昭平水電站船閘檻下分散輸水系統(tǒng)水力特性

本文介紹了五強(qiáng)溪船閘二閘首于１９９６年１２月１２日～１３日進(jìn)行的原型觀測(cè)成果與分析．著重從高水頭船閘輸水系統(tǒng)不恒定流壓力瞬態(tài)變化和反向弧門(mén)流激振動(dòng)兩方面，分析輸水廊道突擴(kuò)體發(fā)生空化空蝕的可能性，以及反向弧門(mén)流激振動(dòng)的危害程度，并對(duì)其安全運(yùn)行作出評(píng)估．

為了研究高水頭船閘原型與模型試驗(yàn)的差異,更好的積累高水頭船閘原型運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),對(duì)渠江金盤(pán)子船閘輸水系統(tǒng)進(jìn)行了水力學(xué)原型觀測(cè)。結(jié)果表明:該船閘進(jìn)出口、閘室內(nèi)流態(tài)較好;閘室內(nèi)船舶系纜力滿足規(guī)范要求;閘室充、泄水的流量系數(shù)較模型增大12%～16%,與國(guó)內(nèi)、外船閘輸水系統(tǒng)研究基本一致;由于泄水閥門(mén)開(kāi)啟速度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)研究情況,因此,其廊道壓力的負(fù)壓值超出規(guī)范要求。并對(duì)此提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

結(jié)合實(shí)際工程,筆者就水電站技改工程中輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì),進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,主要包括輸水系統(tǒng)方案、進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管的設(shè)計(jì).

斑竹水電站航運(yùn)過(guò)壩采有船閘方案。船閘建筑物由上游躉船導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，下游混凝土重力式導(dǎo)墻上、下塢式結(jié)構(gòu)閘首及塢式結(jié)構(gòu)閘室組成。輸水方式采用分散輸水系統(tǒng)－閘墻長(zhǎng)廓道短支出流。經(jīng)計(jì)算分析，閘室水力指標(biāo)及船舶泊穩(wěn)條件好。閘首、閘室鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)布置合理，受力明確。

水力發(fā)電·2o02年·第11期 人在阿壩州領(lǐng)導(dǎo)的陪同下，考察了黑水河流域，并決定由四 川電力股份有限公司負(fù)責(zé)黑水河流域的水電開(kāi)發(fā)；同年11 月，四川電力股份有限公司、四川岷江電力(集團(tuán))公司、汶川 川西電力有限責(zé)任公司共同組建四川黑水河水電開(kāi)發(fā)有限 責(zé)任公司，開(kāi)發(fā)黑水河水電資源，并簽定了協(xié)議書(shū)，全面啟動(dòng) 黑水河流域水電前期開(kāi)發(fā)工作。經(jīng)過(guò)三年多的努力，做了大 量的前期工作，先后完成了《四川阿壩州黑水河流域水電規(guī) 劃報(bào)告》、《竹格多、馬橋電站項(xiàng)目建議書(shū)》、《竹格多水電站可 行性研究報(bào)告》，并通過(guò)了四川省計(jì)委、水利廳和省電力公司 等有關(guān)職能部門(mén)的審查和批復(fù)。 2o02年7月，四川電力股份有限公司、亞洲電力投資股 份公司(新加坡上市公司)、岷江電力股份公司、汶川川西電 力有限責(zé)任公司四家簽定了中外合資企業(yè)四川黑水河水電 開(kāi)發(fā)有限公司的合資合同，共同投資滾動(dòng)開(kāi)發(fā)黑水

針對(duì)高水頭單級(jí)船閘,提出船閘輸水系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)消能工的設(shè)想及總體布置原則.在分析各種典型內(nèi)消能工消能原理和水力特性的基礎(chǔ)上,確定了適合船閘輸水消能特點(diǎn)的豎井式內(nèi)消能工,并給出設(shè)置豎井式內(nèi)消能工輸水系統(tǒng)的具體布置和主要尺寸的確定方法.依托世界單級(jí)水頭第三位的烏江銀盤(pán)船閘工程,對(duì)該船閘設(shè)置豎井式內(nèi)消能工輸水系統(tǒng)方案進(jìn)行布置和初步的計(jì)算分析.結(jié)果表明,豎井式內(nèi)消能工可消耗大部分水流能量,并改善閘室內(nèi)的水流條件,同時(shí)創(chuàng)造了穩(wěn)定的通氣條件,可大大優(yōu)化閥門(mén)的工作條件,但輸水時(shí)間稍長(zhǎng).

