摘要:小浪底水利枢纽工程是中外专家公认的世界上最具挑战性的水利工程之一,其工程规模宏大、地质条件复杂、水沙条件特殊、运用要求严格,在设计过程中运用了很多流体力学的重要理论和计算方法,是流体力学教学中不可多得的案例。
关键词:小浪底;流体力学;问题
小浪底水利枢纽工程是中外专家公认的世界上最具挑战性的水利工程之一,其工程规模宏大、地质条件复杂、水沙条件特殊、运用要求严格,在设计过程中运用了很多流体力学的重要理论和计算方法,是流体力学教学中不可多得的案例。文章对小浪底水利枢纽工程的液体力学问题进行分析,为流体力学教学提供参考。
1工程概况
黄河小浪水利枢纽工程位于河南省洛阳市孟津县小浪底,是黄河干流三门峡以下唯一能取得较大库容的控制性工程。黄河小浪底水利枢纽工程是黄河干流上的一座集减淤、防洪、防凌、供水灌溉、发电等为一体的大型综合性水利工程,是治理开发黄河的关键性工程。
1994年9月主体工程开工,1997年10月大河截流,1999年底第一台机组发电,2001年12月全部竣工,坝址控制流域面积69.4万km2,占黄河流域面积的87.3%。工程以防洪、减淤为主,兼顾供水、灌溉和发电。小浪底工程拦河大坝采用斜心墙堆石坝,设计最大坝高154 m,坝顶长度为1 667 m,坝顶宽度15 m,坝底最大宽度864 m。坝体启、填筑量5l.85万m3、基础混凝土防渗墙厚l.2 m、深80 m。其填筑量和混凝土防渗墙均为国内之最。坝顶高程281 m,水库正常蓄水位275 m,库水面积272 km2,总库容126.5亿m3。 泄洪建筑物包括10座进水塔、3条导流洞改造而成的孔板泄洪洞、3条排沙洞、3条明流泄洪洞、1条溢洪道、1条灌溉洞和3个两级出水消力塘。由于受地形、地质条件的限制,所以均布置在左岸。其特点为水工建筑物布置集中,形成蜂窝状断面,地质条件复杂,混凝土浇筑量占工程总量的90%,施工中大规模采用新技术、新工艺和先进设备。
2小浪底水利枢纽工程中的流体力学案例
2.1渗流问题与防渗墙
流体在孔隙介质中的流动,称为渗流,达西定律描述了流动的基本规律,但部分学生对于渗流
速度和实际速度的关系不理解,难于掌握如何运用渐变流的渗流基本方程绘制渐变流渗流浸润曲线。通过对渐变渗流浸润曲线的分析,对小浪底渗流场的模拟,学生对渗流场和防渗墙的设计也有了清楚的认识。
考虑黄河多泥沙在坝前淤积后可形成天然铺盖的特殊条件,小浪底大坝采用带内铺盖的斜心墙堆石坝。坝基砂砾石层最大厚度超过80m,坝基深覆盖层防渗处理是小浪底工程的一大难题。经过多年研究论证,并经现场试验,采用厚1.2 m的砼防渗墙,其最大造孔深度81.9 m,是目前中国最深的防渗墙。防渗墙轴线总长407.4 m,总截渗面积21 800 m2。施工完成后布设了12个检查孔,检查槽孔接缝质量,混凝土防渗墙防渗效果良好。
2.2有压流问题和隧洞输水
长短管的水力计算是流体力学中重要的一部分,有些同学在不可压缩流体的长短管的水力计算过程中,对假设流态和多参数设计一直掌握不好,通过对小浪底泄洪洞的流速和压力的分析以及空化现象的描述和防治的讲述,使学生们对这些未成接触的内容有了感性认识。
为满足泄洪排沙的运用要求,小浪底工程9邓小弟条泄洪隧洞分三层布置:高位布置的3条明流泄洪
