张兰丁

（南京水利科学研究院，江苏省南京市 210029）

侧式进/出水口工程布置进流工况新进展

张兰丁

（南京水利科学研究院，江苏省南京市 210029）

侧式进/出水口由于双向流动特性优越，被广泛用于抽水蓄能电站和其他输水工程。本项研究依托琅琊山抽水蓄能电站下库进/出水口和响水涧抽水蓄能电站上、下库进/出水口进行，通过水工模型试验对侧式进/出水口的水力特性进行了研究。模型试验包括进、出流两种工况。由于侧式进/出水口在进流时易产生有害的漩涡流态，威胁工程安全运行，本文重点给出了克服侧式进/出水口进流工况外部漩涡流态的工程试验研究成果，给出了两种典型工程布置的有旋流动理论解。其中设于响水涧抽水蓄能电站下库进/出水口拦污栅排架上的消涡挡板经过试验验证已用于工程实践并已申请专利。通过测量响水涧抽水蓄能电站上库进/出水口外上方表面漩涡的切向流速，采用作者2001年提出的立轴漩涡理论解，计算漩涡的涡深，进而得知外上方有旋流动的强度，并将其作为判断上库进/出水口外边界开挖方案是否合理的依据。通过模型试验研究论证了几个开挖方案，修改了上库进/出水口的外边界，已用于工程实践。

侧式进/出水口；消涡挡板；进流工况；涡深；有旋流动

1 侧式进/出水口的工程用途

侧式进/出水口作为有压输水道(长距离或短距离)与水库或上、下游明流衔接不可缺少的过渡性水工建筑物被广泛用于抽水蓄能电站及其他输水工程。如图1所示，水流从有压流过渡到明流或由明流过渡到有压流都必须设置过渡性水工建筑物，侧式进/出水口就是其中重要的一种。在我国侧式进/出水口被广泛用于抽水蓄能电站输水道系统。自20世纪90年代三座大型抽水蓄能电站（十三陵、天荒坪、广州抽水蓄能电站）陆续建成、投入运行以来，近二十多年来又有十多座大中型抽水蓄能电站建成、投入运行，均未见侧式进/出水口发生破坏事故，说明侧式进/出水口的工程设计、体型布置已趋于成熟。我国在侧式进/出水口方面工程技术水平的提高已经从吸收国外类似水工建筑物体型布置，然后根据工程具体情况做出改进，进步到提出具有自己知识产权的体型布置形式。这其中包括水工水力学和水工建筑物体型布置两方面的进展。随着国民经济的发展，抽水蓄能电站还将作为最合适的储能装置在与风力发电、太阳能发电等具有随机特性的可再生能源匹配中起到重要作用[1]。

2 依托工程概况

琅琊山抽水蓄能电站位于安徽省滁州市西南郊，安装4台150MW抽水蓄能机组，总装机容量600MW，额定水头126m。电站建成后并入安徽电网，承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用的任务。枢纽由上水库、水道系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站及副厂房等组成。水道系统由上库进/出水口、压力管道、尾水支洞、尾水调压井、尾水隧洞、下库进/出水口、尾水明渠组成。引水系统采用一管一机供水方式，尾水系统采用一管两机的布置方式。下水库利用已建的城西水库调蓄，设有两个进/出水口为岸边侧式，本项研究依托该电站下库进/出水口进行。

安徽响水涧抽水蓄能电站位于芜湖市三山区峨桥镇境内，长江中下游的漳河、泊口河流域，安装4台250MW抽水蓄能机组，总装机容量1000MW，最大发电水头217.4m，为日调节纯抽水蓄能电站。电站由上水库、输水系统、地下厂房、地面开关站及下水库等建筑物组成。其中输水系统由上库侧式进/出水口、引水隧洞、引水事故闸门井（有调压井的作用），压力钢管、尾水隧洞、尾水事故闸门井、下库侧式进/出水口等组成。上水库利用自然山洼筑坝形成，下水库利用天然洼地以半挖半填方式筑人工围堤形成。移民数量少，工程建设条件优越。本项研究依托该电站上、下库进/出水口进行。

图1 侧式进/出水口（无交通需求或无障碍）外上方流态示意图

图2 琅琊山抽水蓄能电站下库进/出水口外上方模型试验流态

3 侧式进/出水口外上方流动模式研究

侧式进/出水口的模型试验研究包括进、出流两种工况。研究内容包括：流速分布、压力分布、进/出水口内部、外部流态观测、库区冲刷以及进/出水口外上方有旋流动的测量等项内容。由于在进流工况易形成不利的漩涡流态，因此研究重点在进流。侧式进/出水口内部边界对水流流态的影响见文献[2]、文献[3]。

图1所示为琅琊山抽水蓄能电站下库进/出水口外上方水工模型试验平面流态。作者为该工程进行了水工模型试验研究，研究成果已用于工程实践。琅琊山抽水蓄能电站下库进/出水口为开敞式，无任何水工建筑物，进流工况下进/出水口外上方形成如图1所示两个旋转方向不同的环流（实际流动情形见图2）。可用以下经典水动力学理论解[4]简化描述为式（1）。

