山區峽谷陡坡急彎河道電站取水能力及水力性態研究

馮習富，余文鋒

（貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550001）

1 概況

漣江海里水電站為徑流式電站，位于貴州省黔南州西部惠水縣斷杉鎮，為蒙江梯級規劃漣江河段第二級。電站原裝機規模為16570 kW（2×8000 kW+1×320 kW+1×250 kW）。于2017 年進行增效擴容改造后，電站總裝機容量為32000 kW。

工程任務為發電。主要建設內容如下：已建大壩加固，新增放空底孔；新建發電進水口、有壓引水隧洞、調壓井及壓力埋管；新建發電廠及升壓站。

電站水庫總庫容98 萬m3，屬?。?）型電站，工程等別為Ⅳ等，大壩屬4 級，電站廠房為4 級。

大壩采用C15 常態混凝土重力壩，全斷面溢流。壩頂高程875.61 m 同正常蓄水位高程同高，最大壩高13.11 m。水庫不具備調節能力。

進水口為洞式進水口，由取水隧洞、洞內閘室組成。引水隧洞進口位于新、老大壩之間，距新大壩直線距離20 m；取水口位于漣江轉彎段凸側，河床狹窄、縱坡較大，大壩泄洪時，壩頂水面流速大，取水口取水條件不甚理想[1]。

2 研究內容

海里水電站所在河流屬山區峽谷型河道，河道兩岸山體陡峭，受地形條件和已建大壩位置及施工條件限制，二廠發電引水系統采用豎井式進水口布置于左岸地下硐室內，進水口前采用圓形隧洞連接河道取水。因取水隧洞洞口位于河谷凸岸，為保證電站取水安全，需通過數值模擬或模型試驗進一步驗證發電引水系統首部軸線方位、結構型式及不同工況下過流能力；同時優化進水口前端隧洞設計布置及大壩體型（壩頂高程）優化，改善取水條件，保證工程取水安全。

3 進水口三維數值模擬

3.1 三維水流數學模型

項目采用三維數值模擬技術對海里電站進水口取水能力進行研究[2]。完整的N-S 方程是從數學方面來描述水流運動的基本方程，該方程要能夠從本質上控制水流的的運動過程，本文的數值模擬主要采用三維紊流數學模型，控制方程包括時均的連續性方程和動量方程[3]。

紊流是自然界最常見的流體運動狀態，深入了解紊流運動特性，對于研究工程中復雜水流及波動現象具有十分重要的意義。目前，紊流數值模擬方法主要包括直接數值模擬（DNS）、雷諾時均方法（RANS）與大渦模擬（LES）。雷諾時均方法（RANS）由于其獨有的特點，較為廣泛地應用于工程實際中，本次研究，選用RNG k-ε 湍流方程求解附加運輸方程[4]。

3.2 進水口至調壓井段三維計算結果

水庫進水口至調壓井段的數值模擬區域包括水庫、進水口段、閘室段、隧洞段及調壓井段等。按照1∶1 尺寸建立海里電站水庫及進水口計算模型，三維計算網格類型采用非結構化與結構化網格相結合的方式。計算區域內網格單元總數接近500 萬個，計算節點數為超過400 萬個，單元格的體積控制在6.5×10-7m3～2.5×10-1m3之間。

圖1 三維模型圖

三維數值計算的進水口邊界采用正常蓄水位875.61 m，進水口及隧洞的過流量為41.5 m3/s，大于設計要求的31 m3/s，進水口取水能力滿足設計要求。在正常蓄水位時（875.61 m），進水口段及隧洞水流為有壓流。水流進入進水口后受彎道影響，水流偏向右側，進水口段流速在3.5 m/s 左右，隧洞段的流速在4.5 m/s 左右。隧洞中心流速大于邊壁流速。

3.3 進口段三維計算結果

數值模擬區域包括水庫、進水口段、閘室段、出口段及溢流壩段等。計算區域內網格單元總數為360 萬個，計算節點數為230 萬個，單元格的體積控制在6.88×10-7m3～2.56×10-1m3之間。

圖2 進口段整體網格劃分示意圖

采用模型出口設置壓坡（收縮面積）的方式模擬模型出口后隧洞及調壓井等部位原型阻力。出口半徑0.95 m 時，進水口的取水流量為31.1 m3/s，后續不同水位條件下的引水能力計算保持該出口面積不變作為出口邊界條件。

