光照分层取水试验研究.doc

光照水电站分层取水进水口水力特性研究 柳海涛1，孙双科1，陈能平2，龙起煌2 (1,中国水利水电科学研究院水力学研究所,北京,100038； 2, 中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院,贵州,贵阳,550002） 摘要：本文以光照水电站分层取水口为例，通过水工模型试验，对采用叠梁门型式的分层取水口进行了水力学特性研究。试验结果表明，上游水位与门顶水头对进水室内流态与水头损失有显著的影响。通过对进水室内叠梁门中墩尾部采取收缩体型，可将最小门顶水头降低到15m左右。此时，进水室内保持良好的水流流态，且无有害漩涡出现。进水口的水头损失系数在0.49~0.67之间，其变化与叠梁门的总高度和门顶水头呈反比关系。另外，叠梁门顶部的流速垂线分布均呈上小下大的形态，底部流速约为平均流速的1.3~1.5倍，这些在设计中应予以考虑。 关键词：分层取水进水口；叠梁；进水室；门顶水头；水头损失系数 近些年来，我国水利水电事业快速发展，陆续兴建了一批大型水利水电工程，在国民经济建设中发挥了重要作用。这些高坝大库的出现，在产生巨大经济效益的同时，也给当地的生态带来了一些负面影响。在天然河流上修建水利工程，将极大地改变河流控制流域原有的水温、气象条件。例如在坝前纵向水温将呈现出明显的分层现象，水库下层水体的水温常年维持在较稳定的低温状态，原有水生态环境发生改变。同时，水库下泄的低温水会对下游农作物、鱼类和珍稀濒危水生生物造成不利影响，严重时甚至危及水生动物的正常繁殖和生存。尤其是大型流域梯级开发，若不采取必要的措施，将使河道的水温难以恢复[1]。目前，这一问题也引起了我国有关部门的高度重视，在一些大型电站的取水工程设计中，已开始采用分层取水设施。 1、工程概况与水工模型设计 1.1 工程概况 光照水电站位于贵州省关岭县和晴隆县交界的北盘江中游，是北盘江干流梯级的龙头电站，也是国家西电东送工程第二批开工项目之一。工程由碾压混凝土重力坝、泄洪表孔、放空底孔、引水系统及地面厂房等组成，最大坝高200.5m，总装机容量1040MW。在工程设计之初，针对电厂低温水排放问题，通过充分的研究论证，决定对电站进水口采用叠梁门布置型式以实现表层取水，对下游减水河段进行必要的生态修复。它是我国在建高坝工程中第一座实施分层取水的大型工程。 光照水电站的引水系统布置在右岸，采用“一洞一井两管两机”布置形式。由分层进水口、两条引水隧洞、两个上游调压井、四条压力管道等建筑物组成。分层进水口采用岸塔式，整个进水口前缘总宽度为75m，底板高程670m，顶部高程750.5m；两条引水隧洞轴线间距为37.5m，内径11m，同两条隧洞相对应，进水口分左右两个进水室，净宽均为33.7m；每个进水室内，叠梁门位于拦污栅与喇叭口胸墙之间，共设3孔，宽度为7.5m，叠梁门的型式为平面滑动叠梁钢闸门，每节门高3.0m；拦污栅墩与叠梁门墩纵向间距为3.0m，通过设置多层结构梁将拦污栅墩、叠梁门墩与喇叭口胸墙连接，每层高差为15m。叠梁门门顶最小工作水头初步定为18m，对于叠梁门墩与喇叭口胸墙净距，分别拟定8m、10.0m和12.0m三种方案，通过水力学模型进行方案比选与优化。 1.2 研究目的与模型设计 为弄清叠梁门分层取水型式的进水口的水力特征，特进行了水工模型试验，研究内容包括以下几方面：(1) 通过进水室内水流流态的观察分析，确定分层取水口结构的合理体型和各工况下进水口所允许的最小门顶水头；(2) 通过水力学模型，了解不同工况下进水口的水头损失情况；(3) 分析各种工况下叠梁门门顶流速分布和进水口前池内的流速分布，对取水效果进行评价。 根据设计提供的资料，叠梁门墩—胸墙间距分为8m、10m、12m 三种方案；叠梁门工作水位从最低的710.5m到正常蓄水位745m，变化范围35m；开启方式分单开和双开两种情况，每条隧洞引水流量取最大值433m3/s；为提高分层取水效率，对于叠梁门门顶最小水头，除了对最初设计的18m方案外，对15m和12m两种方案也进行了试验研究。叠梁门顶高程在691m到733m之间变化，每次变化幅度为3m，即为单个叠梁门高度。 模型按重力相似准则设计，经论证，模型比尺取1:40。上游模型包括前池平台和2个进水口，下游接引水隧洞直线段，模拟长度约为100m。模型全部采用有机玻璃制作，其中上游进水口安装在高水箱中，为便于观测，安装水下照明系统；下游模型通过S型直角下弯管接水平有压圆管段，并分别安装1台电磁流量计以精确控制两条引水隧洞的流量。模型的具体安装布置参见图1。 图1 光照电站分层取水口模型安装图（单位：m） 2. 叠梁门分层取水进水口内水流流态 对于分层取水进水口而言，必须保证各种工况下进水室内流态平稳，无有害漩涡出现[2][3]。根据美国麻省W