水電站進水口試驗研究論文

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摘要：三峽水利樞紐分設左右兩座廠房，單機容量700MW，正常蓄水位175.00m。在廠房進水口研究上，長科院和清華大學都進行了各種水工模型試驗，研究了邊壁壓強分布、水頭損失和進口流態。雙孔方案在水頭損失、機組運行穩定性等方面較單孔有利。無論單或雙孔，經優化后，水頭損失都減少了約15cm，年發電量約增加1.5萬kW•h，具有巨大的經濟效益。

關鍵詞：三峽水電站進水口形式水工模型試驗單孔方案雙孔方案

1概述

三峽水利樞紐分設左、右岸兩座廠房，共裝26臺水輪發電機組。其中左岸廠房14臺，右岸廠房12臺，并在右岸山體內預留后期擴機的6臺地下廠房位置。電站廠房為壩后式，每臺機組段長38.3m，單機容量為700MW，總裝機容量18200MW，年平均發電量846.8億kW·h。

按初步設計：電站引水壓力鋼管為一機一管小喇叭單孔進水口；為壩下游坡淺槽背管布置；內徑為12.4m；設計單機引用流量為996.4m3/s，平均流速達8.0m/s。

三峽電站校核洪水位為180.40m，正常蓄水位(設計洪水位)為175.00m，防洪限制水位145.00m；初期正常蓄水位為156.00m，初期防洪限制水位為135.00m。

電站的主要參數見表1。

長科院1994年前對水平l進口、水平2進口、小斜1小進口、小斜2大進口等四個方案進行了比尺1：52.4的模型試驗。試驗研究了邊壁壓強分布、水頭損失和進口流態。

*圍堰發電時，最小水頭為56m。

廠房專家組第一、二、三次會議，對水電站布置及設計主要原則進行了審議，建議通過水工模型試驗，進一步論證帶中墩的雙孔進水口方案的可行性和合理性。當時認為雙孔進水口具有如下優點：

①閘門孔口過水面積增加，平均流速減少，有可能減少水頭損失；

②進口前沿寬度擴大，過欄污柵水流流速分布均勻，減小了阻塞的可能性；

③減少閘門尺寸和啟閉機容量，使運行方便可靠。

國外已建的特大型水電站，進水口單、雙孔形式均有?？紤]到三峽水電站的重要性和發電效益，應進行兩種方案的研究，選擇最佳方案，以保證各種工況下均能安全、穩定、高效地運行。為此，三峽總公司技委會分別委托長科院和清華大學進行了單、雙孔進水口兩種方案的大比尺模型試驗的對比研究，并根據試驗結果逐步對各方案進水口的體型進行優化。

雙孔方案各研究了三種體型，共6個模型，即單Ⅰ、單Ⅱ、單Ⅳ和雙Ⅰ、雙Ⅱ、雙Ⅲ。

2模型設計

2.1模型比尺選擇

由專家組確定模型的長度比尺λ1＝1:30，相應即可求得其它正態模型的比尺。

2.2試驗設備

為了便于單、雙孔比較，兩個方案并列布置，各優化方案模型則由其前一模型改裝而成。

模型試驗場地寬6m，長16m，布置在室內。試驗室供水能力為300L/s模型需水量為196L/S模型模擬了一個機組段且進水口前為對稱進水。水庫用水泥砂槳抹面的磚砌水槽模擬，槽長4m，寬1.5m，深3.7m。進入水槽的水流經過兩道水柵。水槽首部均有單獨的供、排、穩水系統，以保證進水口前的行進水流平穩對稱。

模型自攔污柵墩首至蝸殼進口均用有機玻璃制作。為了便于進行流態觀察，將整個進水口做在水槽外，即進口前至攔污柵的兩側壁也用有機玻璃制作。有機玻璃的糙率nm＝0.007～0.008，可滿足相似要求。

攔污柵用厚0.5mm的鐵皮制作，模型尾部模擬到機組的蝸殼進口。在模型中，外加長1.31m的直段，并通過長0.3m的錐管與30.5cm的鑄鐵閥門相接，用以控制流量。

2.3庫水位及壓強的量測

上游水庫的水位及進水口、壓力管道的壓強均用測壓管量測。

在水槽距進水口3.2m處引出φ8mm的銅管，然后用φ8mm的軟膠管引到測壓板的讀數玻璃管上，用于量測庫水位。

進水口及管道壓強的量測，采用在有機玻璃壁上打穿φ6mm小孔，用φ6mm膠管連接到測壓板的讀數玻璃管上。

2.4流量測量

流量用量水堰量測。水流從模型尾端的閥門流出后，經過兩道穩水柵穩水，距出流處4m設銳緣矩形薄壁堰，堰寬0.8m。用雷伯克公式計算流量。

3單孔試驗結果

3.1單孔模型的區別與聯系

單孔的三個模型，是逐步改進的，其中單Ⅰ是三峽水電站進水口的原初步設計方案，因試驗中發現吸氣旋渦，故又進行了改進，變成單Ⅱ方案。單Ⅱ方案流態仍不理想，于是又進行了優化，得到單Ⅳ方案。

