叶祥飞;宿生;周琦;李晓伟
【摘 要】进水口体形设计是竖井式溢洪道设计关键问题之一.通过物理模型试验与数值模拟相结合的方法,对海南琼中抽水蓄能电站的竖井式溢洪道进水口进行优化设计,最终确定了在环形溢流堰堰顶增设6道不等高导流墩的布置形式.溢洪道进水口优化设计后,有效改善了堰顶流态,减小了进口库水位波动,增大泄流能力. 【期刊名称】《水力发电》
【年(卷),期】日向友好学校2019(045)001nk
【总页数】5页(P48-52)
【关键词】竖井式溢洪道;进水口;溢流堰;优化设计;海南琼中抽水蓄能电站
【作 者】叶祥飞;宿生;周琦;李晓伟
【作者单位】中国电建中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙410014;海南蓄能发电有限公司,海南海口570100;中国电建中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙410014;海南蓄能发电有限公司,海南海口570100
【正文语种】中 文
【中图分类】TU317.1;TV651.1(266)
1 工程概况
海南琼中抽水蓄能电站位于海南省琼中县境内，电站主要承担海南电力系统调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等开发任务，总装机容量600 MW。枢纽建筑物主要包括上水库、下水库、输水发电系统等3大部分。上水库地处黎母山林场原大丰水库，集雨面积为5.41 km2，多年平均径流量为797.9万m3，正常蓄水位567.00 m，死水位560.00 m，调节库容499.9万m3，死库容为280.7万m3，总库容为933.3万m3。上水库采用主、副坝均为沥青混凝土心墙土石坝，其挡水、泄水建筑物按100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核，设计水位泄洪量45 m3/s，校核水位泄洪量74 m3/s[1]。
在可行性研究设计阶段，上水库泄水建筑物采用无闸门控制的开敞式溢洪道，紧邻主坝右坝肩布置，末端斜对坝址下游的河床沟谷，采用台阶式消能。在招标设计阶段，随着设计工作的深入，考虑到上水库基岩埋深大、岸坡开敞式溢洪道开挖量大，且存在高边坡，对生态环境有较大的影响；同时，由于上水库泄洪流量不大，故将上水库泄水建筑物改为竖井式溢洪道，结合导流洞改建成退水隧洞[2- 4]。这样既节约了工程投资，又避免了对生态环境的影响。
2 竖井式溢洪道结构布置
上水库泄水建筑物采用开敞自溢式竖井溢洪道，布置于库盆右岸，主要由井口防涡设施、环形溢流堰、过渡段、竖井段、消力井、退水隧洞及出口消能段组成，其中出口布置于全风化岩体中，水流斜向转弯汇入山间冲沟。溢洪道中心线全长440 m，竖井进水口平台由开挖形成，溢流堰采用无闸门控制的环型实用堰，采用1/4椭圆曲线，堰顶与正常蓄水位齐平；竖井采用等直径圆形竖井，为防止水流直接冲击竖井底板，在竖井底部设消力井，其结构布置与竖井段相同，井底高程比退水隧洞底板高程低7 m，以形成稳定的水垫塘；退水隧洞结合导流洞布置，洞内设16级台阶消能；出口段采用消力池消能，池长30 m，池深
2.0 m，其后接护坦，采用规格3 m×2 m×0.3 m的雷诺护垫，与山间冲沟顺接。竖井式溢洪道结构布置见图1。
图1 竖井式溢洪道结构布置示意(单位：高程m，尺寸mm)
图2 不同流量下溢流堰水流状态
3 物理模型试验研究龙摄天下
3.1 模型试验布置与工况
为研究竖井式溢洪道的水流流态、泄流能力及消能效果等水力特性，按重力相似准则设计了1∶20的试验模型。模型设计时对环形溢流堰、竖井段、退水隧洞、出口消能段均进行了精细模拟，其中，环形溢流堰采用了木材制作，竖井段、退水隧洞段用有机玻璃制作，出口消能段及下游河道用水泥砂浆制作。有机玻璃的糙率为0.008～0.009，换算成原型的糙率为0.013 2～0.014 9，与溢洪道的实际糙率较为接近，可以满足动力相似要求。模型试验工况如表1所示。
马克思主义唯物史观
表1 试验工况工况设计概率/%正常蓄水位/m天然洪峰流量/m3·s-1坝前最高水位/m最大下泄流量/m3·s-110.05567.00250568.7174.020.2567.00186568.2445.031567.00150568.0732.0
