单、双孔进水口水力特性分析比较

(1)进水口前流态对比分析。双Ⅲ号方案在上游水位133.0m以上时,进水口前的立轴旋涡即已基本消失,其最小淹没深度约在24.0m。

单Ⅳ号方案,由于进水口底高程较双Ⅲ方案低1.0m,并在适当高程加设减涡破旋结构,对单Ⅳ方案(132/100,人字支撑结构中心高程为132.0m,拦污栅底高程为100.0m)来说,在上游水位为135.0m且有拦污栅的情况下,仍有频率为6/10(个/分)、强度较弱的立轴旋涡出现,无拦污栅时未见立轴旋涡,进水口前流态良好;在上游水位133.0m时,立轴旋涡出现的频率及强度均较上游水位135.0m时为大,故其最小淹没深度大体在27.0m左右(计算到进口底高程108.0m处)。

以上各方案,虽然都可满足三峡工程各级水位机组运行稳定的要求,但从流态方面看,双Ⅲ方案较单Ⅳ方案具有明显优势。

(2)水头损失对比分析。从表8.17及表8.18可看出,虽然单孔进口与双孔进水口水力特性不同,但它们的水力特性的有利因素与不利因素综合后,总水头损失值基本相同,其水头损失的试验差值均在误差范围之内。

表8.17　双孔方案Ⅰ与单孔方案Ⅰ水头损失比较(有墩、有拦污栅情况)

表8.18　双孔方案Ⅲ与单孔方案Ⅳ水头损失比较(有墩、有拦污栅情况)

清华大学和长科院两家的水头损失量测结果分别见表8.12及表8.16。从该两表可见,两家分别进行的单Ⅳ方案及双Ⅲ方案的优化终结方案,总的水头损失几乎完全相同。按长科院资料:单Ⅳ方案及双Ⅲ方案的总水头损失均为1.045m,按清华大学资料则分别为1.018m和1.024m,与原方案(单Ⅰ、双Ⅰ)相比,按长科院资料则分别减少了0.30m和0.32m;按清华大学资料则分别减少了0.148m和0.129m,对于额定设计水头为80.6m、机组台数多达26台的三峡电站来说,每年约可增加发电量1.6亿～3.0亿kW·h(或0.8亿～1.5亿kW·h)。

从终结方案(单Ⅳ及双Ⅲ)来看,进口段水头损失要占很大比重,单Ⅳ方案约占42%～40%,双Ⅲ方案约占54%。单Ⅳ方案的进口段的水头损失比双Ⅲ方案小16.3(长科院)～14.6cm(清华大学)。

进口段长度较短,其局部水头损失是主要的,沿程摩阻损失是次要的,因此,流段内体型的优化极为重要。长科院对单孔进口段采取了多种有效措施,较大地调整了进口体型,从而有效地降低了进口段的水头损失,而使进口段的水头损失由单Ⅰ方案的0.725m减少到单Ⅳ方案的0.411m。清华大学对双孔方案除完善和优化了进口段体型外,并对渐变段曲线进行了优化,从而在进口段水头损失有所增加的情况下,使总的水头损失由双Ⅰ方案的1.153m减少到双Ⅲ方案的1.024m。

(3)压强分布对比分析。由于各方案中,压力管道中的压强分布差别不大,故对各方案的判别主要表现在进口段的体型上。对优化后的方案单Ⅳ及双Ⅲ来说,虽在不同部位均出现少许压强波动,但总体上来说,两个方案进口段的体型均属合理、可用。

(4)单、双孔布置方案对比分析。单孔模型共作了4个方案,简称单Ⅰ、单Ⅱ、单Ⅲ、单Ⅳ。其进水口段的特征参数见表8.10。各方案的试验参数见表8.19。(www.xing528.com)

表8.19　单孔进水口方案试验参数对照表

注 表中单Ⅲ方案的数据系引用长科院的;单Ⅰ方案长科院及清华大学均未设破旋措施;单Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ方案均设有破旋措施。

根据以上4个方案的单孔试验结果,其流态还是不够理想:除单Ⅰ方案外,单Ⅱ、单Ⅲ方案均设有破旋措施(人字形撑),当上游水位低于137.0m时,均有不同程度的立轴旋涡产生,并有时挟带空气进入压力管道,影响机组运行稳定。单Ⅳ方案除设有破旋措施外,还把进口底高程由110.0m降至108.0m,并把进口顶高程由129.0m降至123.9m,因而只发现表面旋涡,而未发现立轴挟气旋涡。

双孔共作了3个方案,即双Ⅰ、双Ⅱ、双Ⅲ。其进水口段的特征参数见表8.13,试验参数见表8.20。

表8.20　双孔进水口方案试验参数对照表

其中双Ⅲ方案渐变段为双流道渐变段。中隔墩长24m,最大厚度3.6m。检修闸门布置在喇叭口段内,中隔墩头部为尖头。拦污栅布置与单孔Ⅰ方案基本相同,其区别有:单孔流道宽4.8m,单机总宽6×4.8m=28.8m;5层支撑,每层由横撑和直撑组成。双孔进口前缘宽,无必要加设作为破旋措施的“人字形撑”。

从流态方面看,双Ⅰ方案,水位低于135.0m时,进水口处水面开始出现波动,特别是水位低于130.0m时,水面紊乱,偶有立轴旋涡发生,但其旋涡深度较浅,并不挟带空气进入压力管道。双Ⅱ方案,在水位135.0m时,水面有表面旋涡发生,整个水体平稳,水位在130.0m时,进口水面波动,有表面旋涡发生,少数旋涡发展成为酒盅状,深度较浅,无立轴旋涡挟带空气进入压力管道。

优化后的双Ⅲ方案,在上游水位为135.0m时(流量为880.0m3/s),进水口上游水面平稳,未见表面旋涡及立轴旋涡,当水位为132.0m时(流量880.0m3/s),进水口前水面出现少量立轴旋涡,在有拦污栅情况下,模型中有频率为2～3个/10min的立轴旋涡挟带少许空气进入压力管道,旋涡强度很弱,且维持时间极短即行溃灭;当上游水位为133.0m时,无论有无拦污栅,模型中均未发现挟带空气的立轴旋涡,故其最小淹没水深约为24.0m。

对比3种方案的流态,双Ⅲ方案虽在水位132.0m情况下有少量挟带微量空气进入压力管道的立轴旋涡出现,但可以说与前两个方案的差别不大,由于发电最低水位为135.0m,立轴旋涡问题影响不大。

从水力学条件分析,单Ⅳ及双Ⅲ都已基本达到较为优化状态,水头损失均较原设计方案有所减小,流态也有所改善。

单、双孔方案的选用还涉及金属结构(闸门、启闭机等)、孔口应力和工程量、投资等的综合比较[8]。有关方面对金属结构、坝体应力、工程量及投资等方面分析后,认为单Ⅳ及双Ⅲ方案各有利弊,都可满足三峡工程要求,都是可以选用的方案。但考虑当前建设进度要求和目前设计现状,设计单位最终采用了单孔进水口方案。