洞、位于发电引水口下面的3条排沙洞和由导流洞改建成的前压后明带中闸室的3条孔板消能泄洪洞。若按常规方法把导流洞改建为泄洪洞,水头达140 m,洞内流速将达48m/s,且洞内水压力很高,为防止压力水渗入含有泥化夹层的单薄岩体,衬砌设计十分困难。因此,改建导流洞必须采用特殊的措施。小浪底工程设计采用孔板消能泄洪洞的改建方案。每个洞在洞身上游压力段设置三道孔板环,孔板环内径分别为10 m和10.5 m,孔板处过水面积为78.5～86.5 m2,为标准断面积的47.6%～52.4%。在洞中设置孔板环后,利用水流通过孔板环的孔口时产生突然收缩和突然扩散,形成强烈紊动的剪切流实现洞内消能。由于水流通过体形突变的孔板环发生水流分离,孔板下游压力突然降低,致使该部位成为易空化区。为解决这一关键技术问题,通过大量模型试验和在其他工程的模拟原形试验,一方面三级孔板环采用不同的孔径比和锐缘半径,另一方面在孔板下游隧洞中设置中闸室,布置两扇偏心铰弧形工作闸门,以缩小过流面积,闸门全开时两孔口总面积为52 m2和46 m2,从而减小了孔板段流速,保证各级孔板下游侧不发生空化。由于采用了洞内孔板消能技术,使中闸室下游明流段流速控制在30 m/s,最大达35 m/s左右,从而保证了利用导流洞改建泄洪洞方案的实现。小浪底工程在国内首次将导流洞改建为龙抬头多级孔板消能泄洪洞,孔板尺寸是世界上最大的。孔板消能泄洪洞的总体设计、改建施工和原形观测试验都达到世界先进水平,为以高土石坝作为挡水建筑物的水利枢纽解决泄洪问题开辟了新的途径。
2.3水跌与消能问题
在明渠流动部分,有两个重要的概念:水跌和水跃,通过讲解小浪底泄洪排污隧洞的水里计算,对表面水滚和效能方式有了清楚的认识。
小浪底泄洪、排沙、发电、灌溉隧洞共16条,其进口组合成“一”字型排列的十座进水塔,前缘总宽276.4 m,最大高度113 m,各洞进口在不同高程错开布置,形成高水泄洪排污,低水泄洪排沙,中间引水发电的总体格局,以降低洞内流速,减轻流道磨蚀,减小闸门工作水头,提高其运用可靠度。洞室和进口的集中布置,导致出口消能建筑物(消力塘)也集中布置。此项设计独特新颖,可谓水工引水、泄洪、消能建筑物设计的一项首创。出口消力塘是九条泄洪洞和一条溢洪道的集中消能建筑物,其总宽度356 m,总长210 m(含护坦),最大深度28 m,由两个中隔墙分成三个消力塘,每个塘又分成两级消力池。底部排水廊道纵横交错,底板、边坡、隔墙、尾堰、护坦等浇筑仓号多达3425个,其集中布置型式和规模为中国之首。
2.4水轮机磨蚀问题
小浪底水电站共装设6台混流式水轮发电机组,总装机容量180万kW。主要技术参数:运行水头68～141 m,转轮直径6.356 m,额定转速107.1 rpm,额定水头112 m,额定出力306 MW。
小浪底水电站在电力系统中承担调峰、调频及负荷备用任务。基于黄河的水沙特点和水库运行要求,具有过机含沙量高和运行水头变幅大的特点,正常运用期汛期过机含沙量为68.6kg/m3,中值粒径d50为0.021mm。因而水轮机抗磨蚀问题成为小浪底水电站的关键性技术问题之一。主要措施有以下几个方面:
优化水工布置,减少过机沙量。小浪底总库容126.5亿m3,其中预留拦沙库容75.5亿m3。水流中的粗粒径泥沙沉积库中,至坝前形成异重流。在发电引水洞下部布置了3条排沙洞,适时冲沙,三军仪仗队朱振华可降低过机沙量30%～50%。在发电洞旁侧还布置了孔板泄洪洞,汛期可冲排进水口附近泥沙,从而大大改善水轮机汛期运行条件。卡尔达诺
