渠永通

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司

1 通氣洞概況

某電站的通氣洞主要與電站尾水閘門的開閘排水工藝有關(guān)，當(dāng)電站機(jī)組運(yùn)行尾水閘打開時(shí)，大量的尾水會(huì)涌入尾水調(diào)壓室，導(dǎo)致調(diào)壓室內(nèi)的空氣通過通氣洞被極速排出，如圖1 所示。

圖1 尾水調(diào)壓室主要組成和結(jié)構(gòu)

而與通氣洞直接相連的是電站通風(fēng)兼安全洞，通風(fēng)設(shè)計(jì)要求通氣洞產(chǎn)生的空氣流動(dòng)盡可能地不對(duì)主廠房造成影響，應(yīng)由通風(fēng)兼安全洞的風(fēng)井排出，如圖2所示。為了準(zhǔn)確得到尾水進(jìn)入調(diào)壓室后，通氣洞內(nèi)的空氣流動(dòng)狀態(tài)，以及其與通風(fēng)兼安全洞連接處的壓力波動(dòng)情況，需根據(jù)設(shè)計(jì)工況下調(diào)壓室內(nèi)的實(shí)際水流量進(jìn)行理論分析計(jì)算，并以該分析結(jié)果為依據(jù)，判斷尾水閘打開時(shí)對(duì)主廠房通風(fēng)的影響程度。

圖2 與尾調(diào)通氣洞直接相連的隧洞空間布置

經(jīng)測(cè)算，尾調(diào)通氣洞的幾何尺寸為：長(zhǎng)度L0=350 m，斷面積44.3 m2，斷面直徑d=7.5 m，通風(fēng)兼安全洞總長(zhǎng)度約800 m，通往排風(fēng)井和主廠房的長(zhǎng)度分別約為L(zhǎng)1=400 m 和L2=400 m，斷面尺寸與尾調(diào)洞接近。調(diào)壓室所在空間總長(zhǎng)度340 m（1#和2#調(diào)壓室長(zhǎng)度均為 155 m，中間預(yù)留巖梗柱長(zhǎng) 30 m），空間寬度 22 m，調(diào)壓室內(nèi)的最高涌浪水位為978.90 m，最低涌浪水位為 942.95 m，高差約 36 m，對(duì)應(yīng)的水位浮動(dòng)總空間為V=250994 m3，當(dāng)調(diào)壓室為最高涌浪水位時(shí)，包括調(diào)壓室拱頂空間在內(nèi)的總空間為Vh=52909 m3，即當(dāng)調(diào)壓室為最低涌浪水位時(shí)，調(diào)壓室內(nèi)空氣所能充滿的空間體積為V0=303903m3。

2 風(fēng)速計(jì)算參數(shù)及條件

根據(jù)已知，選取水流量峰值持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的 D1工況作為計(jì)算研究對(duì)象，其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)調(diào)壓室的總尾水流量變化如圖3 所示，從圖3 可以看出，在前 200s的時(shí)間內(nèi)，尾水流量逐漸升高，說明單位時(shí)間內(nèi)壓縮調(diào)壓室內(nèi)空氣的體積越來越大，從而導(dǎo)致調(diào)壓室內(nèi)的空氣在短時(shí)間內(nèi)壓力升高，并通過與調(diào)壓室相連的通氣洞排出。

圖3 尾水調(diào)壓室D1 工況下的水流量曲線

同時(shí)，這個(gè)過程是一個(gè)持續(xù)性的累積過程，由于剛開始尾水調(diào)壓室內(nèi)的水位較低，尾水流量較小，單位時(shí)間內(nèi)所引起的空氣其體積變化能夠被較大的調(diào)壓室空間所吸收，基本不會(huì)引起調(diào)壓室向通氣洞的排風(fēng)，也就是單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入調(diào)壓室的尾水占據(jù)了一定的空氣體積，但并不會(huì)立即引起與該體積所對(duì)應(yīng)的等量空氣全部被排出調(diào)壓室，隨著尾水繼續(xù)以更高流量進(jìn)入調(diào)壓室，調(diào)壓室內(nèi)的空氣體積變化逐漸累積增大，空氣壓力極速升高，這導(dǎo)致“與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入調(diào)壓室尾水體積所對(duì)應(yīng)的等體積空氣”，一部分通過通氣洞被排出了調(diào)壓室，而另一部分則用于維持調(diào)壓室內(nèi)較高的壓力，即前一部分空氣排出調(diào)壓室所需的動(dòng)力。

