泵站出水池-無壓隧洞過渡段體型優(yōu)化研究

王月華， 王 斌， 吳德忠， 韓曉維， 張鴻清， 王自明

(1.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020；2.余姚市水利局, 浙江 余姚 315400)

1 研究背景

無論是電站尾水系統(tǒng)還是泵站出水系統(tǒng)，對于尾水水位變化不大的水利樞紐，一種較為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方案是采用無壓隧洞。無壓隧洞頂拱不承受內(nèi)水壓力，多采用圓拱直墻式斷面，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時，可采用馬蹄形或圓形斷面。為保證洞內(nèi)呈明流狀態(tài)，當(dāng)洞內(nèi)為低流速恒定流且通氣條件良好時，水面以上空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，且凈空高度一般不小于0.4 m。為了節(jié)省開挖量，在隧洞開挖距離較長時，幾臺機(jī)組往往共用一條隧洞，因此需要一個過渡匯流池。過渡段的幾何形狀和局部水頭損失密切相關(guān)，如何增加隧洞泄流能力及減少匯流池的水頭損失是優(yōu)化工程設(shè)計的重要內(nèi)容。目前對泵站出水池布置形式的研究較少，主要集中在泵站前池及明渠布置型式研究[1-5]。謝省宗等[6]、王雷等[7]對南水北調(diào)工程惠南莊泵站前池布置方案進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗研究；黃金偉等[8]對引黃泵站前池水流特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬；譚喬木等[9]通過模型試驗對明渠收縮段內(nèi)的水深變化規(guī)律進(jìn)行觀測，總結(jié)了收縮角、底坡和流量對水深和水面波動的影響規(guī)律；翟淵軍[10]結(jié)合南水北調(diào)中線工程，通過模型試驗提出了漸變段直線扭曲段水面擴(kuò)散角和收縮角的最優(yōu)選擇；戴梅等[11]通過模型試驗對渡槽的進(jìn)出口連接型式進(jìn)行了優(yōu)化，得出直線扭曲面漸變段的水頭損失系數(shù)小于反彎扭曲面漸變段的系數(shù)；李蘅等[12]結(jié)合水電工程導(dǎo)流隧洞，研究了陡坡隧洞的泄流能力與隧洞進(jìn)口型式的關(guān)系，得出曲線進(jìn)口能有效提高隧洞的泄流能力；吳永妍等[13]通過模型試驗研究了梯形明渠到馬蹄形隧洞進(jìn)口過渡段的水面銜接特點和局部水頭損失規(guī)律；郭紅民等[14]采用FLUENT軟件對水電站岸邊泄洪洞的泄流能力、水面線等水力特性進(jìn)行了計算研究；王曉玲等[15]對引額濟(jì)烏一期工程尾部調(diào)節(jié)水庫泄水洞泄洪的流態(tài)和水面線進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，得出長距離無壓引水隧洞進(jìn)口處易出現(xiàn)水流擾動，沿程水面線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

本文以某泵站工程為例，對泵站出水池到無壓隧洞過渡段的水流特性開展模型試驗，分析了過流能力、水面線及局部水頭損失，提出了改進(jìn)措施。并對前后模型試驗結(jié)果進(jìn)行對比，分析了過渡段型式對水流特性的影響。

2 模型設(shè)計

試驗?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則和紊流粗糙區(qū)摩阻力相似準(zhǔn)則設(shè)計，采用正態(tài)模型。幾何比尺為λl=25，則糙率比尺λn=λl1/6=1.71。泵站及隧洞均采用有機(jī)玻璃制作，糙率為0.009，原型糙率0.011～0.017，按照相似比尺計算出原型糙率為0.016，因此采用有機(jī)玻璃模擬能滿足糙率相似要求。模型包括水庫、進(jìn)水池、泵房、出水池及排水隧洞等建筑物，模型長度約20 m，寬度2～10 m。試驗進(jìn)口流量采用電磁流量計控制，出口采用三角形薄壁堰對流量進(jìn)行校核。采用水位測針測試上下游水位，采用DJ800水位波動儀測試水面波動。

原方案：泵站平面布置圖如圖1所示。泵站出水池長23.5 m(均為原型尺寸，下同)，反坡漸變段長26.5 m，無壓隧洞長100m，隧洞后設(shè)置出口段及三角堰。泵站排澇流量120 m3/s，由4臺泵組成，泵站出水池與下游無壓隧洞連接。其中水平過渡段底寬38.6 m，渠高15 m；反坡過渡段底寬由38.6 m逐漸過渡到6.6 m；城門洞隧洞底寬6.6m，側(cè)墻高4.7 m，頂拱圓心角180°。特征斷面如圖2所示。