优化性能参数。流道含沙水流相对流速是形成泥沙磨蚀的重要因素,为适当降低比转速,选用107.1 rpm较低的额定转速,从而把比转速降至161 m·kw,这样可控制转轮内流速不超过38m/s。为有效限制空蚀,适当降低吸出高程,尽量做到流道中流速均匀。考虑到汛期平均水头为95～107 m,确定设计水头为110 m。
改善部件结构,减轻泥沙损害。在设计中放大导叶分布圆直径和导叶高度以降低平均流速,装设筒阀以减少漏水冲磨等,从而尽可能减轻含沙水流对水轮机的磨损。
采用优质材料。整体转轮,上、下抗磨板,导叶等均使用抗空蚀性能良好的不锈钢制造;中文科技期刊数据库转轮叶片采用钢板热压成型、数控机床加工、工地组装整件出厂的制造工艺,大大提高了转轮叶片与模型的相似性;在安装中采用座环现场加工工艺。
涂敷防护材料。在较低流速区,如座环和尾水锥管入口处,采用聚氨脂材料防护。表面硬度为90,表面光洁度为Ra3.2,材料耐磨指数2.27。在高流速区,包括导叶、上下抗磨板、止漏环、转轮等部件,用碳化钨钴材料、高速火焰喷涂工艺,在部件加工后进行,形成物理性结合。表面硬度70～75HRC,光洁度为Ra3.2～6.4,材料耐磨指数为5。
采用上述措施,在运行8 000 h的保证期内,水轮机转轮磨蚀可控制在50 kg以下,大修间隔3年。
2.5闸门静水压力问题ifs系统
孔板泄洪洞和明流洞事故闸门共安装了10台5 000 kN固定卷扬启闭机进行闸门的启闭。启闭机名义起升高度90m,单吊点,起升速度2 m/s,卷筒直径3.056 m,是目前我国同类启闭机中卷筒容绳量、卷筒直径和启闭力均为最大的高扬程固定卷扬启闭机。
由于受孔板泄洪洞一洞双孔的体形和水力学条件的限制,进水塔顶闸孔宽度较小(最小为3.5 m),在启闭机的设计上采用了带有折线绳槽的同轴单联双卷筒双层缠绕的技术方案,并采用了阶梯型垫环代替传统的排绳机构。排沙洞事故闸门6台2 500 kN固定卷扬启闭机和塔顶2台4 000 kN门机的卷筒也采用了折线绳槽结构。小浪底工程排沙洞和孔板洞事故闸门水头分别为100.17 m和100 m,高水头闸门的封水橡皮止水要求的压缩量很大,启闭过程中磨损也较大,加上小浪底水库多泥沙的影响,设计采用了一种短压板无伸缩间隙的“山”字型上游止水,在低水头情况下靠自身的预压量进行止水,在高水头情况下利用进水塔顶部清水池、调节泵阀和输水软管等清水循环系统通过闸门上的柱塞式换向充水阀在止水橡皮的背面形成压力腔,通过控制止水橡皮的膨胀以达到止水的目的。
3结语
都说流体力学课程不好学,应用的数学知识多,比较枯涩难懂。为培养学生的兴趣,激发学生的思维与创造能力,我们将疑难问题、工程应用、科研成果、思维方法引入课堂,形成立体思维空间,开拓学生视野,扩大学生知识面。通过对多次小浪底水利枢纽工程案例不同角度的分析,使在课堂教学中叙述颇费口舌的理论的计算变得清晰起来,对所学的知识解决的实际问题
也颇有成就感,把当代最新科研成果引入课堂,既增强了教学的趣味性,又培养了学生的创新能力。
参考文献:
[1] 刘起霞,邹剑峰,王海霞.实际工程中的流体力学[J].力学与实践,2006,(6):90-92.
[2] 张基尧.小浪底水利枢纽建设中的重要技术创新国家新型城镇化规划(2014-2020年)[J].中国水利,2000,(12).
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