高雅芬，姚敏杰，韓 偉

(1．中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311222；2．浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018)

1 研究背景

進/出水口具有雙向特點，是抽水蓄能電站中連接水庫與機組的重要水工建筑物[1]。抽水蓄能電站分為側式與豎井式，在建或已建的抽水蓄能電站主要采用側式[2_3]。進/出水口的體型設計對水電站高效、經(jīng)濟運行有較大的影響[4]，設計不當會使電站運行過程中水流出現(xiàn)流態(tài)不穩(wěn)定和流量分配不合理等問題；出現(xiàn)有害吸氣漩渦、水頭損失大、水動波動大等問題，惡劣時候甚至產(chǎn)生反向流速問題。因此，進行進/出水口水工模型試驗很有必要[5]。

目前很多學者利用三維模擬和水工模型試驗方法對側式進/出水口水損、流態(tài)、漩渦的形成與變化進行規(guī)律性研究[6_9]。梅家鵬等[10]通過三維水動力模型，優(yōu)化了進/出水口分流墩位置、孔寬和擴散角度。高學平等[11]建立典型進/出水口試驗裝置，利用粒子圖像測速技術(PIV)和聲學多普勒測速技術(ADV)測量進/出水口處的流速變化。Wei C Y等[12]對某抽水蓄能電站進/出水口進行數(shù)值模擬，并分析研究其產(chǎn)生的漩渦。上述學者們的成果和探討為進/出水口體型設計提供了合理的依據(jù)。

2 工程概況

某抽水蓄能電站總裝機容量1 200 MW(4×300 MW)，輸水系統(tǒng)布置為兩洞四機，由上庫進/出水口及事故閘門井、引水管道、尾水管道、下庫進/出水口及檢修閘門井等組成[13]。輸水系統(tǒng)總長約2 371.68 m(沿4號機)，其中引水系統(tǒng)全長約1 281.24 m，引水鋼襯段長791.53 m，尾水系統(tǒng)全長約1 090.44 m，電站距高比為5.07。

3 進/出水口水頭損失試驗研究

水流運動過程中單位重量液體機械能的損失為水頭損失，分為局部和沿程水頭損失[14]。局部水頭損失是抽水蓄能電站側式進/出水口的主要水頭損失,反映了水流在進/出水口處的能量損耗,影響著電站能量轉換效率[15]。進/出水口段主要由擴散段、方變城門洞段、閘門井段、城門洞變圓段等組成。水頭損失計算公式根據(jù)伯努利方程分別為：

抽水工況：h1-0=1+av2/2g-0

(1)

發(fā)電工況：h0-1=0-1-av2/2g

(2)

水頭損失系數(shù)：ξ=2ghj/av2

(3)

式中，ξ為水頭損失系數(shù)，hj為水頭損失(j代表0-1或1-0)，0為庫水位測壓管水位，1為擴散段后1.5D斷面測壓管水位，a為動能修正系數(shù)，v為隧洞平均流速。

試驗時，首先保證水流呈紊流，判別水流進入紊流阻力平方區(qū)的方法是測量進/出水口不同流量下的水頭損失，計算得出的水頭損失系數(shù)相近。

進/出水口水頭損失模型試驗的數(shù)據(jù)結果如下所示(見表1、圖1)。水位為827 m時，該抽水蓄能電站上庫進/出水口水頭損失系數(shù)發(fā)電工況為0.265，抽水工況為0.475。通過對比進行過模型試驗的同類型進/出水口的損失系數(shù)，如宜興抽水蓄能電站上庫進/出水口抽水工況為0.476；十三陵抽水蓄能電站下庫進/出水口抽水工況為0.26。結果表明，本電站上庫進/出水口水頭損失系數(shù)與上述同類型的水頭損失系數(shù)屬同一水平，抽水和發(fā)電兩種工況下，進/出水口水頭損失隨著流速水頭的增加而增大。

利用（3）式將矩陣B進行化簡發(fā)現(xiàn)它的行和與列和都為零，因此矩陣B總有特征向量(1,1,1,...)，其對應的特征值為0，這是拉普拉斯圖矩陣的性質(zhì)〔7〕，也是圖分割的基礎。

表1 側式進/出水口水頭損失

4 進/出水口流速分布試驗研究

為防止攔污柵振動，保證流道流速分布均勻，通常要求此門槽處流速分布不均勻系數(shù)小于2.0[16]。攔污柵及前緣斷面測點布置如下所示(見圖2(a))。流速數(shù)值在1號進/出水口的各孔口處

(a)抽水工況

提取。孔口沿垂線分布分別為1-1、1-2、1-3、1-4，各孔口又提取左、中、右3條垂線上的流速(即1-4左、1-4中、1-4右)來研究同一孔口流速沿橫向的變化。各垂線設5個測點，從孔口底部至頂部，位置如下所示(見圖2(b))。