流动只发生在X-Y平面上，为二维流动。

流线微分方程见式（2）：

流线方程见式（3）：

液体质点在X-Y平面做圆周运动，同时绕Z轴旋转，为有旋流动，见图3。

图3 有旋流动示意图

因此在侧式进/出水口外上方进流工况下形成的环流为有旋流动，具备形成漩涡的基本条件。图1的布置侧式进/出水口外上方没有任何水工建筑物。在有交通需要时，侧式进/出水口外上方需要布置桥墩（或兼作拦污栅排架），桥墩间会形成平面方腔流动，平面流动模式可简化如图3所示，实际流动情形见图4。

设流函数见式（4）：

假设y=0的流线是固体边界见式（5）。

如图5所示的平面方腔流动见式（6）

为有旋流动，在一定条件下会发展生成漩涡，见图4。

图4 响水涧下库进/出水口拦污栅排架间模型试验漩涡流态

图5 有方腔流动的侧式进/出水口外上方流态示意图

图6 下库进/出水口周边库区原设计平面布置图

图7 下库进/出水口原设计布置简图

4 下库进/出水口外上方消涡工程措施

响水涧下水库利用天然洼地以半挖半填方式筑人工围堤形成，在水量充沛时由长江二级支流泊口河引水入库。下库进/出水口除了具有抽水蓄能电站进/出水口双向水流的水力学特性外，水头高、库水位变化频繁且变幅较大，水流流态受库区地形和进口边界条件及水位变化的影响而十分复杂。进/出水口外库区地势广袤，两侧为库底浅滩，浅滩底部高程高于进/出水口顶部数米，造成发电和抽水时进/出水口外上方表面回流强度较大，抽水时形成较深的立轴漩涡，威胁工程安全运行。下库进/出水口库区原设计工程平面布置见图6。

下库共有四个进/出水口，出口段设有拦污栅，进/出水口外上方设有17个交通桥墩（兼做拦污栅排架），见图7和图9。进/出水口外部两侧为库底浅滩，浅滩底部高程高于进/出水口顶部数米，发电和抽水时形成强大的回流。由于回流的拖曳作用在拦污栅排架间形成涡深较深的立轴漩涡，威胁工程安全运行（见图4）。试验中采用在拦污栅排架上设置消涡挡板，在库区设置导堤（见图8）的方式，降低回流强度，阻断和削弱了图5所示方腔内的流动，最终完全消除了立轴漩涡（见图9、图10）。目前工程已投入运行。

图8 响水涧下库库区工程采用方案进/出水口前方导堤平面布置图

图9 响水涧下库库区工程采用方案模型试验流态

图10 响水涧下库进/出水口拦污栅排架工程采用方案模型试验流态

5 上库进/出水口外上方消涡工程措施

5.1 开挖方案模型试验研究

图11 响水涧上库进/出水口前方库区山脊实况

响水涧上库与下库类似也有四个进/出水口，但是侧式进/出水口外上方没有任何水工建筑物，与图2的布置类似。与图2工程布置不同之处是有一山脊位于上库进/出水口前方（见图11）。按照以往的设计经验，进/出水口前方以正向进流为宜，因此工程原设计计划将前方山脊开挖一部分，形成部分正向进流通道。由于将前方山脊全部挖去工程量较大，而且死库容区域开挖没有意义，所以保留下来的部分山脊挡在进/出水口前方就形成侧向回流。四个进/出水口的外上方形成一个较大的方腔，因此上库进/出水口外上方的斜向回流是正向进流和侧向回流综合作用的结果，其外部流动模式具有图1和图3的综合特点。进/出水口外上方有两个旋转方向相反的环流，且有一个环流由于侧向回流的拖曳作用，环流强度较强，在防涡梁上方形成一个稳定的表面漩涡（见图12）[5]。

经过模型试验研究[7]，在进/出水口两侧弧线扩挖，扩大外上方回流空间，起到了降低回流强度的作用。采用保留进/出水口前方部分山脊（图14▽197.0m平台）的方法，避免正向进流，使流向基本为侧向。由于方腔被扩大，方腔内环流强度被降低，因此未能生成稳定的表面漩涡，见图8[5]。

5.2 试验研究方法

响水涧抽水蓄能电站上库进/出水口外上方工程布置不同于下库进/出水口外上方，侧式进/出水口外上方没有任何其他水工建筑物，因此不能像下库那样通过消涡挡板来阻断方腔内环流。在此条件下通过试验验证，采用弧线扩挖，平顺流动途径，扩大方腔空间，降低环流强度，可以起到避免和诱发表面漩涡生成的作用。在确定响水涧上库进/出水口外上方工程布置的研究中通过对漩涡特征参数（半径、切向速度）的测量与计算（涡深）以及防涡梁格栅间下吸流速及影响深度的测量，对上水库库区三个工程开挖方案的进/出水口外上方漩涡流态进行了研究。研究结果表明侧式进/出水口外上方存在两类漩涡：

