李 偉

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

本工程消能井需適應水擊水頭不同工況的調節(jié)保護泄放要求，同時需滿足下游電站正常發(fā)電的放水消能要求，消能井的運行安全對相鄰建筑物和下游電站的運行均有較大影響。通過調節(jié)保護計算，模型試驗驗證，確定合理的消能井體型，以確保消能井的運行安全是本次研究的重點。

1 工程概況

梯級電站位于沖洪積傾斜平原地貌單元上，北高南低，地形坡度為28‰～36‰，利用地形落差共布置8級水電站，設計流量4.17m3/s，總裝機容量42MW，年發(fā)電量2.27億kW·h，屬小(1)型Ⅳ等工程。該地區(qū)屬干旱荒漠氣候，夏季炎熱多風，多年平均蒸發(fā)量達3253mm，綜合其地形、地貌及氣候特點，為減少沿線蒸發(fā)和滲漏、避免水質二次污染，各級電站均采用埋藏式管道引水，均由引水閘、壓力前池、壓力管道、岔管、旁通系統(tǒng)、電站廠房等建筑物組成。梯級電站特性見表1。

表1 梯級水電站工程特性表

2 消能措施的選擇

2.1 管道末端布設消能措施的必要性

該梯級電站引水管道布置在現代河床兩岸，處于第四系全新統(tǒng)沖積層，地形較為平坦，電站囿于地形地質條件限制，不具備修建調壓井的條件，故采用調壓閥調節(jié)保護措施替代調壓井的方案。該調節(jié)保護措施是控制引水系統(tǒng)壓力和機組轉速的關鍵措施。從梯級電站運行安全考慮，當其中一級電站全部丟荷同時調壓閥拒動失效時，會發(fā)生引水壓力管道超過設計壓力而發(fā)生爆管的風險，因此在管道末端設置了備用調節(jié)保護旁通系統(tǒng)，該旁通系統(tǒng)與廠房順水流向平行布置，如圖1所示。

圖1 旁通系統(tǒng)及消能井平面布置圖

旁通系統(tǒng)由安全泄壓閥和套筒式消能閥兩部分組成。安全泄壓閥作用是當電站丟荷，同時調壓閥拒動時，在規(guī)定時間內開啟，將管道壓力限定在設計壓力以內，防止管內壓力上升而發(fā)生爆管。套筒式消能閥作用是當電站機組甩荷或機組維修時，為保證下游電站不斷流，通過消能閥消能后，向下游泄放水流，從而確保下游電站的正常運行。不論是安全泄壓閥還是消能閥，受其消能率的限制，其水流過閥后剩余水頭還是很高，因此，需在閥后設置消能設施，以消除剩余水頭能量。

2.2 管道末端消能措施的選擇

安全泄壓閥作為管道保護措施，當管道發(fā)生水錘達到規(guī)定壓力時，釋放管內水流從而降壓，此時泄放的水體具有很大的能量，具有明顯的破壞力。為節(jié)省建筑物的造價，采取相應的消能措施，消除泄水能量，從而保證下游河床和泄水建筑物本身和相鄰建筑物的安全是研究的重點。

根據類似工程經驗和相關資料的查閱，對于管道出口消能措施，常用的有涵管沖擊消能箱、噴射擴散消能和深筒式消能井。均屬于特種消能工其適用范圍如下：①涵管沖擊消能箱。適用于小型涵管(涵洞)、輸放水管道出口等，以最大流量不超過9.6m3/s，流速小于9 m/s為限。 ②噴射擴散消能。

適用于輸放水管道、泄水建筑物，性質上和挑流消能相同。③深筒式消能井。適用于輸放水管道出口，高水頭，小流量，是利用射流對消能井的沖擊來消能。

本工程旁通系統(tǒng)及消能建筑物的布置與電站廠房相鄰，管道水流經消能后，需投入下級電站壓力前池。對其以上三種消能措施研究分析，噴射擴散消能需有較寬的場地以適應消能要求，且噴射水流勢必產生霧化，受場地條件限制以及噴射水流霧化對廠房運行的影響，噴射擴散消能已不適用。涵管沖擊消能箱對流速控制有一定的要求，本工程旁通系統(tǒng)安全泄壓閥需在特定要求下及時泄放管內壓力，其順時流速達20m/s左右，已遠遠超出涵管沖擊消能箱的適用范圍，因此不采用此消能方式。從電站廠房的總體布置，工程投資，消能效果等綜合分析考慮，深筒式消能井較適用于本工程，且在國內外得到廣泛應用，因此初擬安全泄壓閥、消能閥末端采用深筒式消能井的消能措施。