3.2 初拟方案
溢流堰采用无闸控制环形实用堰，环形堰顶曲线采用1/4椭圆曲线，椭圆方程为x2/12+y2/2.22=1。环形堰直径5.6 m，堰顶高程567.00 m，与正常蓄水位齐平，高程564.80 m以上为过渡段，以下为竖井段。堰顶的体形如图1所示。
当流量为24 m3/s时，堰顶的水流为自由堰流，竖井内的自掺气较多，在试验中发现库水位不稳定，在567.647～567.803 m之间波动，堰顶流态见图2a。当流量在33～43 m3/s时，堰顶流态仍然为自由堰流，库水位也较稳定，典型流态见图2b。当流量为53 m3/s时，堰顶上方形成了一个顺时针方向的漩流，典型流态见图2c。当流量在64～84 m3/s时，堰顶形成了较大的漩涡，漩涡强度时大时小，特别是在流量为74、84 m3/s时，堰顶通气孔道时而被封堵，受此影响，堰顶泄量有所变化，库水位波动较大，典型流态见图2d。
初拟方案的水位-流量关系如图3所示，图3中列出了在同一流量下水位波动的低值与高值，并与设计值进行了对比，由图3可知，在校核水位时，试验过流能力较设计值小，泄流能力不足。
图3 初拟方案水位-流量关系
3.3 优化方案
考虑到泄流能力不满足要求，且堰顶流态不良，故需对初拟方案进行优化研究，共进行了5种不同进水口体型的模型试验。
(1)优化方案1。保持环形溢流堰堰顶曲线方程不变，将环形溢流堰的堰口直径由原来的5.6 m变为5.8 m，竖井的直径由原来的3.6 m变为3.8 m。该方案在小流量情况下，由于水流有所偏转，在后方交汇形成了一个水翅，水翅冲击对面的竖井井壁，且来流量越大时，水翅越大，冲击对岸的程度也越大；当来流量逐渐变大时，竖井溢洪道的堰顶逐渐有漩涡形成，特别是当在校核流量时由于水流偏转和水翅的影响，堰顶通气孔道时而会被封封堵，且漩涡不稳定，致使库水位变化较大。索尼爱立信k850i
图4 优化方案5(单位：高程 m，尺寸mm)
(2)优化方案2。堰口直径5.8 m，竖井直径3.8 m，沿着环形溢流堰增设6道均匀布置的导流墩，导流墩布置于堰顶与堰面之上，导流墩顶高于水面。该方案对堰顶流态的改善不明显。由于导流墩的部分放置于堰顶处，使得水流在堰顶处形成了较大的水翅，恶化了堰顶的水流流态。当水流高出导流墩顶部的时候，仍然在堰顶处形成了较为明显的漩涡。
(3)优化方案3。堰口直径5.8 m，竖井直径3.8 m，6道导流墩布置于堰顶，墩顶与堰顶齐平。
该方案在P=1%时，堰顶水流有所偏转，并且在2号～3号墩之间有一个较大的水翅，水翅偶尔冲击对面的水体，且水翅位置不固定，在2号～3号墩之间移动。在P=0.05%时，堰顶有较大的逆时针漩涡出现，漩涡时大时小，由于有水翅的影响，通气孔道偶尔被封闭，受此影响库水面波动较大。
(4)优化方案4。堰口直径5.8 m，竖井直径3.8 m，6道导流墩均匀布置于堰顶，墩顶高于水面。该方案在导流墩后形成了6道水翅，影响了水流流态。
(5)优化方案5。堰口直径5.8 m，竖井直径3.8 m，6道导流墩均匀布置于堰顶，墩顶呈间隔不等高布置，如图4所示。该方案较其他方案堰顶流态有较大改善，在P=0.05%时，虽然堰顶仍有水翅，但1号、3号和5号墩有效地阻断了堰顶的旋流，堰顶仍留有较大的通气孔道，故将本方案最为推荐方案。
3.4 推荐方案的堰顶水力特性
3.4.1 堰顶流态及泄流能力
各试验流量下，堰顶均保持为自由堰流。由于受到堰顶流态的影响，库水面有所波动。在P=2%时堰顶为自由堰流，水流贴着堰壁下泄，在1号、3号、5号墩后面出现了较小的水翅，水翅高度约为0.6 m，且在这3个墩的周围也有较小的扰流出现，典型流态见图5a；在P=1%时堰顶也为自由堰流，并有较大的通气孔道，在1号、3号、5号墩后面出现了较小的水翅，1号墩后的水翅约为0.6 m，2号墩后的水翅约为0.68 m，3号墩后的水翅约为0.8 m，且由于堰顶水流有所偏转，使得2号墩和3号墩之间以及5号墩和6号墩之间形成了两个交汇的水股，但没有堵塞通气孔道，典型流态见图5b；在P=0.05%时堰顶仍为自由堰流，由于水流超过了导流墩的高度，堰顶的水流为旋流，受此影响，2号墩与3号墩以及4号墩
与5号墩后形成了一个水翅，且水翅相互交汇，但堰顶仍然留有较大的通气孔道，典型的流态见图5c。
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