竖井旋流泄洪洞的水力设计

第26卷第3期2007年6月水 力 发 电 学 报

JOURNAL OF HYDROELEC TRIC ENGINEERING Vol. 26 No. 3Jun. , 2007

竖井旋流泄洪洞的水力设计

卫 勇, 匙召君, 常晓琴

(西北勘测设计研究院工程科研实验分院, 西安 710043)

摘 要:本文通过前人关于竖井旋流消能成果的总结及公伯峡水电站竖井旋流消能成果的分析, 提出了一套完整的水力设计方法, 可供设计者及研究人员参考使用。关键词:水力学; 竖井; 旋流消能泄洪洞; 涡室; 水力设计中图分类号:TV13512

文献标识码:A

Hydraulic design of vertical vortex spillway tunnel

WEI Yong, C HI Zhaojun, C HANG Xiaoqin

(No rthwest Investigation , Design and Research Institute , Xi . an 710043)

Abstract :Based on summarizing the former research achievements about vertical vortex spillway tunnel and analyzing the e xperiment achievements in Gongboxia hydroelectric project, a perfect hydraulic design method is given. It may be used for designer and researcher.

Key words :hydraulics; vertical shaft; vortex spillway tunnel; vortex chamber; hydraulic design

0 问题的提出及国内外研究现状

旋流泄洪洞是由导流洞改建成永久泄洪洞的一种消能工形式。旋流泄洪洞视其旋转水流发生的位置, 可分为竖井旋流消能和水平旋流消能, 其原理均利用旋转水流的离心力, 形成空腔, 增大洞壁压力和水力摩阻, 延长流程, 达到防止空蚀和消能的目的。

关于竖井旋流的试验研究, 文献[1~3]已作了介绍, 80年代前苏联曾作过系统的试验研究和理论分析, 近年来有三座大型工程的导流洞改建采用旋流消能工方案。印度特里(TEHRI)水电站的四条导流洞均改为竖井旋流式泄洪洞(水头200m, 泄量1800m P s) , 现正在施工。

我国最早应用导流洞改建成旋流泄洪消能工的是四川省沙牌水电站, 最大流量为240m P s, 水头8810m; 改建

3

成水平旋流泄洪洞国内目前正在施工的是公伯峡水电站, 其最大流量是1060m P s, 水头10410m 。中国水利水电科学研究院曾结合小湾、溪洛渡等工程导流洞改建进行旋流泄洪洞模型试验研究, 发表多篇科研成果。西北勘测设计研究院科研所在1993年, 就同俄罗斯国家能源结构研究院结合黄河李家峡水电站导流洞改建水平旋转消能进行过试验研究, 国家/八五0科技攻关期间, 又结合拉西瓦水电站导流洞改建开展了旋流泄洪洞的试验研究, 其中包括水平旋流、竖井旋流、双向旋流及减压试验等内容。2001年8月~2003年12月又对公伯峡水电站竖井旋流及水平漩流泄洪洞进行了比较优化试验的水力设计提供了参考。

º、»

¹

3

3

, 推荐的水平漩流泄洪洞方案已付诸实施, 这都为旋流消能泄洪洞

1 竖井旋流洞的体型布置

竖井旋流洞是一种具有内部消能作用的新型泄洪洞形式, 它具有消能效果好, 结构布置灵活, 抗空化能力强,

收稿日期:2005-11-07

作者简介:卫勇(1962) ) , 男, 教授级高级工程师. E -mail:wyandch@163. com

¹程运生、吕瑞平. 拉西瓦水电站消能总布置方案优化研究报告。电力工业部西北勘测设计研究院科研所, 1985年5月º卫勇. 黄河公伯峡水电站发包设计阶段旋流消能泄洪洞常压水工模型试验报告. 国家电力公司西北勘测设计研究院工程科研实验院, 2002年3月