3 深筒式消能井的研究

3.1 消能井斷面尺寸的初擬

深筒式消能井因其承受水頭大，工程量小、投資低等優(yōu)點，在20世紀50—70年代國外應用較為廣泛，并取得較好的使用效果，國外消能井工程實例特性參數見表2。

表2 國外消能井工程實例特性參數表

由表2可看出，在流量較小的情況下，消能井的適用水頭范圍很大，其斷面尺寸和深度也較小，在發(fā)揮消能的作用下工程投資得到了節(jié)省。對于流量小、水頭高的管道引水、輸水工程，該消能方式具有很大優(yōu)勢。

本工程設計流量4.17 m3/s，根據調節(jié)保護計算的成果，安全泄壓閥閥徑采用0.35m，當機組和調壓閥出現事故產生水擊壓力，安全泄壓閥調節(jié)保護對應最大泄放流量約3.56m3/s，閥后管道中流速達18.14m/s，流速水頭16.8m。因消能井距離電站廠房較近，如消能井未達到預期的消能效果，會出現消能不充分而發(fā)生沖刷破壞消能井，或水流漫溢發(fā)生水淹廠房的情況，因此消能井斷面尺寸和深度的選擇至關重要。

從表2資料消能井的使用情況可看出，其運行使用中最容易出現問題的是井壁磨損和控制桿斷裂。通過分析，井壁磨損問題的原因主要是管道出口高流速水流直接沖擊井壁，在井壁表面產生氣蝕破壞和磨蝕破壞。要降低其破壞的方法就是降低管道出口水流流速，或加大消能井的斷面尺寸和深度，將流速控制在消能井可承受的抗沖流速范圍內，就能夠避免井磨損問題的發(fā)生。根據調節(jié)保護計算成果，通過計算及工程類比法初擬了消能井的斷面尺寸，單孔消能井長×寬為4m×4m，有效深度8.5m，如圖2所示，考慮電站調節(jié)保護措施較為復雜，安全泄壓閥后水頭和流速是否如計算所述，為確保消能井安全可靠，開展了此消能井的科研模型試驗，以驗證消能井斷面尺寸的合理性。

圖2 消能井縱、橫剖面結構圖

3.2 模型試驗的驗證

本工程梯級電站中最大設計水頭高達234.9m(對應水擊水頭316.5m)，如按模型比尺進行試驗，那么試驗要提供的水庫高度高達31.65m。目前能做到如此高水頭的試驗尚有較大困難。因此，如何通過模型做到與本工程閥前、閥后管道水流運動機理的相似性，也是本次試驗研究的重點。經過研究分析，通過對整個管道系統(tǒng)水流在閥前、閥后，以及過閥水流損失情況分析，研究出了一個合理的試驗途徑，即假設閥下游管道出口為自由出流，整個管道系統(tǒng)中心線為水平線，考慮重力勢能不變，建立閥前和閥后能量方程，依次簡化模型，達到試驗的目的，能量方程如下：

h1+p1/γ+v2/2g=h2+p2/γ+v2/2g+ξ1v2/2g

得到閥前到閥后的總水頭損失為：

hw1-2=ξ1v2/2g=p1/γ-p2/γ

式中，hw1-2—閥的局部水頭損失系數。

考慮到出口為自由出流，也就是p2/γ=0

故：hw1-2=ξ1v2/2g=p1/γ

從上式可看出，對于有閥控制的壓力出流管道，由于沿程斷面流速不變，在下泄水流時，其上游壓強和閥門開度密切相關，從閥的局部水頭損失系數可以知道，開度越小局部水頭損失系數越大，當閥后管道出流方式不變時，上游管道的壓強可通過閥門的開度調整將能量消耗掉。為驗證上述分析的合理性，對該分析進行試驗驗證，通過改變閘閥前的壓力水頭，讓管道下泄流量保持在設計流量4.17 m3/s不變，進行試驗測試比較，測試結果見表3。