4.1 抽水工況

抽水工況時，上庫進/出水口水流為出流狀態(tài)，試驗結果表明，各孔口前緣流速分布較均勻，平均流速為0.44～0.65 m/s(見表2、圖3)。

表2 1號進/出水口前緣流速分布

(a)測點平面布置圖

各孔口攔污柵斷面流速分布較均勻，平均流速為0.63～0.77 m/s(攔污柵斷面平均流速理想值0.686 m/s)，最大流速1.39 m/s。

各孔口流速不均勻系數(shù)為1.69～1.90(見表3、圖4)，每個孔口測線上流速分布基本相同。

表3 1號進/出水口攔污柵斷面流速分布

圖4 1號進/出水口攔污柵斷面流速分布

4.2 發(fā)電工況

發(fā)電工況時，上庫進/出水口水流為進流狀態(tài)。根據(jù)進/出水口試驗結果表明，各孔口前緣流速分布較均勻，平均流速為0.36～0.49 m/s(見表4、圖5)。

各孔口攔污柵斷面流速分布較均勻，各孔口平均流速0.64～0.74 m/s(各孔口平均流速理想值0.707 m/s)，最大流速0.87 m/s。各孔口流速不均勻系數(shù)為1.12～1.25(見表5、圖6)，每個孔口測線上流速分布基本相同。

表4 1號進/出水口前緣流速分布

圖5 1號進/出水口前緣流速分布

表5 1號進/出水口攔污柵斷面流速分布

圖6 1號進/出水口攔污柵斷面流速分布

5 進/出水口漩渦試驗研究

目前抽水蓄能電站進/出水口前自由表面漩渦分為若干類?，F(xiàn)工程中多采用美國麻省Worcester綜合研究所Alden實驗室的分類法，分為6種漩渦類型[17]：一二型為表面渦紋和微渦，流體旋轉不明顯或表面微凹，旋轉的流體近于無漩渦，不引起危害，實際工程中可以存在。三四型為染料和挾物漩渦，染料或雜物跟隨漩渦進入取水口，但沒有空氣吸入的漩渦，稱為弱漩渦，它對機組與建筑物產(chǎn)生的危害不嚴重，但實際中也需防止。五六型為間歇吸氣和連續(xù)吸氣漩渦，漩渦中心為漏斗形氣柱，空氣能進入進/出水口，屬于強漩渦，電站進水口通常不允許出現(xiàn)，會產(chǎn)生較嚴重的后果。

5.1 進/出水口漩渦判別

漩渦的形成在一定邊界條件下與淹沒深度、進口流速和尺寸相關，即相關于佛汝德數(shù)Fr，不出現(xiàn)吸氣漩渦的臨界淹沒深度SC由下式確定:

SC=CVd1/2

(4)

式中，SC為臨界淹沒深度(從孔口頂部計算)；d為孔高；V為閘門引水道流速；C為系數(shù)，對稱進水時取0.55，不對稱時取0.73。

進水口的佛汝德數(shù)Fr應滿足：

(5)

表6 進水口進流漩渦判別

5.2 進水口漩渦試驗結果

一般情況下當Re及We不符合臨界值要求時，試驗應采用加大流量法對漩渦運動進行補充觀察來消除模型縮尺因素的影響。本研究中模型為死水位時，加大2倍流量，Re及We均滿足臨界值要求。

試驗結果表明，上庫死水位，設計流量雙機發(fā)電，進/出水口上方水面大多時間較平穩(wěn)，某些孔口攔污柵斷面處水面發(fā)生渦紋。將流量增至2倍，攔污柵斷面處水面發(fā)生表面渦紋的孔口有所增多，渦紋強度略有增加。根據(jù)觀測結果，并結合進水口漩渦經(jīng)驗公式判別結果(見表7)，死水位827 m；設計流量雙機發(fā)電運行時，進/出水口將不產(chǎn)生有害漩渦。

表7 進/出水口漩渦情況

6 結 論

本文結合某抽水蓄能電站上庫側式進/出水口進行了水力特性模型試驗研究。結果表明：不同流量下水頭損失系數(shù)基本相同，紊流阻力平方區(qū)處水頭損失系數(shù)與雷諾數(shù)無關。進/出水口出流和進流時，孔口前緣流速分布和攔污柵斷面流速分布較均勻，各孔口左、中、右流速分布基本相同。漩渦的形成與相對淹沒深度s/d和Fr的關系，進/出水口佛汝德數(shù)Fr<0.23,并相對淹沒深度s/d>0.5，不產(chǎn)生有害的漩渦。