優(yōu)化方案：由于原方案過渡段過短，沿程水面坡降較大，為使過渡段水流更平順，減小水面紊動，避免過多能量損失，提高隧洞過流能力，需對過渡段進(jìn)行改進(jìn)。優(yōu)化方案平面布置圖如圖3所示。其中過渡段兩處折角收縮段均改為圓弧面，隧洞進(jìn)口位置向下游移動10 m。

圖1 原方案平面布置圖(單位：m)

圖2 特征斷面示意圖(單位：m)

圖3 優(yōu)化方案平面布置圖(單位：m)

表1 模型試驗工況

3 成果分析

3.1 過流能力

試驗觀測了隧洞自由出流的過流能力。由于此時隧洞的過流能力不受洞長的影響，進(jìn)口水流為寬頂堰流，流量系數(shù)按照常規(guī)堰流公式計算：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；m為流量系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)(由于下游水位不影響隧洞出流，σs取1.0)；B為過水寬度，即隧洞底寬6.6 m；Z1為泵站出水池水位，m；H0為計入行進(jìn)流速水頭的總水頭，m，H0=Z1-0.7+v2/2g。

(1)經(jīng)擬合，原方案流量與上游水位的試驗關(guān)系式為：

Q=10.731H01.4919

(2)

相關(guān)系數(shù)：R2=0.999，范圍：2.64 m≤H0≤5.83 m。

水位流量關(guān)系曲線見圖4。通過公式估算，流量系數(shù)約為0.363。當(dāng)1臺機(jī)組運行時，隧洞進(jìn)口水位為2.69 m；當(dāng)2臺機(jī)組運行時，隧洞進(jìn)口水位為3.87 m；當(dāng)3臺機(jī)組運行時，隧洞進(jìn)口水位為4.86 m;當(dāng)4臺機(jī)組運行時，隧洞進(jìn)口水位為5.74 m，此時隧洞通過最大輸水流量，上游水位比設(shè)計限制水位7.53 m低1.79 m，說明原設(shè)計方案過流能力滿足設(shè)計要求。

(2)經(jīng)擬合，優(yōu)化方案流量與上游水位的試驗關(guān)系式為：

Q=10.745H01.5076

(3)

相關(guān)系數(shù)：R2=0.999，范圍：2.62 m≤H0≤5.74 m。

水位流量關(guān)系曲線見圖4。通過公式估算，流量系數(shù)約為0.371。當(dāng)1臺機(jī)組運行時，隧洞進(jìn)口水位為2.68 m，比原設(shè)計減小0.01 m；當(dāng)2臺機(jī)組運行時，隧洞進(jìn)口水位為3.83 m，比原設(shè)計減小0.04 m；當(dāng)3臺機(jī)組運行時，隧洞進(jìn)口水位為4.80 m，比原設(shè)計減小0.06 m；當(dāng)4臺機(jī)組運行時，隧洞進(jìn)口水位為5.66 m，這時隧洞通過最大輸水流量，上游水位比設(shè)計限制水位7.53 m低1.87 m，說明優(yōu)化方案過流能力滿足設(shè)計要求，比原方案有增加。

圖4 隧洞自由出流水位-流量關(guān)系

3.2 水面線

優(yōu)化方案中心線水面沿程變化規(guī)律與原方案相似，在隧洞進(jìn)口上游，水面變化平緩，受出水池和隧洞進(jìn)口斷面收縮的影響，隧洞進(jìn)口前水面有小幅度壅高，約0.07 m。優(yōu)化方案水面起伏有大幅減輕，尤其是隧洞進(jìn)口段，沒有明顯水面局部跌落現(xiàn)象，隧洞進(jìn)口附近洞頂富余增加，隧洞內(nèi)水面波動減弱。

(1)2#機(jī)組單獨運行時，由于2#機(jī)組的出口基本正向?qū)λ矶催M(jìn)口，水流受出水池和隧洞進(jìn)口的影響相對較小。原方案和優(yōu)化方案沿程水位落差分別約為0.33、0.31 m。(2)1#、2#、3#三機(jī)組聯(lián)合運行時，原方案和優(yōu)化方案沿程水位落差分別約為1.28和0.78 m。(3)4機(jī)組同時運行(設(shè)計工況)時，原方案和優(yōu)化方案沿程水位落差分別約為0.48和0.36 m。優(yōu)化方案洞頂凈空高度為1.37 m，滿足設(shè)計要求。

