側式進/出水口工程布置進流工況新進展

張蘭丁

（南京水利科學研究院，江蘇省南京市 210029）

側式進/出水口工程布置進流工況新進展

張蘭丁

（南京水利科學研究院，江蘇省南京市 210029）

側式進/出水口由于雙向流動特性優越，被廣泛用于抽水蓄能電站和其他輸水工程。本項研究依托瑯琊山抽水蓄能電站下庫進/出水口和響水澗抽水蓄能電站上、下庫進/出水口進行，通過水工模型試驗對側式進/出水口的水力特性進行了研究。模型試驗包括進、出流兩種工況。由于側式進/出水口在進流時易產生有害的漩渦流態，威脅工程安全運行，本文重點給出了克服側式進/出水口進流工況外部漩渦流態的工程試驗研究成果，給出了兩種典型工程布置的有旋流動理論解。其中設于響水澗抽水蓄能電站下庫進/出水口攔污柵排架上的消渦擋板經過試驗驗證已用于工程實踐并已申請專利。通過測量響水澗抽水蓄能電站上庫進/出水口外上方表面漩渦的切向流速，采用作者2001年提出的立軸漩渦理論解，計算漩渦的渦深，進而得知外上方有旋流動的強度，并將其作為判斷上庫進/出水口外邊界開挖方案是否合理的依據。通過模型試驗研究論證了幾個開挖方案，修改了上庫進/出水口的外邊界，已用于工程實踐。

側式進/出水口；消渦擋板；進流工況；渦深；有旋流動

1 側式進/出水口的工程用途

側式進/出水口作為有壓輸水道(長距離或短距離)與水庫或上、下游明流銜接不可缺少的過渡性水工建筑物被廣泛用于抽水蓄能電站及其他輸水工程。如圖1所示，水流從有壓流過渡到明流或由明流過渡到有壓流都必須設置過渡性水工建筑物，側式進/出水口就是其中重要的一種。在我國側式進/出水口被廣泛用于抽水蓄能電站輸水道系統。自20世紀90年代三座大型抽水蓄能電站（十三陵、天荒坪、廣州抽水蓄能電站）陸續建成、投入運行以來，近二十多年來又有十多座大中型抽水蓄能電站建成、投入運行，均未見側式進/出水口發生破壞事故，說明側式進/出水口的工程設計、體型布置已趨于成熟。我國在側式進/出水口方面工程技術水平的提高已經從吸收國外類似水工建筑物體型布置，然后根據工程具體情況做出改進，進步到提出具有自己知識產權的體型布置形式。這其中包括水工水力學和水工建筑物體型布置兩方面的進展。隨著國民經濟的發展，抽水蓄能電站還將作為最合適的儲能裝置在與風力發電、太陽能發電等具有隨機特性的可再生能源匹配中起到重要作用[1]。

2 依托工程概況

瑯琊山抽水蓄能電站位于安徽省滁州市西南郊，安裝4臺150MW抽水蓄能機組，總裝機容量600MW，額定水頭126m。電站建成后并入安徽電網，承擔調峰、填谷、調頻、調相及事故備用的任務。樞紐由上水庫、水道系統、地下廠房系統、下水庫、地面開關站及副廠房等組成。水道系統由上庫進/出水口、壓力管道、尾水支洞、尾水調壓井、尾水隧洞、下庫進/出水口、尾水明渠組成。引水系統采用一管一機供水方式，尾水系統采用一管兩機的布置方式。下水庫利用已建的城西水庫調蓄，設有兩個進/出水口為岸邊側式，本項研究依托該電站下庫進/出水口進行。

安徽響水澗抽水蓄能電站位于蕪湖市三山區峨橋鎮境內，長江中下游的漳河、泊口河流域，安裝4臺250MW抽水蓄能機組，總裝機容量1000MW，最大發電水頭217.4m，為日調節純抽水蓄能電站。電站由上水庫、輸水系統、地下廠房、地面開關站及下水庫等建筑物組成。其中輸水系統由上庫側式進/出水口、引水隧洞、引水事故閘門井（有調壓井的作用），壓力鋼管、尾水隧洞、尾水事故閘門井、下庫側式進/出水口等組成。上水庫利用自然山洼筑壩形成，下水庫利用天然洼地以半挖半填方式筑人工圍堤形成。移民數量少，工程建設條件優越。本項研究依托該電站上、下庫進/出水口進行。

