馬吉明　劉德朝

摘要 三峽水利樞紐分設(shè)左右兩座廠房，單機容量700MW，正常蓄水位175.00m。在廠房進(jìn)水口研究上，長科院和清華大學(xué)都進(jìn)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(jìn)口流態(tài)。雙孔方案在水頭損失、機組運行穩(wěn)定性等方面較單孔有利。無論單或雙孔，經(jīng)優(yōu)化后，水頭損失都減少了約15cm，年發(fā)電量約增加1.5萬kW·h，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞 三峽水電站 進(jìn)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(shè)左、右岸兩座廠房，共裝26臺水輪發(fā)電機組。其中左岸廠房14臺，右岸廠房12臺，并在右岸山體內(nèi)預(yù)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(fā)電量846.8億kW·h。

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

三峽電站校核洪水位為180.40m，正常蓄水位(設(shè)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(shù)見表1。

長科院1994年前對水平l進(jìn)口、水平2進(jìn)口、小斜1小進(jìn)口、小斜2大進(jìn)口等四個方案進(jìn)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(jìn)口流態(tài)。

廠房專家組第一、二、三次會議，對水電站布置及設(shè)計主要原則進(jìn)行了審議，建議通過水工模型試驗，進(jìn)一步論證帶中墩的雙孔進(jìn)水口方案的可行性和合理性。當(dāng)時認(rèn)為雙孔進(jìn)水口具有如下優(yōu)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(jìn)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(jìn)水口單、雙孔形式均有?？紤]到三峽水電站的重要性和發(fā)電效益，應(yīng)進(jìn)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(wěn)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(xué)進(jìn)行了單、雙孔進(jìn)水口兩種方案的大比尺模型試驗的對比研究，并根據(jù)試驗結(jié)果逐步對各方案進(jìn)水口的體型進(jìn)行優(yōu)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(shè)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(yīng)即可求得其它正態(tài)模型的比尺。

2.2 試驗設(shè)備

為了便于單、雙孔比較，兩個方案并列布置，各優(yōu)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(nèi)。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(jìn)水口前為對稱進(jìn)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(jìn)入水槽的水流經(jīng)過兩道水柵。水槽首部均有單獨的供、排、穩(wěn)水系統(tǒng)，以保證進(jìn)水口前的行進(jìn)水流平穩(wěn)對稱。

模型自攔污柵墩首至蝸殼進(jìn)口均用有機玻璃制作。為了便于進(jìn)行流態(tài)觀察，將整個進(jìn)水口做在水槽外，即進(jìn)口前至攔污柵的兩側(cè)壁也用有機玻璃制作。有機玻璃的糙率n_m＝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(jìn)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(jìn)水口、壓力管道的壓強均用測壓管量測。

在水槽距進(jìn)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(shù)玻璃管上，用于量測庫水位。

進(jìn)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(shù)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(jīng)過兩道穩(wěn)水柵穩(wěn)水，距出流處4m設(shè)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(jié)果

3.1 單孔模型的區(qū)別與聯(lián)系

單孔的三個模型，是逐步改進(jìn)的，其中單Ⅰ是三峽水電站進(jìn)水口的原初步設(shè)計方案，因試驗中發(fā)現(xiàn)吸氣旋渦，故又進(jìn)行了改進(jìn)，變成單Ⅱ方案。單Ⅱ方案流態(tài)仍不理想，于是又進(jìn)行了優(yōu)化，得到單Ⅳ方案。

和單Ⅰ相比，單Ⅳ主要進(jìn)行了如下改進(jìn)：

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

②增大了淹沒深度，以減少旋渦發(fā)生。

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

④進(jìn)口、漸變段及其后直管的傾角改為水平，促使進(jìn)口真正做到上下對稱。

⑤增加起破漩作用的人字撐，以改進(jìn)進(jìn)水口前的流態(tài)。

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(tài)，減少水頭損失。

3.2 三個模型試驗結(jié)果綜合分析

三個模型均進(jìn)行了進(jìn)水口前流態(tài)、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(jù)庫水位和斷面測壓管讀數(shù)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(jìn)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(jìn)口斷面)。試驗中可以認(rèn)為水體是不可壓縮的，兩斷面間的水體與外界無物質(zhì)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(tài)

流態(tài)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(jìn)水口前的水位為135.00m時，單Ⅱ進(jìn)水口前的流態(tài)與單I相似，S型、V₁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(jìn)水口高程、減小壓力管斜角、加破漩渦人字撐等措施達(dá)到了改善進(jìn)水口前流態(tài)的效果，但仍需優(yōu)化。

單Ⅳ，僅有S型漩渦，無V型漩渦，流態(tài)較單Ⅰ、單Ⅱ好。這說明，單Ⅳ所采用的對稱進(jìn)水口、改變?nèi)俗謸魏透叱痰却胧┚哂懈纳七M(jìn)水口前流態(tài)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(shù)見表2。

