饮水机出水口水流小_抽水蓄能电站侧式进出水口残留围堰高度对水流扩散影响研究

　　摘要：抽水蓄能电站围堰的不完全爆破拆除方案能加快施工进度，降低施工难度，减少工程投资。但围堰残留对扩散水流有不良影响。本文试图通过试验研究，从残留围堰的高度对水流的流态、流速、分流比、流速不均匀系数的影响，找到能满足水流条件的最大残留围堰高度
　　关键词：抽水蓄能电站 围堰 影响
　　随着我国风电、光伏、核电等可再生能源的高速发展，类似抽水蓄能电站这类调峰电源的需求量也将大大增加，因此预计我国抽水蓄能电站的装机目标将大幅扩容。根据国家的最新规划，我国的抽水蓄能装机在2020年要达到8000万kw左右，目前2000万千瓦左右的装机，全国要新增6000万kw的抽水蓄能装机，数量将在50座以上。由于抽水蓄能电站的建站条件各异，必将面临各种各样的问题。其中以抽水蓄能电站出口山体作为围堰的爆破拆除问题最值得关注。由于受水下施工条件的限制，进出水口的围堰难以彻底拆除，而采用围堰不完全爆破拆除的方案，则可以降低围堰的爆破拆除量，也可以抬高爆破拆除的高程，可大大降低爆破拆除的难度和作业周期，但是残留围堰的体型需要进行深入的水力学研究，保证其不对淹没扩散出流造成较大的影响，同时在扩散出流各工况下不会发生不良的水流流态，造成的水头损失也在合理的范围内。本文拟对不同围堰高度对水流的影响作出试验研究，得出受残留围堰影响的淹没扩散出流的水流特性，为爆破拆除提供必要的依据。
　　1模型设计
　　1.1 模型设计及制作
　　模型按照重力相似准则设计，模型比尺1：40，各物理量的模型比尺见表1。考虑到试验场地面积和满足试验精度的前提下，模拟上库河段长440m，宽184m，模拟引水主洞长80m（10倍洞径）。模型地形采用断面法制作，用水泥砂浆抹面；防涡梁采用木条制作；进/出水口及管道部分采用有机玻璃制作，基本可以满足糙率相似要求。进/出水口的具体体型见图1和图2。
　　1.2 量测装置及量测方法
　　本次模型试验，流量用电磁流量计控制，库水位由尾部阀门控制并由固定测针读取。抽水工况的流量由矩形量水堰控制，水位也由固定测针读取。
　　为了解进/出水口的水力学特性，在拦污栅断面布置测流断面，每个流道分左、右两条测线，每条测线从底部向上布置5个测点，故每个流道有10个测点，每个流道的测点布置见图3。各流道编号从左至右依次为①、②、③、④，模型流速采用小威龙三维多普勒点式流速仪量测。
　　2研究工况
　　为发现残留围堰对拦污栅断面流速分布的影响，特制定不同的试验方案，包括253m和239m两种不同的库水位， 0m、2m、5m、8m四种不同的出口岩坎高程，如表2所示。
　　3残留围堰高度对扩散水流的敏感性分析
　　3.1基本流态
　　在各试验工况下，出水下库库区水面平静，流态良好，无不良的回流及脱离现象，这说明在岩坎高程不大的情况下，对进出水口出流的宏观流态没有明显影响，从而可以判断，受岩坎影响的流态变化主要发生在流道以内，可能发生流态的一定变化。
　　3.2基本流速
　　无岩坎时，拦污栅断面的流速分布较为均匀，实测最大点流速超过了1.00m/s，但各工况下流道内的平均流速均在1.00m/s以下，满足设计规范的要求。
　　发电工况下，各流道内的水流呈现出明显的淹没扩散水流的特性，水流流动不够稳定，呈现出恒定流条件下的局部不恒定现象，流速沿水深垂向分布也比较大，各流道内点最大平均流速达到0.8m/s，而拦污栅的顶部出现了负流速，最大平均负流速未超过-0.3 m/s。
