上游串聯雙調壓室系統合理尺寸選擇的研究

張 帥， 張曉宏， 張俊發

(西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

具有超長引水隧洞的水電站，非恒定流時壓力引水系統中的水能波動和水流慣性均較大[1-5]。為減小引水隧洞和壓力管道的水錘壓力，改善機組運行條件，常需設置調壓室[6-8]。若設置單調壓室，則所需調壓室的尺寸較大，且單調壓室一般較靠近廠房，當廠房附近圍巖節理裂隙發育、斷裂和軟弱結構面較多、巖性較差時，開挖單一大尺寸調壓室不利于圍巖穩定和結構安全。若在該調壓室上游一定距離再布置一個輔助調壓室，可有效解決這類施工問題及水力過渡過程問題[9-12]。對于上游設置串聯雙調壓室系統，文獻[9-12]主要研究了主、副調壓室的位置、面積變化對系統穩定性的要求等。本文結合具體的工程實例，重點研究上游串聯雙調壓室系統(主調壓室為阻抗式，副調壓室為簡單式)的調壓室直徑變化對主、副調壓室最高涌浪水位、波動衰減率、蝸殼末端最大水錘壓力和機組最大轉速升高率的影響。進而分析得出上游串聯雙調壓室系統合理的主、副調壓室直徑。

2 工程概況及研究方法

某水電站為徑流引水式電站，工程規模為三等中型，主要任務是發電。上游水庫校核洪水位為893.0 m，設計洪水位為891.5 m，正常蓄水位為891.5 m，下游水位為831.37 m。本工程引水發電系統主要由進水口、壓力引水隧洞、調壓室、壓力管道等組成。引水隧洞為有壓洞，長17.090 km，襯砌后直徑為10.5 m。靠近廠房處圍巖等級為Ⅲ、Ⅳ類，巖石強度較低，受地質條件限制，不利于在該處建單個大尺寸調壓室。選擇布置串聯雙調壓室系統，主調壓室采用阻抗式，在距離主調壓室上游200 m處利用施工豎井建成副調壓室，采用簡單式。引水隧洞在主調壓室下部通過岔洞分為3條壓力支管，廠房內安裝3臺單機容量為38.3 MW的混流式水輪發電機組。

水電站引水發電系統用過渡過程計算軟件模擬如圖1所示，其中J1為上游水庫，J3為副調壓室(簡單式)，J4為主調壓室(阻抗式)。主調壓室J4下部通過岔洞分為3條壓力支管，其后分別連接1臺水輪發電機組，J8、J9、J10為3臺水輪發電機組，導葉總關閉時間為10 s，采用直線關閉規律。J11、J12、J13為下游尾水。

圖1 某水電站引水發電系統仿真圖

本文取副調壓室J3、主調壓室J4和機組J8為研究對象。計算工況取上庫正常蓄水位891.5 m，對應地取下游水位831.37 m。3臺機組同時運行突甩額定負荷。D1為J3處簡單式調壓室的直徑，D2為J4處阻抗式調壓室的直徑，d為主調壓室阻抗孔直徑。研究在主、副調壓室位置一定的情況下，改變兩個調壓室的尺寸(即D1、D2和d的大小)對主、副調壓室最高涌浪水位、波動衰減率、蝸殼末端最大水錘壓力和機組最大轉速升高率的影響。

3 結果與分析

根據有關文獻[6,13-14]，用愛文吉里斯特(Evangelisti)公式計算得出該上游串聯雙調壓室臨界穩定斷面積Fth為1 431 m2，同時考慮到工程規模、水電站并網運行、調速器的調節作用以及因地質條件限制盡可能減少對圍巖的開挖，本文初步擬定主調壓室直徑為25、30、35 m，主調壓室阻抗孔直徑為3.2、3.6、4.0、4.4、4.8、5.2 m，副調壓室直徑為0、15、20、25、30 m。

3.1 主、副調壓室直徑變化與調壓室最高涌浪水位的關系

主、副調壓室直徑變化對主調壓室最高涌浪水位的影響見圖2。

由圖2可知，當D1和d一定時，隨著D2增加，主調壓室最高涌浪水位下降。由圖2(a)可知，當D1一定，隨著d增加，主調壓室最高涌浪水位升高。這是因為阻抗孔直徑增大時，阻抗作用減小導致最高涌浪水位升高[15-17]。當D1變小甚至為0時，隨著d增加，最高涌浪水位明顯提升，但隨著D1變大，這一上升趨勢明顯減緩，說明副調壓室的存在降低了主調壓室的最高涌浪水位。圖2 (b)和2(c) 也觀察到相同的變化趨勢。

主、副調壓室直徑變化對副調壓室最高涌浪水位的影響見圖3。

由圖3可知，當D1和d一定，隨著D2增加，副調壓室最高涌浪水位下降；當D2和d一定，D1越小，副調壓室最高涌浪水位越高。由圖3(a)可知，當D1為15 m時，隨著d增加，副調壓室最高涌浪水位迅速下降，d增加到4 m時，最高涌浪水位達到最小值，d超過4 m后開始緩慢上升。這可以解釋為：當d小于4 m時，可認為主調壓室阻抗孔直徑較小，其反射水錘波的效果較差，主調壓室的穿室作用較強，透入副調壓室的水錘壓力較大，水錘壓力對副調壓室的涌浪水位起主要控制作用。當d從3.2 m增到4 m，主調壓室的穿室作用減弱，透入副調壓室的水錘壓力減小，所以副調壓室最高涌浪水位遞減。當d大于4 m 時，由于主調壓室阻抗孔直徑過大，水錘壓力對副調壓室的控制作用減弱，而主調壓室對副調壓室的控制作用加強，因主調壓室的最高涌浪水位隨阻抗孔直徑的增加而上升，導致副調壓室的涌浪水位有所上升。

