抽水蓄能电站侧式进出水口拦污栅断面的流速分布研究

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1、水利学报年月第卷第期文章编号抽水蓄能电站侧式进?出水口拦污栅断面的流速分布研究孙双科柳海涛李振中孙春芸中国水利水电科学研究院水力学研究所北京北京国电水利电力工程有限公司北京摘要本文以某抽水蓄能电站上水库进?出水口为例通过水工模型试验研究了侧式进?出水口拦污栅断面的流速分布规律着重分析了扩散段隔墩布置型式与过渡段体型对拦污栅断面流速分布的影响研究结果表明上弯段后过渡段长度不足与圆变方段起始断面处采用变坡布置是导致拦污栅断面流速分布欠佳的主要原因而三个分流隔墩的墩头位置在扩散段起始断面处齐平对水流流态的影响也是导致拦污栅断面流速分布出

2、现异常的原因之一在上述研究成果的基础上提出了改善拦污栅断面流速分布并有效消除负流速的工程措施关键词抽水蓄能电站侧式进?出水口流速分布拦污栅中图分类号文献标识码研究背景抽水蓄能电站进?出水口有侧式与竖井式两种主要的布置型式从国内外工程运用情况看以侧式进?出水口居多我国许多大型抽水蓄能电站如十三陵广蓄天荒坪宜兴张河湾呼和浩特等都采用了该种布置方式侧式进?出水口的水力设计是抽水蓄能电站水工设计的重要内容之一这是由进?出水口复杂的结构体型及其独特的水力特性所决定的首先在抽水蓄能电站水道系统中上下水库进?出水口分别是压力隧洞与上下水库之间的

3、衔接性水工建筑物一般而言压力隧洞的管径通常按?的经济流速进行设计如此流速量级的水流需通过上下水库进?出水口分别与上下水库进行合理衔接以保障整个水道系统水流流态的稳定与运行安全出于衔接水流的需要侧式进?出水口大都布置为在竖向与横向均有所扩散的基本体型并采用分流隔墩形成二隔墩三流道或三隔墩四流道的布置格局结构体型十分复杂另一方面无论是上水库进?出水口还是下水库进?出水口都需要适应发电与抽水运行时双向水流的流动特点以及库水位升降的频繁变化要求在各种运行情况下进?出水口都具有良好的水力学指标从水力学角度看一般要求侧式进?出水口具有如下技术

4、特点良好的水流流态进流时要避免出现有害的漩涡流动出流时要求水流均匀扩散库区水面波动小较小的局部水头损失为了充分发挥抽水蓄能电站的运行效率寻求水头损失系数相对较小的进?出水口布置体型一直是设计方面关注的重点问题之一安全性为保障拦污栅的运行安全延长其使用寿命要求在各种运行条件下进?出水口各流道之间分流比例均匀各流道内垂线流速分布良好尤其要避免出流时负流速的出现工程实践与前人的研究表明有相当数量的抽水蓄能电站在出流工况下其进?出水口拦污栅断面的流速分布欠佳有的常有负流速出现有的工程负流速量级还比较大这样既增大了局部水头损失影响抽水蓄能电

5、站的运行效益同时又对拦污栅的安全运行构成了威胁缩短了拦污栅的使用寿命如我国的板桥峪宜兴沙河张河湾等大型抽水蓄能电站在进?出水口布置体型的论证与研究过程中都曾经或多或少出现过上述问题收稿日期作者简介孙双科河南南阳人博士教授级高级工程师主要从事水工水力学研究由于扩散段的长度扩散角度以及分流墩的布置形式等都是影响进?出水口段水力特性的主要参数已有研究通常都十分重视扩散段自身的体型优化而对扩散段之外体型布置的重视程度相对较低一些近年来作者结合抽水蓄能电站进?出水口水工模型试验的研究成果表明除了扩散段自身的几何参数之外介于扩散段与压力管道之

6、间的过渡段其体型布置对拦污栅断面流速分布的影响同样不容忽视如以张河湾抽水蓄能电站上库进?出水口为例在出流工况下中间流道拦污栅断面流速分布欠佳底部有负流速出现分析认为上弯段后过渡段长度不足以及圆变方段起始断面处采用变坡布置是导致拦污栅断面流速分布欠佳的主要原因而个分流隔墩的墩头位置与扩散段起始断面齐平造成水流流态过于复杂也是原因之一受篇幅限制本文着重介绍张河湾抽水蓄能电站上水库进?出水口在出流工况下拦污栅断面流速分布的相关研究成果工程概况与水工模型设计张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市附近电站装机容量为电站设计水头年发电量亿度年抽

7、水耗电量亿度上水库采用面板堆石坝全库盆复式结构沥青混凝土防渗总库容万下水库利用尚未完建的张河湾水库经续建加高而成总库容万电站采用地下厂房为中部开发方式可利用最大落差为单机额定发电流量为?单机最大抽水流量为?引水系统采用一管二机尾水系统采用一管一机的布置方式水道系统主要由上库进?出水口压力管道包括岔管尾水隧洞和下库进?出水口等建筑物组成上库进?出水口共有个位于上库东南侧采用岸边侧式布置由前池段防涡梁段调整段扩散段事故检修闸门井段和渐变段组成扩散段内设个分流墩将其分为个过流孔道为使进?出水口内竖向流速分布均匀防止产生负流速设置长的调整

8、段为改善进流流态消除吸气漩涡在调整段前设置三道防涡梁在防涡梁段与调整段之间设有拦污栅槽与叠梁门槽原设计方案的纵剖图见图图上库进?出水口原设计方案纵剖图单位上水库进?出水口整体水工模型按照重力相似律设计模型几何比尺为进?出水口模型段模拟范围包括前池上