三峽永久船閘是目前世界上最大的通航建筑物,地下輸水系統(tǒng)隧洞體形結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工程量浩大,施工質(zhì)量要求高。承擔(dān)此工程的三聯(lián)總公司以全新的運(yùn)營(yíng)模式,科學(xué)化的管理圓滿完成了工程建設(shè),取得了良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)合富春江船閘改擴(kuò)建工程具體條件,根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定及要求,在對(duì)比分析大量資料的基礎(chǔ)上,確定了富春江船閘輸水系統(tǒng)型式及具體布置,重點(diǎn)研究了進(jìn)水口布置方案,并進(jìn)行了1∶30比尺的物理模型試驗(yàn)研究.結(jié)果表明,新船閘采用閘底長(zhǎng)廊道輸水系統(tǒng)布置型式是合適的,通過(guò)老船閘上閘首進(jìn)水口及其閘室共同進(jìn)水的方式是可行的,研究確定的閥門(mén)開(kāi)啟方式,船閘輸水時(shí)間、船舶停泊條件及進(jìn)出水口水流條件等水力指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求.

研究閘底三支廊道的輸水條件,測(cè)試閘底三支廊道頂縫出水輸水系統(tǒng)在不同水級(jí)時(shí)船閘的水力特性,閘室內(nèi)水流條件,閘室內(nèi)船舶停泊條件以及不同水級(jí)在不同閥門(mén)開(kāi)啟工況下,輸水廊道壓力的變化情況。

蜀山泵站樞紐船閘對(duì)引江濟(jì)淮工程航運(yùn)至關(guān)重要,是連通長(zhǎng)江與淮河,確保引江濟(jì)淮航運(yùn)干線暢通的控制性工程,其閘室規(guī)模大、工作水頭高、輸水能量高,輸水過(guò)程水力學(xué)問(wèn)題是船閘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).結(jié)合工程地質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),船閘擬采用形式最為簡(jiǎn)單的閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng),輸水過(guò)程船舶與船閘自身安全能否滿足相關(guān)要求需要開(kāi)展細(xì)致研究.通過(guò)比尺為1:25的物理模型試驗(yàn),對(duì)其輸水過(guò)程船舶停泊條件、水力特性及引航道水流條件開(kāi)展研究.結(jié)果表明:在推薦的輸水系統(tǒng)布置和閥門(mén)開(kāi)啟方式下,各項(xiàng)水力指標(biāo)均能滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求.

在進(jìn)行西江航運(yùn)干線桂平二線船閘閘底長(zhǎng)廊道輸水系統(tǒng)布置和水力分析的基礎(chǔ)上,建立了1∶30輸水系統(tǒng)整體物理模型,重點(diǎn)研究了34m寬閘室單根主廊道的閘室水流條件和船舶系纜力。實(shí)驗(yàn)研究表明:輸水水力特性滿足相關(guān)規(guī)范要求,且設(shè)計(jì)值與模型實(shí)驗(yàn)值吻合較好,經(jīng)過(guò)調(diào)整后的閘室出水布置可以滿足閘室停泊條件要求,實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

永久船閘輸水系統(tǒng)襯砌混凝土是薄壁結(jié)構(gòu),其溫控工作較為復(fù)雜.根據(jù)其溫度與應(yīng)力分析模型,分析了其表面和內(nèi)部溫度、應(yīng)力的變化規(guī)律,為薄壁混凝土的洞室襯砌提供參考,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

采用目前廣泛使用的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法,運(yùn)用opengl技術(shù),并結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論,開(kāi)發(fā)了水電站輸水系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程的可視化仿真系統(tǒng).應(yīng)用該系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)演示水電站輸水系統(tǒng)水力瞬變過(guò)程壓力、流量等物理量的變化,對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值.

結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有水利樞紐船閘輸水系統(tǒng)型式的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了峽江水利樞紐船閘輸水系統(tǒng)布置方案比選，為今后國(guó)內(nèi)類(lèi)似水利工程提供了一定的參考價(jià)值

大藤峽水利樞紐通航建筑物擬采用單級(jí)船閘方案,其設(shè)計(jì)水頭及閘室規(guī)模均處于世界單級(jí)船閘前列,輸水系統(tǒng)水力學(xué)問(wèn)題尤為突出,成為制約其單級(jí)船閘方案是否可行的關(guān)鍵因素.通過(guò)引入的相關(guān)輸水能量指標(biāo)參數(shù),將大藤峽船閘單級(jí)方案與國(guó)內(nèi)外典型高水頭船閘進(jìn)行了水力學(xué)綜合比較,并對(duì)其引航道水流條件進(jìn)行了初步分析.結(jié)果表明:國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的船閘輸水系統(tǒng)布置及取、泄水方案能夠解決大藤峽船閘的相關(guān)水力學(xué)技術(shù)難題,采用單級(jí)布置方案是可行的,但需開(kāi)展詳盡深入的專(zhuān)題研究.