上述分析說明：該流動(dòng)過程在時(shí)間上是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)過程[1]，需對(duì)尾水及空氣流動(dòng)的全過程即從流動(dòng)開始的0 s 至尾水流量即將轉(zhuǎn)為負(fù)值的180 s（取整3 min）進(jìn)行連續(xù)的模擬計(jì)算。同時(shí)，該過程在空間上又可劃分為2 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的對(duì)象來研究，即空氣為可壓縮流體的調(diào)壓室和空氣為不可壓縮流體的通氣洞及通風(fēng)兼安全洞，前者重點(diǎn)通過計(jì)算留存在調(diào)壓室內(nèi)的空氣質(zhì)量和體積的變化關(guān)系，來求解調(diào)壓室的空氣壓力，后者則主要應(yīng)用流體力學(xué)計(jì)算排出調(diào)壓室的空氣質(zhì)量及其對(duì)應(yīng)的流動(dòng)阻力即對(duì)應(yīng)時(shí)刻調(diào)壓室的空氣壓力，而這2 個(gè)對(duì)象中涉及的“留在調(diào)壓室內(nèi)的空氣質(zhì)量”與“排出調(diào)壓室的空氣質(zhì)量”之和即“單位時(shí)間內(nèi)尾水體積流量對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量”，2 個(gè)研究對(duì)象存在計(jì)算上的迭代關(guān)系。具體公式如式（1）～（4）。

式中：Pτ—τ時(shí)刻時(shí)尾水調(diào)壓室內(nèi)空氣表壓力，P a；—τ時(shí)刻下留在調(diào)壓室內(nèi)的空氣流量（大氣壓狀態(tài)下），m3/ s；Vτ—τ時(shí)刻時(shí)調(diào)壓室內(nèi)剩余的空氣空間體積，m3；P0—標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，取101325Pa。

式中：V0—0 時(shí)刻時(shí)調(diào)壓室內(nèi)的空氣空間體積，m3。

式中：S—通氣洞及通風(fēng)兼安全洞的通風(fēng)總阻抗，kg/m7。

上式中，通氣洞的通風(fēng)阻抗的計(jì)算涉及到風(fēng)道狀態(tài)的假設(shè)，主要包括：假定風(fēng)道絕對(duì)粗糙度κ=0.15 m，尾調(diào)通氣洞的局部阻力系數(shù)為2，通風(fēng)兼安全洞（往排風(fēng)井一側(cè)）的局部阻力系數(shù)為 3。同時(shí)，也涉及到沿程阻力系數(shù)λ的計(jì)算，由于空氣在通氣洞流動(dòng)速度較大，其屬于紊流粗糙區(qū)，根據(jù)希弗林松公式，可計(jì)算得到空氣在通氣洞內(nèi)沿程阻力系數(shù)，具體如式（5）所示。

式中：λ—為通氣洞沿程阻力系數(shù)；κ—為通氣洞壁面的絕對(duì)粗糙度，m；d—為通氣洞及通風(fēng)兼安全洞的斷面直徑，m。

接著需要根據(jù)風(fēng)道沿程及局部阻力系數(shù)求取通風(fēng)阻抗，如式（6）所示。

式中：L—為通氣洞或通風(fēng)兼安全洞的長(zhǎng)度，m；ζ—為單個(gè)局部阻力結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)；ρ—為常壓下的空氣密度，取1.2 kg/m3。

最后，得到的風(fēng)道水力計(jì)算前的各參數(shù)值為：λ=0.0144，尾調(diào)通氣洞的通風(fēng)阻抗S1=0.0012 kg/m7，通風(fēng)兼安全洞的通風(fēng)阻抗S2=0.0016 kg/m7。

