三峽地下電站尾水系統(tǒng)方案優(yōu)化研究

三峽地下電站尾水系統(tǒng)方案優(yōu)化研究

1機組規(guī)模、轉(zhuǎn)速及水位三峽地下水電站位于長江右岸白巖尖山腳下。擁有六家年視容量為700mw的混合泵站，總安裝功率為2200m。地下廠房尺寸為311.30m×31.00(32.60)m×87.30m(長×寬×高)。機組額定轉(zhuǎn)速75r/min,飛輪力矩(GD2)為450000t·m2,機組最大水頭113.0m,最小水頭71.0m,額定水頭85.0m,額定流量982.15m3/s,下游水位變幅21.1m。三峽地下電站平面布置圖及流道剖面圖見圖1、2。2全站不同布置方案比較1995～2004年,地下電站共進行了4次專題研究,于2004年9月完成三峽地下電站的初步設(shè)計。對地下電站的進水口、地下廠房、尾水系統(tǒng)、排沙洞、主變壓器位置及出線洞布置和地面升壓站進行了多方案研究。隨著三峽地下電站建設(shè)時期不同的工作安排,相應(yīng)的設(shè)計邊界條件也有所變化,而尾水隧洞的布置型式一直是各專題設(shè)計階段重點研究的問題。本文主要介紹的尾水系統(tǒng)布置方案研究成果是基于地下廠房位于中部的開發(fā)方式,選擇尾水出口(地下電站尾水渠出口位于三期基坑下游側(cè))的布置格局。三峽地下電站單機輸水系統(tǒng)長約670m,其中尾水系統(tǒng)長240～370m。Tw值在4.7～5.4s,一機一洞調(diào)壓室的斷面面積達到716～1219m2,高度40m;兩機一洞調(diào)壓室面積1283～1613m2,高度83m。由于前期施工場地平整時對白巖尖山體進行了開挖,洞室的巖體覆蓋厚度變薄,而調(diào)壓室方案要求洞室規(guī)模尺寸巨大,地下洞室群縱橫交錯,洞室布置不易滿足規(guī)范要求,圍巖穩(wěn)定問題突出。如果采用特殊支護處理措施,將會付出昂貴的支護代價,施工難度大,且施工中將會出現(xiàn)預(yù)計不到的問題和困難。綜合上述因素考慮,選擇變頂高尾水洞的方案,與調(diào)壓室方案進行比較,以期解決復(fù)雜洞室布置和圍巖穩(wěn)定問題。由此即形成了一機一洞尾水調(diào)壓室、兩機一洞尾水調(diào)壓室、一機一洞變頂高尾水洞和兩機一洞變頂高尾水洞等4個主要比較方案。上述4個布置方案經(jīng)調(diào)節(jié)保證計算均能滿足規(guī)程規(guī)范的要求。從洞室穩(wěn)定條件、水力干擾、施工條件等方面分析,并且綜合考慮各方案對三峽右岸三期工程的施工布置、上壩公路的影響,最終確定采用一機一洞變頂高尾水洞方案。3求的問題求解選擇變頂高尾水洞方案,旨在解決尾水管進口斷面最小絕對壓強不能滿足規(guī)范要求的問題。其工作原理是隨著下游水位的變化,即水輪機的淹沒水深的不同,來確定尾水洞(包括尾水管)有壓滿流段的極限長度,保證其始終滿足過渡過程中對尾水管進口斷面最小絕對壓強的要求,從而起到取代尾水調(diào)壓室的作用。3.1維有壓管道x+g非恒速模型變頂高尾水洞非恒定流水力特性隨尾水位變化呈現(xiàn)不同的流態(tài),包括明渠非恒定流、明滿混合流和有壓管道非恒定流。在此,主要介紹基于虛擬狹縫法的明滿混合流的數(shù)學(xué)模型與計算方法。該數(shù)學(xué)模型和計算方法不僅適用于明滿混合流,而且適用于明渠非恒定流和有壓管道非恒定流。