和單Ⅰ相比，單Ⅳ主要進行了如下改進：

①使進口上下對稱。進口下緣曲線胸墻斷面以前由圓弧改為臺階式。以改善進口前的流態。

②增大了淹沒深度，以減少旋渦發生。

③進口上、下側曲線均改為雙圓弧，這樣接近于橢圓曲線。同時進口開闊，閘門孔口前斷面積增大，以減小水頭損失。

④進口、漸變段及其后直管的傾角改為水平，促使進口真正做到上下對稱。

⑤增加起破漩作用的人字撐，以改進進水口前的流態。

⑥閘門槽寬度則由2.40m減為2.00m，以減小對水流的干擾，改善流態，減少水頭損失。

3.2三個模型試驗結果綜合分析

三個模型均進行了進水口前流態、水頭損失和邊壁壓強分布的測試。

壓強分布由測壓管測得，水頭損失系根據庫水位和斷面測壓管讀數由恒定流量方程求得，試驗中的水頭損失計算斷面如附圖所示。

斷面1-1位于距進水口3.20m的上游水槽中，2-2斷面取在0十118.00樁號斷面(蝸殼進口斷面)。試驗中可以認為水體是不可壓縮的，兩斷面間的水體與外界無物質與能量交換，水體作恒定流動，兩斷面均為漸變流斷面。

為方便起見，本文只分析了模型無攔污柵情況。在分析水頭損失和壓強分布時，只分析上游水位為145.00m，流量為966.4m3/s的情況；壓強只分析135.00m水位情況。

3.2.1流態

流態對漩渦的分類方面。單I模型在上游水位135.00m時有S型游渦，V1型游渦和V2型漩渦，無V3型漩渦。

在進水口前的水位為135.00m時，單Ⅱ進水口前的流態與單I相似，S型、Vl型、V2型漩渦都存在，無V3型漩渦；V2型漩渦較單I中的強度小，帶氣量少，但頻率高。這說明，單Ⅱ所采用的降低進水口高程、減小壓力管斜角、加破漩渦人字撐等措施達到了改善進水口前流態的效果，但仍需優化。

單Ⅳ，僅有S型漩渦，無V型漩渦，流態較單Ⅰ、單Ⅱ好。這說明，單Ⅳ所采用的對稱進水口、改變人字撐和高程等措施具有改善進水口前流態的效果；特別是具有破漩作用的人字撐，由于其高程的改變，破漩效果明顯。

3.2.2水頭損失

三個模型試驗的水頭損失系數見表2。

三個模型在進行逐步的體型改進后，取得了明顯效果，水頭損失逐步減?。簡微蜉^單Ⅰ水頭損失減小了約5cm，單Ⅳ較單Ⅱ又減小了約10cm。分析三個模型的改進之處：由單Ⅱ水頭損失小于單Ⅰ可知，由大小圓弧構成的組合進口邊壁較中圓弧水流條件更好；由單Ⅳ水頭損失小于單Ⅱ可知，對稱進水口進流勻稱，和非對稱進水口相比較，前者水流受干擾少，減小了引水系統水流的摻混作用，能大大減少水頭損失。

3.2.3進水口壁面壓強分布

單Ⅱ的振蕩較大，單Ⅰ次之，單Ⅳ最好。這說明圓弧對水流影響較大，而雙圓弧水流條件更優。只有近似橢圓的雙圓弧曲線才較順應水流，單Ⅳ的上緣曲線接近于l/4橢圓形，說明橢圓曲線是進水口邊壁較理想的的曲線形式。

同上面三個模型的試驗結果可知，在流態、水頭損失、壓強分布上，總的來講，單Ⅱ優于單Ⅰ，單Ⅳ優于單Ⅱ及單Ⅰ。綜上所述，對單孔方案有如下結論：

①增加進水口的淹沒度可以改善進水口前的流態，減小漩渦的發生。

②前緣小半徑圓弧后接大半徑圓弧的近似橢圓曲線的雙圓弧曲線更近于流線形狀。因而對水流干擾小，進水口邊壁壓強分布均勻，水頭損失小。

③上下、左右對稱的進水口，進水口前的流態較好。

④進水口前加人字撐，可起到破除漩渦的作用。

4雙孔試驗結果

4.1三個雙孔模型的區別與聯系

雙Ⅱ是在雙Ⅰ基礎上改進的，雙Ⅲ則是在雙Ⅱ基礎上優化的，目的是在進一步減小水頭損失的同時，改進進水口前的流態。故此，三個模型的主要變化都在進水口前后，壓力管道部分基本相同。