»卫勇. 公伯峡水电站水平旋流泄洪洞优化试验研究报告. 国家电力公司西北勘测设计研究院工程科研实验院, 2003年12月

第3期卫 勇等:竖井旋流泄洪洞的水力设计

89

工程造价低等优点。其由以下三段组成(见图1) 。

(1) 进口引水段:包括短压力进水口及后面的明渠引水道段。

(2)竖井消能段:包括涡室段、竖井收缩段、竖井直段以及下部淹没消力井室及消力井。消力井也作为退水洞的压力进口段。

(3) 退水洞段:即利用施工导流隧洞的泄洪洞。在该种体型下, 利用在竖井中形成的高速涡旋水流运动及消力井中水垫消能作用达到水流内部消能的目的。

2 竖井旋流洞的水力设计

竖井旋流消能泄洪洞的水力设计主要包括三部分内容, 即进口引水段的设计、竖井消能段的设计及退水洞段的设计。

211 进口引水段的水力设计

进口引水段包括进水口、引水道两部分。进水口主要有三种进水形式, 即堰流引水道、压力短进水口明流引水道和有压引水道同涡室竖井连接。引水道与涡室的连接形式有三种, Ñ型:水轮机涡壳型、Ò型:直线收缩型、Ó型:椭圆收缩型, 见图2。三种连接形式中Ñ型水流条件较好, 但体型设计及施工太复杂, 不易被设计所采用; Ò型体型简单, 但水流条件较差:Ó型水流条件较好, 竖井段不易出现负压, 体型设计及施工相对简单, 易被设计所接受。故本文主要以压力短进水口明流引水道Ó

型连接为例说明进口引水段的水力设计方法。

1. 压力短进水口

压力短进水口(见图3) 设计的目的是:在宣泄各种流量时, 均能形成正压, 以免产生空蚀破坏; 压强平缓变化, 以使进口段损失最小; 尽量使进口断面尺寸小, 以便于迭梁关闭, 同时, 应力结构简单, 便于施工。

这里主要是孔口尺寸的确定。其取决于设计流量, 流量的计算公式如下:

Q =L b 0e

3

图1 竖井旋流洞的体型布置图

Fig. 1 The layout of vertical vortex spillway tunnel

图2 引水道与涡室、竖井连接形式Fi g. 2 The linked shape of channel with vortex

chamber &vertical

shaft

2g (H -e ) (1)

式中:Q ) 流量(m P s) ; L ) 流量系数; H ) 闸孔底板以上水头(m) ; e ) 闸孔开度(m) ; b 0) 闸孔宽度(m) ; g ) 重力加速度, 取g =918m P s 。由文献[4]知:泄洪洞压力短进水口的流量系数可表示为:

Q =L 1b 0e

即:L 1=

b 0e

2g (H -e E )

L 1=-e E

式中:E ) 水流垂向收缩系数; L 1) 流量系数; 其余符号的意义同前。

L J

(2)

图3 压力短进水口体型Fig. 3 Pressure short infall configurati on

2

由(1) 、(2) 式可得:

(3)

90(见表1) 。

2. 明渠引水道

水 力 发 电 学 报2007年

表1 坡度J 与L 1、E 的关系

Table 1 The relation of slope J and L 1、E (1) 方法1:经验法

从进口引水段的流态分析, 在设计工况下, 其水面线前段沿程近似水L 1J E 平, 虽有所降低, 但由于出口段水面出现滚波, 其水面又有所回升, 设计1P [1**********]

中, 可假设校核水位时出口断面的水面线高程与进水口孔口顶板高程相等, 则可求出校核水位时出口断面的平均流速:

V 校=

Q 校

bh 校h 校Q 设Q 校

1P 51P [***********]915

(4)

设计水位时, 可认为出口断面的平均流速与校核水位时相同, 则出口断面的平均水深可用下式求得:

h 设=

(5)

试验发现:由于出口段水面有漩滚波产生, 因此, 出口断面的水深应在计算值的基础上增加25%左右。

(2) 方法2:理论法

通过建立压力短进水口和涡室进水口两断面之间的能量方程, 可得

h +

=H +z +2gb h

2

2Ln Q 1--4P 32U 2g (b 0e E ) R (Bh )

2

2

(6)