一維有壓管道非恒定流基本方程:?H?t+v?H?x+a2g?v?x=0(1)g?H?x+?v?t+v?v?x+g(Sf?S0)=0(2)?Η?t+v?Η?x+a2g?v?x=0(1)g?Η?x+?v?t+v?v?x+g(Sf-S0)=0(2)式中H為從管軸線起算的測壓管水頭,m;v為流速,m/s;a為水擊波速,m/s;Sf為阻力坡降;S0為管道軸線的坡降。一維明渠非恒定流基本方程:?y?t+v?y?x+c2g?v?x=0(3)g?y?x+?v?t+v?v?x+g(Sf?S0)=0(4)?y?t+v?y?x+c2g?v?x=0(3)g?y?x+?v?t+v?v?x+g(Sf-S0)=0(4)式中y為水深,m;c為明渠的波速,m/s;Sf為阻力坡降;S0為底坡坡降。令:c=gAB???√=a(5)c=gAB=a(5)可以看出,一維有壓管道非恒定流基本方程與一維明渠非恒定流基本方程在數(shù)學(xué)形式上是一致的。于是,在假定有壓管道存在寬度為B的縫隙前提下(見圖3),按式(5)規(guī)定,則滿流可轉(zhuǎn)化成明流,明流可轉(zhuǎn)化成滿流,而水擊波速和重力波波速均保持不變。這就是所謂的虛設(shè)狹縫方法。該方法優(yōu)點是便于編程計算,不必專門處理運動的明滿混合流分界面,可以采用統(tǒng)一的計算網(wǎng)格用隱式差分法求解,從而使計算無條件收斂,并能直接計算出明滿流分界面的運動過程。3.2在一般過渡過程中,把變頂高尾底水特性轉(zhuǎn)化為水力特性通過變頂高尾水洞方案帶機組的整體模型試驗和數(shù)值仿真計算,可深入了解和掌握如下幾方面的情況:(1)恒定流、非恒定流條件下變頂高尾水洞水力特性;(2)大波動過渡過程中機組調(diào)保參數(shù)、沿管軸壓力分布、變頂高尾水洞內(nèi)涌浪;(3)小波動過渡過程中變頂高尾水洞體型對機組穩(wěn)定性的影響;(4)水力干擾過渡過程中變頂高尾水洞的適應(yīng)性等。限于篇幅,在此僅給出變頂高尾水洞的水力特性,以及大波動過渡過程中兩機一洞變頂高尾水洞方案帶機組的模型試驗與數(shù)值計算分析的研究成果。3.2.1采用高上升尾水的水力特征帶機組的引水發(fā)電系統(tǒng)整體模型試驗結(jié)果表明,變頂高尾水洞水力特性隨下游尾水位高低,呈不同的水流狀態(tài),其恒定流流態(tài)示意見圖4。(1)機組穩(wěn)定運行低尾水位時,其尾水洞內(nèi)流態(tài)為明流,水流平穩(wěn)。中尾水位時,變頂高尾水洞內(nèi)水流狀態(tài)呈有壓滿流和無壓明流的混合流,其分界面位于斜拱頂部,在機組穩(wěn)定運行過程中,水流有一定的攪動。從理論上分析,屬于無壓隧洞充蓄度問題,即封閉管道水流的不穩(wěn)定性問題;由于明滿流分界面位于倒坡段,其頂坡較大,不穩(wěn)定段長度很短,試驗中流態(tài)平穩(wěn),無明顯的“拍擊”現(xiàn)象。高尾水位時,出口斷面被淹沒,整個變頂高尾水洞呈有壓流,流態(tài)更加平穩(wěn)。兩機一洞方案時,無論是單臺機組運行不對稱流動,還是兩臺機組同時運行,岔管內(nèi)水流狀態(tài)比較平順,無脫流和積氣現(xiàn)象。(2)高尾水內(nèi)明滿流迅速變化的水力特性在低尾水位發(fā)生的水力過渡過程中,變頂高尾水洞內(nèi)的水流狀態(tài)為典型的明渠非恒定流,明滿流分界面運動距離較短,水流狀態(tài)平穩(wěn),且經(jīng)過幾個來回很快穩(wěn)定在新的分界面。