圖1 側式進/出水口（無交通需求或無障礙）外上方流態示意圖

圖2 瑯琊山抽水蓄能電站下庫進/出水口外上方模型試驗流態

3 側式進/出水口外上方流動模式研究

側式進/出水口的模型試驗研究包括進、出流兩種工況。研究內容包括：流速分布、壓力分布、進/出水口內部、外部流態觀測、庫區沖刷以及進/出水口外上方有旋流動的測量等項內容。由于在進流工況易形成不利的漩渦流態，因此研究重點在進流。側式進/出水口內部邊界對水流流態的影響見文獻[2]、文獻[3]。

圖1所示為瑯琊山抽水蓄能電站下庫進/出水口外上方水工模型試驗平面流態。作者為該工程進行了水工模型試驗研究，研究成果已用于工程實踐。瑯琊山抽水蓄能電站下庫進/出水口為開敞式，無任何水工建筑物，進流工況下進/出水口外上方形成如圖1所示兩個旋轉方向不同的環流（實際流動情形見圖2）。可用以下經典水動力學理論解[4]簡化描述為式（1）。

流動只發生在X-Y平面上，為二維流動。

流線微分方程見式（2）：

流線方程見式（3）：

液體質點在X-Y平面做圓周運動，同時繞Z軸旋轉，為有旋流動，見圖3。

圖3 有旋流動示意圖

因此在側式進/出水口外上方進流工況下形成的環流為有旋流動，具備形成漩渦的基本條件。圖1的布置側式進/出水口外上方沒有任何水工建筑物。在有交通需要時，側式進/出水口外上方需要布置橋墩（或兼作攔污柵排架），橋墩間會形成平面方腔流動，平面流動模式可簡化如圖3所示，實際流動情形見圖4。

設流函數見式（4）：

假設y=0的流線是固體邊界見式（5）。

如圖5所示的平面方腔流動見式（6）

為有旋流動，在一定條件下會發展生成漩渦，見圖4。

圖4 響水澗下庫進/出水口攔污柵排架間模型試驗漩渦流態

圖5 有方腔流動的側式進/出水口外上方流態示意圖

圖6 下庫進/出水口周邊庫區原設計平面布置圖

圖7 下庫進/出水口原設計布置簡圖

4 下庫進/出水口外上方消渦工程措施

響水澗下水庫利用天然洼地以半挖半填方式筑人工圍堤形成，在水量充沛時由長江二級支流泊口河引水入庫。下庫進/出水口除了具有抽水蓄能電站進/出水口雙向水流的水力學特性外，水頭高、庫水位變化頻繁且變幅較大，水流流態受庫區地形和進口邊界條件及水位變化的影響而十分復雜。進/出水口外庫區地勢廣袤，兩側為庫底淺灘，淺灘底部高程高于進/出水口頂部數米，造成發電和抽水時進/出水口外上方表面回流強度較大，抽水時形成較深的立軸漩渦，威脅工程安全運行。下庫進/出水口庫區原設計工程平面布置見圖6。

下庫共有四個進/出水口，出口段設有攔污柵，進/出水口外上方設有17個交通橋墩（兼做攔污柵排架），見圖7和圖9。進/出水口外部兩側為庫底淺灘，淺灘底部高程高于進/出水口頂部數米，發電和抽水時形成強大的回流。由于回流的拖曳作用在攔污柵排架間形成渦深較深的立軸漩渦，威脅工程安全運行（見圖4）。試驗中采用在攔污柵排架上設置消渦擋板，在庫區設置導堤（見圖8）的方式，降低回流強度，阻斷和削弱了圖5所示方腔內的流動，最終完全消除了立軸漩渦（見圖9、圖10）。目前工程已投入運行。