式中:H ) 短进水口坎上水头(m) ; b 0) 短进水口宽度(m) ; z ) 短进水口底坎同涡室进水口底板的高程差(m); b 、h ) 分别为涡室进口宽度和垂直于渠底的水深; B 、L 、和n 分别为引水道平均宽度、长度和糙率; e ) 为短进水口压板末端高度(即弧门高度) (m) ; E 、U ) 分别为压板出口水流收缩系数和流速系数; h 和R 分别为从压

板出口收缩水深到涡室进口前平均水深和平均水力半径。即

B =(b 0+b ) P 2; h =(E e +h ) P 2; R =

Bh (B +2h )

(7)

h 值可由(6) 、(7) 式试算求得, 求出涡室前的水深h 后, 该断面的平均流速为:

v =

bh 212 引水道与涡室连接段的水力设计

(8)

根据溪洛度、公伯峡等工程模型试验的经验, 椭圆收缩型连接形式的设计程序如下:

(1) 取工作闸门尺寸高宽比H P B >113, 引水道宽度缩小, 有利于同涡室连接, 可降低佛氏数, 改善涡室流态; (2) 涡室半径R w U 112R (R 为竖井半径, 其计算将在下节中说明) ; (3) 取椭圆曲线短轴b =(115~210) B (B 为工作门宽度或引水道宽度) ; (4) 取k >b , k 为椭圆中心至涡室圆心距(见图2中Ó型) , 按下式求椭圆长轴a :

a =

(5) 椭圆曲线与涡室圆弧的切点(x , y ) :

x =, y =b

a -b

若计算的x >a , 则取x =a , y =0, 或重新设k 值。213 竖井段的水力设计

竖井段的水力设计主要包括竖井直径与顶部涡室直径的设计, 以及竖井底部压力的计算等。1. 竖井直径的设计根据前人的研究经验

[1]

2

b (k +b -R w )

b -R w

-a

(9)

(10)

, 竖井的直径可按下式估算:

2

012

D =k (11)

g

0105 式中:k =F r , 引水道行进流佛氏数F r =(B , h 为引水道宽度和水深, 可近似采用压力短进水口工h

322

; ) ; ; ) P s ) g s ;

第3期卫 勇等:竖井旋流泄洪洞的水力设计

91

2. 涡室直径的设计

几个工程的试验研究表明:涡室半径R w 约为竖井半径R 的112~114倍, 当引水道与涡室的连结形式采用椭圆收缩型时, 可使涡室直径减小15%~20%, 且在涡室内形成稳定的螺旋流流态, 故采用椭圆收缩型时可取:

R w =112R

3. 涡室与竖井连接渐变段高度的设计

涡室与竖井连接渐变段的高度, 对渐变段后竖井周壁的压力影响较大, 理论上, 渐变段越高, 渐变段后竖井周壁的最小压力越大。对矩形或梯形水平明渠, 渐变段的长度常用下面的经验公式计算:

L t =G (B max -B min )

(13)

式中:L t ) 渐变段的长度; B max ) 渐变段进口及出口断面中较大的一个水面宽度; B min ) 渐变段进口及出口断面中较小的一个水面宽度; G ) 系数, 对进口收缩渐变段, G =115~215, 对出口收缩渐变段, G =215~310。同理, 我们可将上式修改为:

L s =G (R w -R )

式中:L s ) 涡室与竖井连接渐变段的高度(见图4) ;

由于竖井旋流涡室出流方向为垂直降落, 其流速较高, 相应的渐变段的长度应较流速较低的水平明渠长, 经过公伯峡水电站竖井旋流泄洪洞水工模型试验, 取G =510~610较适宜; 若G 610, 渐变段后竖井周壁的最小压力越大。

4. 涡室顶部通气孔尺寸的确定

在引水道为高佛氏数的情况下, 涡室进口将被水跃封堵, 必须在涡室顶部设通气孔, 向旋流空腔通气, 以维持空腔压力为大气压力, 否则, 竖井璧面会产生负压。通气孔的通气量与引水道的佛氏数和水跃的补气量有关。目前尚未给出通用的计算公式, 但佛氏数是主要的影响因素, 可按下式估算最大通气量Q a (通气量一般为流量的20%左右, 通气孔的风速以不超过60m P s 为宜) :

