào)壓室直徑為25、30、35 m，主調(diào)壓室阻抗孔直徑為3.2、3.6、4.0、4.4、4.8、5.2 m，副調(diào)壓室直徑為0、15、20、25、30 m。

3.1 主、副調(diào)壓室直徑變化與調(diào)壓室最高涌浪水位的關(guān)系

主、副調(diào)壓室直徑變化對(duì)主調(diào)壓室最高涌浪水位的影響見圖2。

由圖2可知，當(dāng)D1和d一定時(shí)，隨著D2增加，主調(diào)壓室最高涌浪水位下降。由圖2(a)可知，當(dāng)D1一定，隨著d增加，主調(diào)壓室最高涌浪水位升高。這是因?yàn)樽杩箍字睆皆龃髸r(shí)，阻抗作用減小導(dǎo)致最高涌浪水位升高[15-17]。當(dāng)D1變小甚至為0時(shí)，隨著d增加，最高涌浪水位明顯提升，但隨著D1變大，這一上升趨勢(shì)明顯減緩，說明副調(diào)壓室的存在降低了主調(diào)壓室的最高涌浪水位。圖2 (b)和2(c) 也觀察到相同的變化趨勢(shì)。

主、副調(diào)壓室直徑變化對(duì)副調(diào)壓室最高涌浪水位的影響見圖3。

由圖3可知，當(dāng)D1和d一定，隨著D2增加，副調(diào)壓室最高涌浪水位下降；當(dāng)D2和d一定，D1越小，副調(diào)壓室最高涌浪水位越高。由圖3(a)可知，當(dāng)D1為15 m時(shí)，隨著d增加，副調(diào)壓室最高涌浪水位迅速下降，d增加到4 m時(shí)，最高涌浪水位達(dá)到最小值，d超過4 m后開始緩慢上升。這可以解釋為：當(dāng)d小于4 m時(shí)，可認(rèn)為主調(diào)壓室阻抗孔直徑較小，其反射水錘波的效果較差，主調(diào)壓室的穿室作用較強(qiáng)，透入副調(diào)壓室的水錘壓力較大，水錘壓力對(duì)副調(diào)壓室的涌浪水位起主要控制作用。當(dāng)d從3.2 m增到4 m，主調(diào)壓室的穿室作用減弱，透入副調(diào)壓室的水錘壓力減小，所以副調(diào)壓室最高涌浪水位遞減。當(dāng)d大于4 m 時(shí)，由于主調(diào)壓室阻抗孔直徑過大，水錘壓力對(duì)副調(diào)壓室的控制作用減弱，而主調(diào)壓室對(duì)副調(diào)壓室的控制作用加強(qiáng)，因主調(diào)壓室的最高涌浪水位隨阻抗孔直徑的增加而上升，導(dǎo)致副調(diào)壓室的涌浪水位有所上升。

從圖3(a)中D1為20、25和30 m曲線也能觀察到相同的變化趨勢(shì)，只是不同的D1，折線圖上最小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的d的大小不一，隨著D1增加，最小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的d值減小或者相近。圖3(b)和(c)中也能觀察到上述變化趨勢(shì)。

圖2 D1、D2、d對(duì)主調(diào)壓室最高涌浪水位的影響

圖3 D1、D2、d對(duì)副調(diào)壓室最高涌浪水位的影響

3.2 主、副調(diào)壓室直徑變化與蝸殼末端最大水錘壓力的關(guān)系

主、副調(diào)壓室直徑變化對(duì)蝸殼末端最大水錘壓力的影響見圖4。

由圖4可知，當(dāng)D2和d一定，隨著D1增加，蝸殼末端最大水錘壓力逐漸減小。當(dāng)D1增加到一定程度時(shí)，阻抗孔直徑變化對(duì)蝸殼末端最大水錘壓力的敏感性減弱。這可以解釋為，副調(diào)壓室直徑足夠大時(shí)，對(duì)越過主調(diào)壓室的水錘波足以充分反射，所以主調(diào)壓室阻抗孔直徑的大小對(duì)水錘壓力的影響減弱。因此，布置上游串聯(lián)雙調(diào)壓室時(shí)，主調(diào)壓室阻抗孔直徑可以相對(duì)減小。

綜合圖2、3和4，為了充分發(fā)揮副調(diào)壓室降低涌浪水位、減小水錘壓力以及阻抗孔減小調(diào)壓室斷面面積的作用，擬定副調(diào)壓室直徑D1為 20和25 m，主調(diào)壓室阻抗孔直徑d為3.6 和4.0 m。

3.3 主、副調(diào)壓室直徑變化與調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減率的關(guān)系

主、副調(diào)壓室直徑變化對(duì)調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減率的影響見表1。