數學模型計算了兩種條件下進水口的取水能力，條件一溢流壩完全敞泄，條件二假定溢流壩高程為886 m，壩身不溢流，進水口的取水能力介于二者之間。各庫水位對應的泄流量見表1，水位- 流量關系曲線見圖3。其中電站設計洪水位883.61 m，校核洪水位885.67 m。

表1 不同庫水位對應的進水口取水量 單位：m3/s

圖3 水位- 流量關系曲線圖

由圖3、表1 可見，同一條件下，進水口取水流量隨著庫水位的增加而增大；同等水位條件下，溢流壩敞泄進水口取水量略小于溢流壩不過流情況，低水位時兩者過流量基本一致，高水位時差異較大，最大差值在1 m3/s 左右（3%），表明溢流壩溢流對進水口取水量影響較小。上述結果均表明在保證正常蓄水位875.61 m，進水口取水流量達到31 m3/s 的條件下，隨著上游水位的增加，進水口取水能力有所增大?，F有布置條件下，進水口取水能力滿足設計要求。

在正常蓄水位時（875.61 m），進水口段水流為有壓流。水流進入進水口后受彎道影響，水流偏向右側，進水口段流速在2.5 m/s 左右，水流從進水口段進入閘室段后向前沖擊閘室壁后向下前方運動，出口壓坡（收縮面積）后流速超過4 m/s。泄洪時，溢流壩下流速超過12 m/s，進水口的流速略大于庫水位875.61 m 進水口流速。

圖4 水庫及進水口流速分布云圖

圖5 水庫及進水口流速分布矢量圖

4 海里電站進水口水力學模型試驗

4.1 試驗內容及條件

通過模型試驗研究確定模型出口壓坡（收縮面積），通過試驗研究得到不同水庫水位時進水口的取水流量。根據模型試驗現場條件，從正常蓄水位開始逐漸增加庫水位，并測量進水口取水能力，當水庫溢流壩泄流量及進水口取水量之和達到模型現場限制流量（原型不超過300 m3/s）后結束試驗[2]。

4.2 模型試驗成果

采用幾何比尺為20 的模型進行試驗。

圖6 模型試驗現場圖

首先通過模型試驗確定庫水位875.61 m，進水口取水量31 m3/s 時的出口壓坡（收縮面積），然后在固定出口壓坡的情況下，通過試驗研究得到不同水庫水位時進水口的取水量，試驗取水能力見表2。

表2 進水口取水流量

由表2 可見，在保證正常蓄水位875.61 m，進水口取水流量31 m3/s 的條件下，隨著上游水位的增加，進水口取水流量有所增大，溢流壩泄流量迅速增大。表明現有布置條件下，不進水口取水能力滿足設計要求。

正常蓄水位（875.61 m）時，進水口表面有一非貫穿性的淺表層旋渦存在，進水口段水流為有壓流，隨著庫水位的逐漸增大，旋渦慢慢變小，該漩渦對進水口水力條件基本無影響。

4.3 試驗成果與數值模擬計算成果對比分析

不同水位條件下，數值模擬計算進水口流量與模型試驗流量對比見圖7。由圖7 可見，模型試驗值與數值模擬值基本吻合，表明數值模擬得到的流量值較為準確。

圖7 數值模擬流量與模型試驗流量對比

5 結論

采用三維數值模擬及水力學模型試驗技術對海里電站進水口取水能力進行研究。數值模擬結果表明：在庫水位875.61 m，進水口及隧洞取水流量41.5 m3/s，滿足取水能力設計要求。進水口局部三維數值模擬計算結果表明：溢流壩敞泄條件下，進水口取水量略小于溢流壩不過流情況，且低水位時兩者基本一致，高水位時略有差異，最大差值在3%左右，表明溢流壩溢流對進水口的取水能力影響較小，同等條件下進水口取水量隨著庫水位的增加而增大。模型試驗的結果也表明：進水口取水量隨著庫水位的增加而增大，模型試驗與數值模擬結果基本吻合。

上述研究成果表明，現有進水口及隧洞布置條件下，進水口取水能力滿足設計要求的31 m3/s，進水口取水量隨著庫水位的增加而增大，溢流壩溢流對進水口取水量影響很小。

通過數值模擬和模型試驗論證，海里電站取水口取水能力滿足設計要求，水力性態較為理想，取水比較安全。在合理的工程布局及措施下，徑流式電站取水口布置于山區峽谷型陡坡急彎河段，是可行的，取水是安全的。