Q a =011Q (F r -1)

式中:Q ) 最大设计流量。

012

[5]

(12)

(

14)

(15)

图4 竖井旋流洞计算简图Fig. 4 The diagram of vortex spill way tunnel

5. 竖井段边璧压力的计算

消力井最大压力发生在井底周边处。最大压力主要由井内水深、水流冲击力和离心力合成。沿井深的压力不再遵循静压分布规律。由于井底的离心力基本消失, 故井底最大压力可近似按静水压力加冲击压力计算:

P max

3

=C H j +gA

2[2]

2

(16)

式中:Q ) 最大设计流量(mP s) ; C ) 水的容重; A ) 消力井的断面积(m ) ; H j ) 竖井底板以上淹没深度(m) 。

竖井内其余各点的压力, 经对实测压力资料分析, 可得如下计算公式:

=A D D

置而变化, 根据模型实测各断面压力资料计算而得。

214 竖井与退水洞连接段的设计

竖井与退水洞连接段通常有四种连接形式(见图5) , 即简单式、消力井式、弯道式及L 形。

(1) 简单式:竖井与退水洞直接连接, 并为防止水流直接冲击竖井底板, 井底应低于退水洞洞底, 保持一定的水垫层, 退水洞进口的顶部应采用1B 5~1B 6的压板将断面缩小, 并在压板末端设置通气孔, 使下游维持稳定的明流流态, 工程中常用此种连接形式; (2) 消力井式:竖井与退水洞之间通过消力井连接, 这种连接形式需要建一个直径较大的消力井, 且井顶高于退水洞洞顶, 井底低于退水洞洞底, 要求消力井内保持自由水面, 此种连接形式不

B

(17)

3

式中:P ) 竖井某断面周壁上的平均压力(kPa) ; D ) 竖井直径(m) , Q ) 流量(m P s) , A h 、B h ) 系数, 随断面位

92

水 力 发 电 学 报2007年

经济, 只有当消能率要求较高时才采用; (3) 弯道式:竖井通过直弯道同退水洞连接, 在弯道的内圆上端设通气挑坎, 使水流脱离洞顶, 形成明流; (4) L 形:竖井同退水洞成L 形连接, 这是法国人1996年提出的一种简单形式。

退水洞段的水力设计主要是竖井内淹没水深的计算、退水洞孔口尺寸的确定。这里仅介绍工程中常用的简单式连接的水力设计。退水洞孔口尺寸的大小直接影响竖井的消能率及退水洞的流态, 为保证在低水位时竖井底部有足够的水垫厚度, 并减小竖井底部的开挖深度, 通常在退水洞进口加一曲线型堰。同时, 为使竖井内水平旋转的水流能平稳转化为沿退水洞方向的明渠均匀流, 还应在退水洞孔口段加设2个或2个以上导流中墩。

1. 退水洞孔口尺寸的确定

建立库区与退水洞孔口末端两断面之间的能量方程有(见图4) :

V 1

+G H 0H 0=e 1+2g

2

图5 竖井与退水洞的连接形式

Fi g. 5 The linked shape of vertical shaft and tunnel

(18)

式中:H 0) 库水位与退水洞孔口末端断面底板之间的高程之差(m) ; e 1) 退水洞孔口高度(m) ; G ) 退水洞孔口末端断面以上的消能率, 通常G =018~0185; V 1) 退水洞孔口末端断面的平均流速(m P s) ; 将V 1=(18) 式, 并整理可得:

Q =

1-G ) H 0+e 1

2gb 1e 1

(19) Q

代入b 1e 1

式中:b 1) 退水洞孔口末端断面的过流总宽度(m); 其余符号的意义同前。

2. 竖井淹没深度的计算

竖井的水面高程应在低水位时, 不低于退水洞的顶板高程, 以减小水流对竖井底板的冲击力; 高水位时, 不高于竖井直段的顶部高程。

建立竖井水面断面与退水洞孔口末端断面之间的能量方程有(见图4) :