在中尾水位發(fā)生的水力過渡過程中,變頂高尾水洞內(nèi)明滿流迅速變化的水力特性最典型。在明滿流波動過程中,無論是壅水碰頂,還是氣泡生成和排出,均未出現(xiàn)明顯的“撞擊”壓力。當尾水位與變頂高尾水洞出口洞頂齊平時,整個尾水洞為有壓流。在高尾水位發(fā)生的水力過渡過程中,變頂高尾水洞內(nèi)的水流狀態(tài)為有壓管道非恒定流。3.2.2機組執(zhí)轉(zhuǎn)、執(zhí)行數(shù)值模擬結(jié)果分析低、中、高水位下大波動過渡過程模型試驗和數(shù)值計算主要控制參數(shù)匯總情況見表1。盡管表1所示的實驗結(jié)果和計算結(jié)果有所差別,但量級上是一致的,變化趨勢和規(guī)律是一致的。由此可得出以下結(jié)論。(1)蝸殼最大動水壓力與尾水系統(tǒng)的布置方式、運行方式以及下游水位的高低相關(guān)性甚小,而主要取決于水輪機的工作水頭、引用流量和導(dǎo)葉開度。(2)中水位時的機組引用流量最大,導(dǎo)葉開度也最大,在導(dǎo)葉關(guān)閉過程中,機組轉(zhuǎn)速升高率最高。(3)尾水管進口處最小絕對壓力主要取決于尾水系統(tǒng)的布置方式、水流慣性以及下游水位的高低。對于兩機一洞布置而言,顯然2臺機組同時甩負荷產(chǎn)生的負水擊壓力比1臺機組甩負荷要大得多。變頂高尾水洞的體型決定了下游中水位甩負荷是尾水管進口處最小絕對壓力的控制水位,因為在下游中水位時,尾水系統(tǒng)有壓段水流慣性增加所起的負作用大于機組淹沒水深增加所起的正作用。(4)由于尾水閘門井的截面積很小,不能起到調(diào)壓室在平壓方面的作用,所以在機組甩負荷工況下,尾水閘門井最低涌浪水位主要受負水擊壓力的影響,發(fā)生時間基本上與導(dǎo)葉關(guān)閉時間一致,隨后的波動過程主要受尾水系統(tǒng)水流特性的影響。(5)在過渡過程中,變頂高尾水洞水流特性主要取決于下游水位的高低。經(jīng)模型試驗分析,無論處在何種下游水位,洞內(nèi)無吸氣和滯氣現(xiàn)象,亦無明滿流相互交替現(xiàn)象。并且涌浪幅值、水擊壓力大小以及分界面移動距離和速度均在合理范圍之內(nèi)。(6)數(shù)值仿真計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果有較好的對比性。無論是大波動、小波動、還是水力干擾(為了節(jié)省篇幅,小波動和水力干擾結(jié)果對比未列出),除機組轉(zhuǎn)速上升值和尾水洞水位波動第二振幅與衰減度以外,其他主要控制參數(shù)基本相同,其變化趨勢一致。3.3總體布置方式變頂高尾水洞與尾水調(diào)壓室方案比較的前提條件是:兩方案電站總體布置一致,上游引水系統(tǒng)相同,下游布置方式也相同,尾水道長度相當,不同之處僅僅在于尾水系統(tǒng)的型式不同。變頂高尾水洞和尾水調(diào)壓室方案數(shù)值計算主要控制參數(shù)見表2。3.3.1機組轉(zhuǎn)速上升率方案蝸殼末端最大動水壓力主要與引水系統(tǒng)的布置有關(guān),因兩方案上游側(cè)布置完全一致,所以兩種方案的蝸殼壓力是基本一致的。機組轉(zhuǎn)速最大上升率取決于整個引水發(fā)電系統(tǒng)的水流慣性和能量。對于變頂高尾水洞方案,隨著下游水位的升高,系統(tǒng)的水流慣性增加。