圖5 中心線水面線縱向變化對比圖

3.3 局部水頭損失

局部水頭損失是由于幾何邊界條件改變而引起的水流能量損失。出水池及隧洞進(jìn)口的幾何形狀和局部水頭損失密切相關(guān)。局部損失系數(shù)為局部水頭損失與隧洞速度水頭的比值，水頭損失ΔHij及水頭損失系數(shù)ξij的計算公式為：

(4)

(5)

式中：vi為泵站斷面平均流速，m/s；vj為隧洞斷面平均流速，m/s；ξij為i，j斷面之間的局部水頭損失系數(shù)。

對于出水池及隧洞進(jìn)口，4個泵站出水口的水流匯流后在一條隧洞流出，泵站斷面在單位時間內(nèi)輸入的水流能量應(yīng)等于隧洞斷面加上其間水流的能量損失(忽略沿程水頭損失)。測量斷面見圖6，局部水頭損失匯總見表2。

圖6 局部水頭損失測量斷面

表2 局部水頭損失統(tǒng)計

由表2可知，優(yōu)化方案的局部水頭損失及水頭損失系數(shù)均小于原設(shè)計方案。具體如下：

(1)2#單機(jī)組運行時，優(yōu)化方案平均水頭損失為0.023 m，平均水頭損失系數(shù)為0.065。水頭損失比原設(shè)計方案減小0.015 m。(2)1#、2#、3#三機(jī)組運行時，優(yōu)化方案平均水頭損失為0.044 m，平均水頭損失系數(shù)為0.051。水頭損失比原設(shè)計方案減小0.007 m。(3)1#、2#、3#、4#四機(jī)組運行時，優(yōu)化方案平均水頭損失為0.029 m，平均水頭損失系數(shù)為0.074。水頭損失比原設(shè)計方案減小0.005 m。

3.4 水面波高

為進(jìn)一步了解優(yōu)化方案的水流特性，試驗對3組工況進(jìn)行了水面波動觀測，為邊墻高程設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考，觀測斷面及位置見圖7。

圖7 水面波高觀測斷面及位置

試驗表明，各工況出水池及隧洞進(jìn)口位置水面平穩(wěn)，波動不大。平均波高、1/3大波波高和1/10大波波高能直觀反映水面波動大小。其中1/3大波波高是指將某一時段連續(xù)測得的所有波高按大小排列，取總個數(shù)中的1/3個大波波高的平均值；1/10大波波高取波高最大的1/10個波，計算其平均波高。波高特征值詳見表3，由表3可知：(1)泵站出口斷面(1#)波高值最大，各工況平均波高為6～9 cm，1/3波高值為9～14 cm，1/10波高值為11～17 cm。(2)2#單泵運行時，水面波動相對較小，其他工況水面波動比較接近。

表3 各斷面波高特征表 cm

續(xù)表3

4 結(jié) 論

本文以某泵站工程為背景，通過物理模型試驗分析了該工程泵站原方案和優(yōu)化方案的過流能力、水面線和局部水頭損失等，優(yōu)化方案得到工程設(shè)計和施工的采用。結(jié)論如下：

(1)原方案和優(yōu)化方案過流能力均滿足設(shè)計要求，優(yōu)化方案富余更大。原方案過渡段水位比設(shè)計限制水位7.53 m低1.79 m，優(yōu)化方案過渡段水位比設(shè)計限制水位7.53 m低1.87 m。

(2)優(yōu)化方案水面起伏有大幅減輕，尤其是隧洞進(jìn)口段，隧洞進(jìn)口附近洞頂富余增加，隧洞內(nèi)水面波動減弱。其中設(shè)計工況時，優(yōu)化方案洞頂凈空高度為1.37 m，滿足設(shè)計要求。

(3)通過優(yōu)化過渡段邊墻體型，各工況優(yōu)化方案局部水頭損失均小于原方案，減小幅度為0.005～0.015 m。

(4)優(yōu)化方案各工況過渡段水面平穩(wěn)，波動不大。2#單泵運行時，水面波動相對較小；其他工況水面波動比較接近，平均波高為3～9 cm，1/3波高值為5～14 cm，1/10波高值為6～17 cm。