　　以工况1拦污栅断面处最大流速点和最小流速点为例，从实测流速时间过程线上可以看出：抽水蓄能进（出）水口的水流在淹没扩散流动时流速具有明显的低频摆动性和高频脉动性，流速最大点的平均流速虽然只有，但最大瞬时流速达到了1.38 m/s，，而最小瞬时流速则只有0.25 m/s。而在流道顶部虽然只出现了平均流速只有-0.01 m/s的负流速，但通过过程线可以看出，最大瞬时负流速达到了-0.5 m/s，而且出现了瞬时正向流速。
　　抽水蓄能电站进出水口淹没扩散出流的这种局部不恒定现象在国内已建的各大抽水蓄能电站的进出水口的试验中均有发现，这种现象也引起了试验人员及工程专家的重视，但这一问题目前还没有能得到有效解决，需要在实际工程中注意适当的防护，避免因为这种不良的水力现象引起建筑物尤其是拦污栅的破坏。
　　3.3分流比和流速不均匀系数
　　分流比K定义为每个流道的实际过流量与4个流道的平均流量Q 的比值 ，流速分布不均匀系数是最大流速与平均流速之比。即
　　在流量151 m3/s及库水位253m条件下，当无岩坎时，各流道最大流速不均匀系数为2.51，最小为2.27；岩坎高度为2m时最大为2.59，最小为2.01；岩坎高度为5m时，最大2.13，最小为1.92，岩坎高度8m时，最大为2.95，最小为1.71。可以看出，在该试验条件下，当岩坎高度未超过5m时，其流速不均匀系数变化相对较小，一般在2.5以下，虽然没有完全满足1.5的设计规范的要求，但在淹没扩散出流这种特殊的水力条件下，这一步均匀系数也是基本合适的，说明各流道水流相对均匀，岩坎未对水流的不均匀性产生明显影响，但当岩坎高度达到8m时，其流速不均匀系数最大已接近于3，水流明显趋于不均匀，岩坎的影响已较明显。
　　在流量151 m3/s及库水位239m条件下，流速不均匀系数的变化情况与高水位时基本一致，说明水位的变化未对流速不均匀系数产生明显的影响。
　　在流量151 m3/s及枯水位253m条件下，无岩坎时，各流道最大分流比为1.08，最小为0.92；岩坎高度为2m时最大为1.36，最小为0.86；岩坎高度为5m时，最大1.17，最小为0.94，岩坎高度8m时，最大为1.29，最小为0.78。可以看出，在该试验条件下，无岩坎和5m岩坎条件下分流比分布较好，分流比最大和最小差值在0.2左右，而2m和8m岩坎条件下，分流比分布情况较差，最大差值达到了0.5，说明流道的分流情况相对较差，岩坎高度对各流道的分流比影响较为明显。
　　在同样流量239m水位条件下，当岩坎高度在5m以下时，分流比的最大值与最小值之差一般在0.3左右，而岩坎高度为8m时，分流比的差值达到了0.5，水流分布明显趋于不均匀。
　　综上所述，岩坎高度对分流影响明显，且不同的库水位对分流比也有一定的影响，但其中当岩坎高度在5m以下时，对分流比的影响相对较小，而岩坎高度为8m时，在不同的库水位下，分流比均有较明显影响。
　　结论：当残留围堰高度不超过5米时，残留围堰对扩散水流的影响可以接受，不会影响抽水蓄能电站正常工作。
　　参考文献
　　【1】 黄智敏等，抽水蓄能电站侧式进、出水口的体型研究. 水电站设计，2007.6
　　【2】 高学平等，淹没扩散出流不稳定现象研究. 水力发电学报，2006.8
　　【3】 张从联等，抽水蓄能电站进出水口水力学试验研究. 水力发电学报，2005.4
　　基金项目：2010年湖南省水利建设基金水利科技项目，编号湘水科技【2010】124-09
　　作者简介：刘贵书，湖南益阳人，高级工程师、副教授。湖南水利水电职业技术学院任教。

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