因此該方案的機組轉(zhuǎn)速最大上升率不僅受機組引用流量的影響,還受下游水位的影響。由于設(shè)置了尾水調(diào)壓室,在中、高尾水位條件下,壓力尾水道的水流慣性時間相對小些,所以變頂高尾水洞方案的機組最大轉(zhuǎn)速上升率比尾水調(diào)壓室方案的略大。在導(dǎo)葉啟閉規(guī)律一致的前提下,尾水管最大真空度取決于對應(yīng)額定流量的下游最低水位條件下的尾水系統(tǒng)水流慣性。由于地下洞室圍巖穩(wěn)定的限制,機組至尾水調(diào)壓室的有壓段比機組至變頂高尾水洞進口斷面的有壓段要長,相應(yīng)的水流慣性也大,因此,變頂高尾水洞方案的尾水管最大真空度比尾水調(diào)壓室方案的小。3.3.2變頂高尾水壓中的水位波動破壞了調(diào)速器部分調(diào)節(jié)的能力,已經(jīng)跨還可從底兩個方案從進水口到尾水管的布置設(shè)計一致,所以小波動過渡過程中動態(tài)品質(zhì)的差異主要取決于尾水系統(tǒng)的工作特性。由于變頂高尾水洞和尾水調(diào)壓室中的水位波動性質(zhì)不同,變頂高尾水洞中明渠的水位波動為重力波,周期較短,可以為調(diào)速器部分調(diào)節(jié);尾水調(diào)壓室中的水位波動為質(zhì)量波,周期比較長,超出了調(diào)速器的調(diào)節(jié)能力之外。因此,變頂高尾水洞方案的機組調(diào)節(jié)動態(tài)品質(zhì)明顯優(yōu)于尾水調(diào)壓室方案。3.3.3尾水調(diào)壓室與尾水調(diào)壓室的功率擺動對比若采用兩機一洞的布置方案,必然產(chǎn)生水力干擾現(xiàn)象。變頂高尾水洞方案在水力干擾過程中,在并入大網(wǎng)的情況下,同一水力單元運行機組的功率擺動幅度明顯小于尾水調(diào)壓室方案;在孤立電網(wǎng)的情況下,兩種布置方案運行機組的功率擺動幅度相當。3.4優(yōu)化和調(diào)整方案3.4.1尾水斷裂系統(tǒng)優(yōu)化尾水洞由直線—弧線—直線的布置調(diào)整為單一直線布置,并將尾水洞軸線向河床側(cè)偏斜10°,與廠房縱軸線交角由正交調(diào)整為80°斜交,尾水洞斷面尺寸由16m×20.95m～16m×24.5m調(diào)整為15m×21.89m～15m×25m(寬×高),并結(jié)合地質(zhì)條件及尾水渠布置,將尾水洞出口向上游方向移動,以盡量縮短尾水洞長度,更好地滿足調(diào)保要求,減小尾水系統(tǒng)的技術(shù)風(fēng)險。3.4.2設(shè)置適當長度的連接段尾水管出口與變頂高尾水洞進口斷面尺寸的差別,以及高程上的跳躍,需要設(shè)置適當長度的連接段來銜接,并起到阻止退水波進入尾水管影響機組運行效率的作用。根據(jù)計算,原推薦的連接段頂部宜采用二次曲線,但在施工詳圖設(shè)計中,為了方便施工和加快進度,經(jīng)研究,改用直線連接方式。3.4.3小隧道斷面高度原設(shè)計變頂高尾水洞采用不同的頂坡和底坡,使得有壓段的流速逐漸減小以利于調(diào)節(jié)保證計算,并可減小隧洞斷面的高度,有利于洞室圍巖的穩(wěn)定。在施工詳圖階段,為便于使用鋼模臺車進行襯砌混凝土的施工,加快施工進度,節(jié)約施工成本,研究調(diào)整了變頂高尾水洞的型式,采用等截面隧洞,即采用相同的頂坡和底坡,其中6號隧洞的坡度為4.7%,斷面尺寸為15m×25m(寬×高)