根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和柳江紅花船閘的特點(diǎn),確定輸水系統(tǒng)型式;計(jì)算輸水閥門(mén)處廊道斷面面積;在調(diào)查和分析大量資料的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)確定柳江紅花船閘輸水系統(tǒng)的布置型式及關(guān)鍵尺寸,水力計(jì)算表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)輸水水力特性滿足要求。

為了減小水電站輸水系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生的水錘壓力,常常會(huì)在輸水系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)壓室。通過(guò)基于不考慮水體彈性的理論推導(dǎo)以及考慮水體彈性的數(shù)值模擬,對(duì)無(wú)調(diào)壓室及有調(diào)壓室兩種方案下輸水系統(tǒng)小波動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行比較分析,以便較為全面地對(duì)設(shè)置調(diào)壓室或不設(shè)置調(diào)壓室是否會(huì)對(duì)水電站輸水系統(tǒng)小波動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生影響展開(kāi)研究。研究結(jié)果表明:在相同布置條件下,無(wú)調(diào)壓室及有調(diào)壓室兩種方案的輸水系統(tǒng)的小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程均是穩(wěn)定的；設(shè)置有調(diào)壓室的輸水系統(tǒng)小波動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程要優(yōu)于未設(shè)置調(diào)壓室的輸水系統(tǒng)小波動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程。從研究結(jié)果來(lái)看,設(shè)置調(diào)壓室對(duì)水電站輸水系統(tǒng)的小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程具有改善作用。

結(jié)合溪洛渡水電站引水發(fā)電系統(tǒng)整體水工模型試驗(yàn)，揭示了水電站三機(jī)一室一洞典型尾水系統(tǒng)布置條件下的一些特殊的水力動(dòng)態(tài)特性，試驗(yàn)表明，模型試驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的一些動(dòng)態(tài)水力特性，如調(diào)壓室涌波的伴生振蕩、明滿流的發(fā)生條件、調(diào)壓室不同連接型式對(duì)水錘波的反射等，對(duì)工程設(shè)計(jì)的影響是重要的．其研究成果可為工程設(shè)計(jì)提供更為可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)．

目前水電站明鋼管可靠度評(píng)估主要結(jié)合跨中管壁部位進(jìn)行計(jì)算,但并未充分反映其他部位對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響。為此需考慮鋼材強(qiáng)度參數(shù)、靜水壓力、水錘和焊縫系數(shù)的隨機(jī)特性,建立水電站明鋼管跨中管壁、支承環(huán)近旁管壁邊緣、加勁環(huán)及其近旁管壁、支承環(huán)及其近旁管壁4個(gè)基本部位的強(qiáng)度安全功能函數(shù),給出了基于jc法的管道結(jié)構(gòu)可靠度評(píng)估方法。按當(dāng)前設(shè)計(jì)方法確定的明鋼管結(jié)構(gòu),加勁環(huán)及其近旁管壁和支承環(huán)及其近旁管壁的可靠指標(biāo)低于目標(biāo)可靠指標(biāo),不能充分保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全,存在局部失效的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)氣墊式調(diào)壓室的電站輸水系統(tǒng)的水力-機(jī)械微小波動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了初步分析,討論了調(diào)速器參數(shù)、氣體多變指數(shù)、氣室高度、氣室壓力、運(yùn)行水頭對(duì)穩(wěn)定性的影響,為氣墊調(diào)壓室的合理設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。

對(duì)單元總體方程進(jìn)行了局部修改,使方程的求解具有唯一性和更高的可靠性。提出水電站恒定流數(shù)值計(jì)算只有四種給定條件,每種條件都能保證計(jì)算結(jié)果的唯一性;計(jì)算實(shí)例證明,相同工況條件下根據(jù)四種給定條件求解的計(jì)算結(jié)果非常吻合。

對(duì)于引水式電站來(lái)說(shuō)，輸水系統(tǒng)是整個(gè)工程的重要組成部分，在工程投資中占據(jù)極大的比重。常規(guī)輸水系統(tǒng)包含引水隧洞、調(diào)壓室以及壓力管道三部分。一道橋水電站的特點(diǎn)為“高水頭、小流量和長(zhǎng)輸水道”。對(duì)比分析了“低壓輸水”與“高壓輸水”方案的優(yōu)劣，并闡述和論證了高壓隧洞不襯砌與高壓長(zhǎng)輸水系統(tǒng)取消調(diào)壓室的可行性。一道橋水電站最終采用了“高壓輸水”方案，從而成為國(guó)內(nèi)少有并具有特色的“高壓長(zhǎng)輸水不襯砌隧洞并且無(wú)調(diào)壓室”的高水頭電站之一。