從圖3(a)中D1為20、25和30 m曲線也能觀察到相同的變化趨勢，只是不同的D1，折線圖上最小值點對應的d的大小不一，隨著D1增加，最小值點對應的d值減小或者相近。圖3(b)和(c)中也能觀察到上述變化趨勢。

圖2 D1、D2、d對主調壓室最高涌浪水位的影響

圖3 D1、D2、d對副調壓室最高涌浪水位的影響

3.2 主、副調壓室直徑變化與蝸殼末端最大水錘壓力的關系

主、副調壓室直徑變化對蝸殼末端最大水錘壓力的影響見圖4。

由圖4可知，當D2和d一定，隨著D1增加，蝸殼末端最大水錘壓力逐漸減小。當D1增加到一定程度時，阻抗孔直徑變化對蝸殼末端最大水錘壓力的敏感性減弱。這可以解釋為，副調壓室直徑足夠大時，對越過主調壓室的水錘波足以充分反射，所以主調壓室阻抗孔直徑的大小對水錘壓力的影響減弱。因此，布置上游串聯雙調壓室時，主調壓室阻抗孔直徑可以相對減小。

綜合圖2、3和4，為了充分發揮副調壓室降低涌浪水位、減小水錘壓力以及阻抗孔減小調壓室斷面面積的作用，擬定副調壓室直徑D1為 20和25 m，主調壓室阻抗孔直徑d為3.6 和4.0 m。

3.3 主、副調壓室直徑變化與調壓室水位波動衰減率的關系

主、副調壓室直徑變化對調壓室水位波動衰減率的影響見表1。

圖4 D1、D2、d對蝸殼末端最大水錘壓力的影響

由表1可知：(1)當D1和D2一定，d越大，主、副調壓室水位波動衰減率越小。因此對于上游串聯雙調壓室系統，相對較小的阻抗孔直徑可以使得調壓室涌浪水位有更快的衰減。(2)當D1和d一定，D2越大，主、副調壓室的峰值越低，水位波動衰減率增加。所以主調壓室直徑不能過小，但過大的主調壓室尺寸造成較大的開挖量，不利于圍巖穩定和結構安全，所以擬定主調壓室直徑為30 m。(3)當D2和d一定，隨著D1增加，主、副調壓室水位波動衰減率減小。因此，較大的副調壓室直徑不利于兩個調壓室的水位波動衰減。所以擬定副調壓室直徑為20 m。

3.4 主調壓室阻抗孔直徑變化對特征參數的影響

主調壓室阻抗孔直徑變化時相應的各項特征數據見表2。

表1 D1、D2、d與調壓室水位波動衰減率的關系

表2 主調壓室阻抗孔直徑變化相應的各項特征數據(D1=30 m，D2=20 m)

注：ΔZ1為主、副調壓室最高涌浪水位之差的絕對值；t1為調壓室達到最高涌浪水位所需的時間;Δt1為主、副調壓室達到最高涌浪水位的時間差；δ為調壓室水位波動衰減率；ζ為蝸殼末端最大水錘相對升壓值；β為機組最大轉速升高率。

由表2可以看出，當D1、D2一定時：(1)隨著d增加，副調壓室最高涌浪水位先降低后上升，主調壓室最高涌浪水位逐漸上升。(2)當d一定時，t1副

當d超過4 m時，ΔZ1與Δt1較小，即主、副調壓室的水位波動頻率相對一致，相互之間誘發共振的可能性較大；而當d小于4 m時，阻抗孔面積與有壓引水隧洞斷面面積比值低于15%，而規范要求該比值合理區間為15%～30%[6]。因此選擇阻抗孔直徑為4 m。

綜上所述，當主調壓室(阻抗式)直徑為30 m、阻抗孔直徑為4 m、副調壓室(簡單式)直徑為20 m時，既能減小主、副調壓室尺寸，又能更好地反射水錘波，降低調壓室最高涌浪水位，提高波動衰減率。該尺寸布置下，主、副調壓室斷面面積之和為1 021 m2，該上游串聯雙調壓室臨近穩定斷面積Fth為1 431 m2，所選雙調壓室斷面面積之和為Fth的71%，滿足工程實際所需。

4 結 論

上游雙調壓室系統的水位波動穩定非常復雜，合理地選擇主、副調壓直徑在調壓室設計中至關重要。本文結合某水電站工程實例進行過渡過程計算，探討了主、副調壓室直徑變化對上游串聯雙調壓室壓力引水系統的影響。得出結論如下：

(1)上游串聯雙調壓室系統(主調壓室為阻抗式，副調壓室為簡單式)隨著主調壓室直徑增大，主、副調壓室最高涌浪水位下降，波動衰減加快。隨著副調壓室直徑增大，主調壓室阻抗孔直徑的大小對水錘壓力的影響減弱，且不利于波動衰減。

(2)主調壓室阻抗孔直徑存在一個臨界值，低于該值時，隨著阻抗孔直徑增大，副調壓室最高涌浪水位迅速降低，且先于主調壓室到達峰值；高于該值時，隨著阻抗孔直徑增大，副調壓室最高涌浪水位緩慢上升，最終上升到與主調壓室最高涌浪水位相近的位置，且主、副調壓室涌浪水位達到峰值的時間差縮短。

(3)結果表明，該電站選取主調壓室直徑30m,主調壓室阻抗孔直徑4 m,副調壓室直徑20 m是合理的。