圖8 響水澗下庫庫區工程采用方案進/出水口前方導堤平面布置圖

圖9 響水澗下庫庫區工程采用方案模型試驗流態

圖10 響水澗下庫進/出水口攔污柵排架工程采用方案模型試驗流態

5 上庫進/出水口外上方消渦工程措施

5.1 開挖方案模型試驗研究

圖11 響水澗上庫進/出水口前方庫區山脊實況

響水澗上庫與下庫類似也有四個進/出水口，但是側式進/出水口外上方沒有任何水工建筑物，與圖2的布置類似。與圖2工程布置不同之處是有一山脊位于上庫進/出水口前方（見圖11）。按照以往的設計經驗，進/出水口前方以正向進流為宜，因此工程原設計計劃將前方山脊開挖一部分，形成部分正向進流通道。由于將前方山脊全部挖去工程量較大，而且死庫容區域開挖沒有意義，所以保留下來的部分山脊擋在進/出水口前方就形成側向回流。四個進/出水口的外上方形成一個較大的方腔，因此上庫進/出水口外上方的斜向回流是正向進流和側向回流綜合作用的結果，其外部流動模式具有圖1和圖3的綜合特點。進/出水口外上方有兩個旋轉方向相反的環流，且有一個環流由于側向回流的拖曳作用，環流強度較強，在防渦梁上方形成一個穩定的表面漩渦（見圖12）[5]。

經過模型試驗研究[7]，在進/出水口兩側弧線擴挖，擴大外上方回流空間，起到了降低回流強度的作用。采用保留進/出水口前方部分山脊（圖14▽197.0m平臺）的方法，避免正向進流，使流向基本為側向。由于方腔被擴大，方腔內環流強度被降低，因此未能生成穩定的表面漩渦，見圖8[5]。

5.2 試驗研究方法

響水澗抽水蓄能電站上庫進/出水口外上方工程布置不同于下庫進/出水口外上方，側式進/出水口外上方沒有任何其他水工建筑物，因此不能像下庫那樣通過消渦擋板來阻斷方腔內環流。在此條件下通過試驗驗證，采用弧線擴挖，平順流動途徑，擴大方腔空間，降低環流強度，可以起到避免和誘發表面漩渦生成的作用。在確定響水澗上庫進/出水口外上方工程布置的研究中通過對漩渦特征參數（半徑、切向速度）的測量與計算（渦深）以及防渦梁格柵間下吸流速及影響深度的測量，對上水庫庫區三個工程開挖方案的進/出水口外上方漩渦流態進行了研究。研究結果表明側式進/出水口外上方存在兩類漩渦：

（1）“固有環流”在一定條件下會發展成為表面漩渦。由于防渦梁格柵間下吸流速的影響，使得表面漩渦具有游移性，當表面漩渦渦深與下吸流速的影響深度十分接近時，表面漩渦易演變為漏斗漩渦，危及工程安全運行。

（2）下吸流速測量表明，在防渦梁的“格柵里”位置下吸流速較大，當下吸流速達到一定數值時該處易產生小的漏斗漩渦危及工程安全運行。文獻［6］介紹了通過測量表面漩渦的切向流速，采用立軸漩渦理論解[8]定量計算渦深，然后根據渦深和防渦梁上方下吸流速的影響深度判斷表面漩渦是否會對工程造成不利影響的試驗方法，選擇了合理的外部邊界開挖方案，為上庫保留前方部分山脊以節省投資提供了科學依據。