H s +=e ++G 1H 0

2gA 2gb 1e 1

将A =

2

P D 代入(20) 式, 并整理可得:4

H s =e 1+G 1H 0-+g P D 2gb 1e 1

断面之间的消能率, 通常G 1U 016; A ) 坚井断面面积(m ) ; D ) 竖井的直径(m) :其余符号的意义同前。

3. 竖井泄洪洞的消能率

竖井旋流泄洪洞中, 水流消能率的定义为:

G =1-h +z 2g

式中:z ) 库水位与测速断面处底板高程之差; h 、V ) 断面水深(m) 和流速(m P s) 。

试验表明:在竖井旋流洞运用工况范围内, 总消能率随竖井内自由水面(或环状水跃) 的降低而增加。

2

2

2

2

2

2

(20)

(21)

式中:H s ) 竖井水面与退水洞孔口末端断面之间的高差(m) , 即淹没深度; G 1) 竖井水面与退水洞孔口末端

(22)

3 结语

本文通过公伯峡水电站等几个竖井旋流泄洪洞的试验研究成果, 提出了一套设计计算方法, 可供参考使用。

(下转至第119页)

第3期罗启北等:贮灰场渗流分析及ANSYS 二次开发技术研究与应用

119

从计算结果可以看出, 有初始水头的湿灰场终期坝不论是100m 干滩还是150m 干滩, 其浸润线都在子坝逸出。浸润线在子坝逸出, 对坝体稳定极为不利, 故设计时需在各级子坝采取工程措施, 设置排水, 重新建模, 计算浸润线的逸出点。

4 结语

贮灰场由多种材料组成, 渗流计算较为复杂。通过本文介绍的计算方法和计算结果, 可以得出如下结论:11采用ANSYS 软件的热传导分析功能进行渗流计算是可行有效的。

21APDL 语言能灵活地实现有限元分析中的众多相关功能。即使采用ANSYS 软件解算复杂的渗流场问题, 迭代工作量也相当大, 采用APDL 参数化建模能够简化建模与分析, 为工程设计和研究提供了有力的开发平台和分析工具, 从而为工程应用提供了有效的解决方案。

31ANSYS 强大的前后处理功能能够为工程应用提供极大的便利, 能够解决复杂边界、多种介质、复杂空间的渗流问题。

41ANSYS 软件具有完备的开放性, 还可利用FORTRAN 或C 语言编制自己的模块来丰富其功能, 在工程设计研究中有着非常广阔的应用前景。参考文献:

[1] 宋勇, 艾宴清. 精通ANSYS7. 0有限元分析[M].北京:清华大学出版社, 2002:1~7. [2] 毛昶熙. 渗流计算分析与控制[M].北京:水利电力出版社, 2003:306~317. [3] 张洪剂. 热传导[M].北京:高等教育出版社, 1992:150~197.

[4] 彭华, 陈胜宏. 饱和非饱和非稳定渗流有限元加速技术[J].武汉大学学报(工学版). 2001, (6) :9~12. [5] 龚曙光等. ANSYS 操作命令与参数化编程[M]. 北京:机械工业出版社, 2004, 4:12~74.

[6] 博弈创作室编著. APDL 参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京:中国水利水电出版社, 2004, 3:97~

105.

[7] 张艳霞. 贮灰坝渗流及稳定的研究与应用[D].贵阳:贵州大学, 2005:44~52.

(上接第92页) 参考文献:

[1] 董兴林等. 高水头大汇量旋涡竖井式泄洪洞的设计研究[J]. 水利学报, 2000, (11) :27~33.

[2] 钱莺莺, 江树海, 王正皋, 马萍章. 涡旋内消能竖井泄洪洞的研究[A]. 泄水工程与高速水流1998年版[C].

吉林科学技术出版社, 1998:54~60. [3] 卫勇, 王晓萌, 张晓莉等. 公伯峡竖井旋流泄洪洞的试验研究[A].泄水工程与高速水流2004年版[C]. 吉

林科学技术出版社, 2004:85~92.

[4] 华东水利学院主编. 水工设计手册6[M]. 水利电力出版社, 1982(5) :6-262~6-263. [5] 卫勇. 渡槽进出口渐变段的优化设计与电算[J].甘肃水利水电技术, 1995, (1) :19~24.