雙Ⅲ對雙Ⅰ的改進如下：

①攔污柵墩底部由圓弧曲線改為平直線，直線后接一段斜直線，再接半徑10.00m的圓弧曲線，使進水口工作門的前面更開闊，斷面面積更大，更趨于上下對稱的情況。

②進水口淹沒深度增加，可減少進水口前漩渦的發生。

③側曲線和中墩幾乎未作改變。進水口上緣曲線改為圓弧曲線，曲線末端也由第一道門槽加長到第二道門槽。后者更接近于流線形，且使進口開闊。

4.2三個模型的試驗結果

4.2.1流態

雙I進口前水位135.00m時，水面平穩，有弱S型漩渦(只是表面漩渦，無下凹現象)未見V型漩渦。

雙Ⅱ水位135.00m時，進口前亦發現有S型漩渦，但強度較雙l稍大，除了表面旋轉外，有下凹現象；未見V型漩渦。

雙Ⅲ水位135.00m時，進水口前水面平穩，有S型漩渦，但強度較雙Ⅱ弱；與雙I相似，無V型漩渦。

4.2.2水頭損失

三個模型的水頭損失系數見表3。

雙孔方案的改進取得了較大的成功，其中很多改進是參考其他工程及文獻的基礎上提出的，如采用橢圓曲線作進水口邊壁，中墩的改進等。由表3可以看出，雙Ⅱ較雙Ⅰ水頭損失減小了11cm，雙Ⅲ較雙Ⅱ減少了12cm。

4.2.3壓強分布

三個模型的壓強分布，除雙Ⅱ局部壓強的驟變外，三條壓強分布曲線都很光滑，幾乎不存在壓強的振蕩，這說明三種方案進水口曲線雖然不同，但對水流的影響效果相差不大；和單孔比較，雙孔方案的壓強分布較單孔方案好，其原因主要是雙孔方案的進水口流速較低，沿程壓強振蕩較小。

上述試驗結果，結合雙孔三個模型的改進，有如下結論：

①淹沒深度增大時，進水口上下對稱有利于改善進水口前的流態。

②攔污柵墩與進水口距離增大，進口前流態變差，說明攔污柵具有一定的破漩作用。

③小半徑圓弧與大半徑圓弧相連的近似1/4橢圓曲線的組合曲線及l/4橢圓曲線比單圓弧曲線更接近于流線，因而其壁面上壓強分布均勻，水頭損失小。

5單、雙孔方案的比較

這里在流態和水頭損失方面將單、雙孔方案作一比較。流態只分析135.00m水位，水頭損失只分析145.00m水位時的情況，原型流量均為966.40m3/s。

5.1流態比較

單I上游水位為135.00m時，進水口水面即有S型漩渦，又有V型漩渦，漩渦帶氣進入壓力管道，氣帶直徑模型達3～4cm持續時間長達10s；S型漩渦則持續存在，水面上下波動較大。

單ⅡS型、V型漩渦并存，挾氣漩渦直徑模型lcm左右，統計平均每10min約有14～15個。

單Ⅳ有S型波渦，未發現V型漩渦，漩渦旋轉較快，有時漩渦中心凹陷。

雙I進口水面平穩，偶有弱S型漩渦出現，未見有V型漩渦。

雙Ⅱ發現有S型漩渦，強度較弱，多為表面旋轉，偶有中心凹陷的漩渦出現。

雙Ⅲ水面平穩，幾乎無s型漩渦出現。

5.2水頭損失比較在經過優化后，無論是單孔還是雙孔，水頭損失都有較大幅度的減少，其中單Ⅳ和單Ⅰ比較，水頭損失減少了0.160m，雙Ⅲ與雙Ⅰ比較，水頭損失減少了0.244m，雙孔減小幅度較大。另外，就單、雙孔的最終方案(單Ⅳ、雙Ⅲ)而言，雙孔方案的水頭損失較單孔方案小0.061m。

綜上所述，由于雙孔方案進口面積大，流速低、進口寬，因而雙孔方案在流態方面大大優于單孔方案。在水頭損失方面，雙孔方案雖有中墩的存在，水頭損失仍較單孔方案為小。

由此可以看出，無論在流態還是水頭方面，雙孔方案均優于單孔。因此從水力學角度選擇時，雙孔方案在水頭損失、機組運行穩定性以及電站安全等方面較單孔有利。

6結語

(1)在水面下漩渦易發生部位適當高程位置設置水平橫梁，可具有破除漩渦的作用。其破漩作用與其對于水面的高程有關，高程適合時，破漩作用明顯；否則只減小漩渦發生的強度，但卻增加了漩渦發生的頻率，并且使臨界淹沒深度增大。因此，不同情況下橫梁設置高程應由試驗確定。

(2)進口邊壁采用橢圓曲線或接近橢圓的雙曲線較單圓弧曲線更切合流線。

(3)上下、左右均對稱的進水口體型較優。

(4)雙孔進水口與單孔進水口相比較，前者進水口流態好，水頭損失小，過柵流速分布均勻。

(5)無論單孔方案還是雙孔方案，在經過優化后，水頭損失都減小了約15cm以上，年發電量約增加1.5億kW·h，具有巨大的經濟效益。此外兩個方案均改善了進水口前流態和進水口邊壁上的壓強分布。