3 模擬計(jì)算及結(jié)果分析

通氣洞的空氣流速計(jì)算主要采用 Excel 軟件，由于每一個(gè)時(shí)刻均涉及到調(diào)壓室內(nèi)壓力和通氣洞內(nèi)空氣流量的迭代計(jì)算，考慮到 Excel 自帶的迭代功能迭代步數(shù)有限，因此根據(jù)前述分析得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分段計(jì)算的方法進(jìn)行尾水閘門開啟后，通氣洞空氣流動(dòng)的模擬計(jì)算。主要將0 s～180 s 的計(jì)算時(shí)間劃分為了“開始時(shí)刻 0.0s～12.6 s”、“峰值時(shí)刻 12.9 s～45.3 s”、“下降時(shí)刻 45.6s～99.9 s”和“后續(xù)時(shí)刻 100.2 s～180.0 s”共4 個(gè)區(qū)間。

最終得到通氣洞內(nèi)的風(fēng)速計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，其最大風(fēng)速值出現(xiàn)在“下降時(shí)刻”的47.5 s 附近，為22.9 m/s。而采用前后時(shí)刻互不關(guān)聯(lián)的常規(guī)算法即將該問題簡(jiǎn)化為某時(shí)刻下的穩(wěn)態(tài)過程的計(jì)算方法，得到的結(jié)果亦在圖4 中給出，其最大風(fēng)速值出現(xiàn)在“峰值時(shí)刻”的14.7s 附近，為24.69 m/s，采用常規(guī)算法比連續(xù)時(shí)間的模擬算法得到結(jié)果差異明顯，因此該問題不可利用常規(guī)算法粗糙求解。

圖4 不同計(jì)算方法所得到的通氣洞空氣流速曲線

為了進(jìn)一步判斷調(diào)壓室壓力變化對(duì)主廠房等造成影響的程度，需根據(jù)尾調(diào)通氣洞與通風(fēng)兼安全洞的連接處的壓力變化進(jìn)行定量分析，根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，可得到尾調(diào)通氣洞與通風(fēng)兼安全洞連接處的壓力波動(dòng)曲線，如圖5 所示。

圖5 尾調(diào)通氣洞與通風(fēng)兼安全洞連接處的壓力變化曲線

從圖5 可以看出，尾調(diào)通氣洞與通風(fēng)兼安全洞的壓力分布曲線的最大值同樣出現(xiàn)在風(fēng)速最大的時(shí)刻47.5 s 附近，為1636.5 Pa，壓力絕對(duì)數(shù)值較大，會(huì)對(duì)主廠房造成一定的影響。但同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)大通氣洞或通風(fēng)兼安全洞的通風(fēng)局部阻力系數(shù)時(shí)，雖然連接處的壓力會(huì)略有提高，但風(fēng)速的絕對(duì)值會(huì)出現(xiàn)降低的情況，從而降低尾水調(diào)壓室對(duì)主廠房的影響。

4 結(jié)論

通過模擬計(jì)算，得到通氣洞內(nèi)的最大空氣流速為22.9 m/s，尾調(diào)通氣洞與通風(fēng)兼安全洞連接處的最大壓力值為 1636.5 Pa，二者均出現(xiàn)在“下降時(shí)刻”的47.5 s附近，且均低于采用常規(guī)直接計(jì)算方法得到的空氣流速和壓力。但由于空氣流速峰值及連接處的壓力峰值均較大，會(huì)對(duì)主廠房的正常運(yùn)行造成一定的影響。

初步分析后，針對(duì)尾水調(diào)壓室對(duì)主廠房的通風(fēng)影響，可采取如下工程措施削弱影響程度：①將通風(fēng)兼安全洞通往排風(fēng)井一側(cè)的風(fēng)機(jī)盡可能地選大，以減小流向主廠房的空氣流量。②減小通風(fēng)兼安全洞通往排風(fēng)井一側(cè)隧道壁面的粗糙度，增大通往主廠房一側(cè)隧道壁面的流動(dòng)阻力。③在通風(fēng)兼安全洞內(nèi)設(shè)置與尾水閘門聯(lián)動(dòng)的圍堵措施，避免空氣向主廠房側(cè)的流動(dòng)。