圖12 響水澗上庫進/出水口原設計方案外上方流態示意圖

圖13 響水澗上庫進/出水口工程采用方案外上方流態示意圖

圖14 響水澗上庫進/出水口前方庫區蓄水實況

6 結束語

本項研究依托響水澗抽水蓄能電站上、下庫側式進/出水口進行。工程布置通過模型試驗進行修改，直至完全消除不利漩渦流態。本文采用水動力學理論解描述了上、下庫進/出水口外上方進流工況的有旋流動流態，給出了有旋流動理論解，介紹了如何消除側式進/出水口進流工況外上方不利漩渦流態的試驗方法和研究成果。研究內容涉及側式進/出水口的兩種典型工程布置（外上方無水工建筑物與設有交通橋墩），并已用于工程實際。其中設于響水澗工程下庫進/出水口攔污柵排架上的“消渦擋板”已申請專利，并經過試驗驗證用于工程原型。上庫進/出水口外上方無任何建筑，進流工況形成的環流為有旋流動，因此在一定條件下也會形成不利漩渦流態。試驗中測量表面漩渦的切向流速，采用作者在2001年提出的立軸漩渦理論解計算漩渦渦深，并將漩渦渦深作為判斷上庫進/出水口外上方有旋流動強度的指標，比較論證了多個外部開挖方案。目前響水澗抽水蓄能電站上、下庫已投入正常運行，電站的4臺機組也已于2012年底全部并網發電。

[1]張蘭丁，吳征.風力發電與抽水蓄能匹配的探討［C］//中國水利發電工程學會電網調峰與抽水蓄能專業委員會.抽水蓄能電站工程建設文集2011.北京：中國電力出版社，2011：33-36.

[2]張蘭丁.響水澗抽水蓄能電站上、下庫進/出水口分流特性研究與應用［J］.水利水電科技進展, 2010,30(6)：48-52.

[3]張蘭丁.響水澗抽水蓄能電站引、尾水道上彎段彎道效應分析研究［J］.水利水電科技進展,2011, 31(1)：45-49.

[4]張長高.水動力學［M］.北京：高教出版社出版社，1993：37.

[5]張蘭丁.響水澗抽水蓄能電站上庫進/出水口外邊界水力學問題研究［C］//中國水利發電工程學會電網調峰與抽水蓄能專業委員會.抽水蓄能電站工程建設文集2009.北京：中國電力出版社，2009：126-130.

[6]張蘭丁.抽水蓄能電站側式進/出水口外上方漩渦特性研究新方法［C］//中國水利發電工程學會電網調峰與抽水蓄能專業委員會.抽水蓄能電站工程建設文集2010，北京：中國電力出版社，2010：120-125.

[7]張蘭丁.響水澗抽水蓄能電站上水庫進/出水口防渦工程布置水工模型試驗研究［R］.南京：南京水利科學研究院，2011.

[8]張蘭丁.立軸漩渦精確解及其實用意義［C］//《中國造船》編輯部.第七界全國海事技術研討會論文集，上海：海洋出版社，2001.

張蘭丁（1954—），女，高級工程師，抽水蓄能專業委員會委員。主要研究方向：大壩樞紐水力學、抽水蓄能電站水力學、紊流理論應用、可再生能源水利用。E-mail:zhanglandin@163.com

New Advance of Engineering Layout of Lateral Intake-outlets

ZHANG Landing
(Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

The lateral intake-outlet has good hydraulic performance for bi-direction flow.It has been widely applied to pumped storage power stations and other water conducting projects.Research on hydraulic characteristics of lateral intakeoutlets was carried out by hydraulic model test.The study relied on upper and lower intake-outlets of Langyashan and Xiangshuijian Pumped Storage Power Station.The model tests included both outflow mode and inflow mode.Much attention was paid to study whether there would be surface vortex at outer-upper area of lateral intake-outlets under inflow mode, because the harmful vortex would affect the safety of project.The theoretic solutions of rotational flow of two typical engineering layout are given in the paper.The “anti-vortex baffle” was provided between trash rack piers of lower intakeoutlets of Xiangshuijian Pumped Storage Power Station.It has been applied to engineering prototype and allowed to patent.The tangential velocity of vortex was measured at outer-upper area of upper lateral intake-outlets of Xiangshuijian Pumped Storage Power Station, and then the depth of vortex could be calculated by using the theoretic solution of the vertical-axes vortex, which was proposed by the author in 2001.The depth of vortex was considered as an index to judge the rationality of the outer boundary of upper lateral intake-outlets.And a few excavation schemes of the outer boundary were studied and modified, one has been applied to engineering prototype.

lateral intake-outlets; anti-vortex baffle;inflow mode; depth of vortex; rotational flow