圖4 D1、D2、d對(duì)蝸殼末端最大水錘壓力的影響

由表1可知：(1)當(dāng)D1和D2一定，d越大，主、副調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減率越小。因此對(duì)于上游串聯(lián)雙調(diào)壓室系統(tǒng)，相對(duì)較小的阻抗孔直徑可以使得調(diào)壓室涌浪水位有更快的衰減。(2)當(dāng)D1和d一定，D2越大，主、副調(diào)壓室的峰值越低，水位波動(dòng)衰減率增加。所以主調(diào)壓室直徑不能過小，但過大的主調(diào)壓室尺寸造成較大的開挖量，不利于圍巖穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全，所以擬定主調(diào)壓室直徑為30 m。(3)當(dāng)D2和d一定，隨著D1增加，主、副調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減率減小。因此，較大的副調(diào)壓室直徑不利于兩個(gè)調(diào)壓室的水位波動(dòng)衰減。所以擬定副調(diào)壓室直徑為20 m。

3.4 主調(diào)壓室阻抗孔直徑變化對(duì)特征參數(shù)的影響

主調(diào)壓室阻抗孔直徑變化時(shí)相應(yīng)的各項(xiàng)特征數(shù)據(jù)見表2。

表1 D1、D2、d與調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減率的關(guān)系

表2 主調(diào)壓室阻抗孔直徑變化相應(yīng)的各項(xiàng)特征數(shù)據(jù)(D1=30 m，D2=20 m)

注：ΔZ1為主、副調(diào)壓室最高涌浪水位之差的絕對(duì)值；t1為調(diào)壓室達(dá)到最高涌浪水位所需的時(shí)間;Δt1為主、副調(diào)壓室達(dá)到最高涌浪水位的時(shí)間差；δ為調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減率；ζ為蝸殼末端最大水錘相對(duì)升壓值；β為機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率。

由表2可以看出，當(dāng)D1、D2一定時(shí)：(1)隨著d增加，副調(diào)壓室最高涌浪水位先降低后上升，主調(diào)壓室最高涌浪水位逐漸上升。(2)當(dāng)d一定時(shí)，t1副

當(dāng)d超過4 m時(shí)，ΔZ1與Δt1較小，即主、副調(diào)壓室的水位波動(dòng)頻率相對(duì)一致，相互之間誘發(fā)共振的可能性較大；而當(dāng)d小于4 m時(shí)，阻抗孔面積與有壓引水隧洞斷面面積比值低于15%，而規(guī)范要求該比值合理區(qū)間為15%～30%[6]。因此選擇阻抗孔直徑為4 m。

綜上所述，當(dāng)主調(diào)壓室(阻抗式)直徑為30 m、阻抗孔直徑為4 m、副調(diào)壓室(簡(jiǎn)單式)直徑為20 m時(shí)，既能減小主、副調(diào)壓室尺寸，又能更好地反射水錘波，降低調(diào)壓室最高涌浪水位，提高波動(dòng)衰減率。該尺寸布置下，主、副調(diào)壓室斷面面積之和為1 021 m2，該上游串聯(lián)雙調(diào)壓室臨近穩(wěn)定斷面積Fth為1 431 m2，所選雙調(diào)壓室斷面面積之和為Fth的71%，滿足工程實(shí)際所需。

4 結(jié) 論

上游雙調(diào)壓室系統(tǒng)的水位波動(dòng)穩(wěn)定非常復(fù)雜，合理地選擇主、副調(diào)壓直徑在調(diào)壓室設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。本文結(jié)合某水電站工程實(shí)例進(jìn)行過渡過程計(jì)算，探討了主、副調(diào)壓室直徑變化對(duì)上游串聯(lián)雙調(diào)壓室壓力引水系統(tǒng)的影響。得出結(jié)論如下：

(1)上游串聯(lián)雙調(diào)壓室系統(tǒng)(主調(diào)壓室為阻抗式，副調(diào)壓室為簡(jiǎn)單式)隨著主調(diào)壓室直徑增大，主、副調(diào)壓室最高涌浪水位下降，波動(dòng)衰減加快。隨著副調(diào)壓室直徑增大，主調(diào)壓室阻抗孔直徑的大小對(duì)水錘壓力的影響減弱，且不利于波動(dòng)衰減。

(2)主調(diào)壓室阻抗孔直徑存在一個(gè)臨界值，低于該值時(shí)，隨著阻抗孔直徑增大，副調(diào)壓室最高涌浪水位迅速降低，且先于主調(diào)壓室到達(dá)峰值；高于該值時(shí)，隨著阻抗孔直徑增大，副調(diào)壓室最高涌浪水位緩慢上升，最終上升到與主調(diào)壓室最高涌浪水位相近的位置，且主、副調(diào)壓室涌浪水位達(dá)到峰值的時(shí)間差縮短。

(3)結(jié)果表明，該電站選取主調(diào)壓室直徑30m,主調(diào)壓室阻抗孔直徑4 m,副調(diào)壓室直徑20 m是合理的。