三個模型在進(jìn)行逐步的體型改進(jìn)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(jìn)之處：由單Ⅱ水頭損失小于單Ⅰ可知，由大小圓弧構(gòu)成的組合進(jìn)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(jìn)水口進(jìn)流勻稱，和非對稱進(jìn)水口相比較，前者水流受干擾少，減小了引水系統(tǒng)水流的摻混作用，能大大減少水頭損失。

3.2.3 進(jìn)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(yōu)。只有近似橢圓的雙圓弧曲線才較順應(yīng)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(jìn)水口邊壁較理想的的曲線形式。

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

①增加進(jìn)水口的淹沒度可以改善進(jìn)水口前的流態(tài)，減小漩渦的發(fā)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(jìn)水口邊壁壓強分布均勻，水頭損失小。

③上下、左右對稱的進(jìn)水口，進(jìn)水口前的流態(tài)較好。

④進(jìn)水口前加人字撐，可起到破除漩渦的作用。

4、 雙孔試驗結(jié)果

4.1 三個雙孔模型的區(qū)別與聯(lián)系

雙Ⅱ是在雙Ⅰ基礎(chǔ)上改進(jìn)的，雙Ⅲ則是在雙Ⅱ基礎(chǔ)上優(yōu)化的，目的是在進(jìn)一步減小水頭損失的同時，改進(jìn)進(jìn)水口前的流態(tài)。故此，三個模型的主要變化都在進(jìn)水口前后，壓力管道部分基本相同。

雙Ⅲ對雙Ⅰ的改進(jìn)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(jìn)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(jìn)水口淹沒深度增加，可減少進(jìn)水口前漩渦的發(fā)生。

③側(cè)曲線和中墩幾乎未作改變。進(jìn)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(jìn)口開闊。

4.2 三個模型的試驗結(jié)果

4.2.1 流態(tài)

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

雙Ⅱ 水位135.00m時，進(jìn)口前亦發(fā)現(xiàn)有S型漩渦，但強度較雙l稍大，除了表面旋轉(zhuǎn)外，有下凹現(xiàn)象；未見V型漩渦。

雙Ⅲ 水位135.00m時，進(jìn)水口前水面平穩(wěn)，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(shù)見表3。

雙孔方案的改進(jìn)取得了較大的成功，其中很多改進(jìn)是參考其他工程及文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提出的，如采用橢圓曲線作進(jìn)水口邊壁，中墩的改進(jìn)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(jìn)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(jìn)水口流速較低，沿程壓強振蕩較小。

上述試驗結(jié)果，結(jié)合雙孔三個模型的改進(jìn)，有如下結(jié)論：

①淹沒深度增大時，進(jìn)水口上下對稱有利于改善進(jìn)水口前的流態(tài)。

②攔污柵墩與進(jìn)水口距離增大，進(jìn)口前流態(tài)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(fā)/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(tài)和水頭損失方面將單、雙孔方案作一比較。流態(tài)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(tài)比較

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

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

單Ⅳ 有S型波渦，未發(fā)現(xiàn)V型漩渦，漩渦旋轉(zhuǎn)較快，有時漩渦中心凹陷。

雙I 進(jìn)口水面平穩(wěn)，偶有弱S型漩渦出現(xiàn)，未見有V型漩渦。

雙Ⅱ 發(fā)現(xiàn)有S型漩渦，強度較弱，多為表面旋轉(zhuǎn)，偶有中心凹陷的漩渦出現(xiàn)。

雙Ⅲ 水面平穩(wěn)，幾乎無s型漩渦出現(xiàn)。

5.2 水頭損失比較(表4)

由表4可見，在經(jīng)過優(yōu)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(jìn)口面積大，流速低、進(jìn)口寬，因而雙孔方案在流態(tài)方面大大優(yōu)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(tài)還是水頭方面，雙孔方案均優(yōu)于單孔。因此從水力學(xué)角度選擇時，雙孔方案在水頭損失、機組運行穩(wěn)定性以及電站安全等方面較單孔有利。

6、 結(jié)語

(1)在水面下漩渦易發(fā)生部位適當(dāng)高程位置設(shè)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(guān)，高程適合時，破漩作用明顯；否則只減小漩渦發(fā)生的強度，但卻增加了漩渦發(fā)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(shè)置高程應(yīng)由試驗確定。

(2)進(jìn)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(jìn)水口體型較優(yōu)。

(4)雙孔進(jìn)水口與單孔進(jìn)水口相比較，前者進(jìn)水口流態(tài)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(jīng)過優(yōu)化后，水頭損失都減小了約15cm以上，年發(fā)電量約增加1.5億kW·h，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。此外兩個方案均改善了進(jìn)水口前流態(tài)和進(jìn)水口邊壁上的壓強分布。