表3 模型實測閥后管道壓強及管道出口流速對比表

從以上試驗資料可看出，不論是電站正常甩荷，還是事故停機，閥前作用水頭多大，當下泄流量不變時，管道出口進入消能井的流速就不變，閘后管道壓強也不變化。根據試驗數據分析，其管道出口流速與調節(jié)保護計算成果對比，模型試驗流速數據稍小，但相差不大，說明建立的能量方程是合適的，模型比尺可行。經過不同工況試驗研究對比，得出了消能井井內流態(tài)、流速的分布，以及井壁和井底的壓強分布，得出不同運行工況井內試驗數據。因試驗工況較多，僅對典型不利工況試驗研究進行闡述，其它工況研究成果不再敖述，試驗情況如下：

過閥流量4.17m3/s時，從模型試驗情況，消能井水面穩(wěn)定，水面波動不超過20mm(模型值2mm)，這說明消能井消能充分，其消能效果良好，消能流態(tài)如圖3所示。從流速來看，最大流速出現管道轉彎外側出口處，其流速值為5.33m/s，內測流速最小，流速值為4.89m/s。管口流速分布呈現為外大內小的分布規(guī)律。

圖3 過閥流量4.17m3/s時消能井流態(tài)、流速圖

從井內流速和流速分布來看，井壁發(fā)生氣蝕的情況基本不會出現，試驗對消能井井壁的時均壓強也進行了測驗，測驗結果如圖4所示。從井壁壓強結果看，其壓強分布良好，時均壓強基本和消能井的靜水壓強接近。只有消能井底部的消能墩壓強較大，其圓臺中心壓強最大為10.01×9.8kPa，和調節(jié)保護計算對比，其實驗值稍小。

圖4 過閥流量4.17m3/s時消能井壁壓強分布及數值

對于消能井出口的退水涵來說，由于其水位受下游電站尾水的影響，消能井下泄流量為4.17m3/s時，對應電站最高尾水位進行試驗。但由于消能井和明涵的連接沒有采用圓弧過渡，在明涵進口存在水流流態(tài)不太理想。對電站尾水池來說，由于泄放流量有限，尾水池相對來說較大，所以池內水流平穩(wěn)。明涵水流不對電站尾水水位產生太大影響。明涵的水面線和流速測驗如圖5所示。

圖5 過閥流量4.17m3/s時消能井退水渠水深、流速分布圖

通過消能井模型試驗的研究分析，可以得到以下結論：①設計消能井體型可以滿足消能要求，設計合理，各運行工況不會出現高流速對井壁的磨損。②為了使水流更加平順銜接，對退水明涵進口采用圓滑過渡。③在地形條件允許情況下，閥下游管道當有足夠長度時可降低出口管道的流速。

3.3 比較驗證結論

通過調節(jié)保護計算，以及消能井科研模型試驗的驗證，壓力水頭在閥后泄放流量不超過4.17 m3/s時，消能井就可滿足各工況消能要求，實現壓力水流的消能作用，消能井的斷面尺寸和深度設計是合理的。需要注意的是，安全泄壓閥和消能閥的運行，須根據調節(jié)保護計算成果與電站機組以及調壓閥實現聯(lián)動，互為備用。并制定嚴格的啟閉運行制度，防止安全泄壓閥和消能閥因一次開啟到位，造成上游管道出現負壓超過設計值而失穩(wěn)的情況。另外泄放流量過大時，井內會出現不良的流態(tài)造成消能井破壞。

4 結語

水錘防護和管道消能是確保長距離管道引水電站安全運行的關鍵；本文重點介紹了消能井作為泄放水擊水頭消能措施的研究成果，確定了消能井的體型參數；根據研究成果如能夠加長閥后管道長度，對改善管內水流流態(tài)和降低管道出口流速有明顯效果，可優(yōu)化消能井尺寸，但本工程受場地條件限制，不具備加長管道條件。望本文管道水錘防護和消能井的設計思路、研究成果，能夠對類似工程起到一定的指導和借鑒作用。