（1）“固有环流”在一定条件下会发展成为表面漩涡。由于防涡梁格栅间下吸流速的影响，使得表面漩涡具有游移性，当表面漩涡涡深与下吸流速的影响深度十分接近时，表面漩涡易演变为漏斗漩涡，危及工程安全运行。

（2）下吸流速测量表明，在防涡梁的“格栅里”位置下吸流速较大，当下吸流速达到一定数值时该处易产生小的漏斗漩涡危及工程安全运行。文献［6］介绍了通过测量表面漩涡的切向流速，采用立轴漩涡理论解[8]定量计算涡深，然后根据涡深和防涡梁上方下吸流速的影响深度判断表面漩涡是否会对工程造成不利影响的试验方法，选择了合理的外部边界开挖方案，为上库保留前方部分山脊以节省投资提供了科学依据。

图12 响水涧上库进/出水口原设计方案外上方流态示意图

图13 响水涧上库进/出水口工程采用方案外上方流态示意图

图14 响水涧上库进/出水口前方库区蓄水实况

6 结束语

本项研究依托响水涧抽水蓄能电站上、下库侧式进/出水口进行。工程布置通过模型试验进行修改，直至完全消除不利漩涡流态。本文采用水动力学理论解描述了上、下库进/出水口外上方进流工况的有旋流动流态，给出了有旋流动理论解，介绍了如何消除侧式进/出水口进流工况外上方不利漩涡流态的试验方法和研究成果。研究内容涉及侧式进/出水口的两种典型工程布置（外上方无水工建筑物与设有交通桥墩），并已用于工程实际。其中设于响水涧工程下库进/出水口拦污栅排架上的“消涡挡板”已申请专利，并经过试验验证用于工程原型。上库进/出水口外上方无任何建筑，进流工况形成的环流为有旋流动，因此在一定条件下也会形成不利漩涡流态。试验中测量表面漩涡的切向流速，采用作者在2001年提出的立轴漩涡理论解计算漩涡涡深，并将漩涡涡深作为判断上库进/出水口外上方有旋流动强度的指标，比较论证了多个外部开挖方案。目前响水涧抽水蓄能电站上、下库已投入正常运行，电站的4台机组也已于2012年底全部并网发电。

[1]张兰丁，吴征.风力发电与抽水蓄能匹配的探讨［C］//中国水利发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集2011.北京：中国电力出版社，2011：33-36.

[2]张兰丁.响水涧抽水蓄能电站上、下库进/出水口分流特性研究与应用［J］.水利水电科技进展, 2010,30(6)：48-52.

[3]张兰丁.响水涧抽水蓄能电站引、尾水道上弯段弯道效应分析研究［J］.水利水电科技进展,2011, 31(1)：45-49.

[4]张长高.水动力学［M］.北京：高教出版社出版社，1993：37.

[5]张兰丁.响水涧抽水蓄能电站上库进/出水口外边界水力学问题研究［C］//中国水利发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集2009.北京：中国电力出版社，2009：126-130.

[6]张兰丁.抽水蓄能电站侧式进/出水口外上方漩涡特性研究新方法［C］//中国水利发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集2010，北京：中国电力出版社，2010：120-125.

[7]张兰丁.响水涧抽水蓄能电站上水库进/出水口防涡工程布置水工模型试验研究［R］.南京：南京水利科学研究院，2011.

[8]张兰丁.立轴漩涡精确解及其实用意义［C］//《中国造船》编辑部.第七界全国海事技术研讨会论文集，上海：海洋出版社，2001.

张兰丁（1954—），女，高级工程师，抽水蓄能专业委员会委员。主要研究方向：大坝枢纽水力学、抽水蓄能电站水力学、紊流理论应用、可再生能源水利用。E-mail:zhanglandin@163.com

New Advance of Engineering Layout of Lateral Intake-outlets

ZHANG Landing
(Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

The lateral intake-outlet has good hydraulic performance for bi-direction flow.It has been widely applied to pumped storage power stations and other water conducting projects.Research on hydraulic characteristics of lateral intakeoutlets was carried out by hydraulic model test.The study relied on upper and lower intake-outlets of Langyashan and Xiangshuijian Pumped Storage Power Station.The model tests included both outflow mode and inflow mode.Much attention was paid to study whether there would be surface vortex at outer-upper area of lateral intake-outlets under inflow mode, because the harmful vortex would affect the safety of project.The theoretic solutions of rotational flow of two typical engineering layout are given in the paper.The “anti-vortex baffle” was provided between trash rack piers of lower intakeoutlets of Xiangshuijian Pumped Storage Power Station.It has been applied to engineering prototype and allowed to patent.The tangential velocity of vortex was measured at outer-upper area of upper lateral intake-outlets of Xiangshuijian Pumped Storage Power Station, and then the depth of vortex could be calculated by using the theoretic solution of the vertical-axes vortex, which was proposed by the author in 2001.The depth of vortex was considered as an index to judge the rationality of the outer boundary of upper lateral intake-outlets.And a few excavation schemes of the outer boundary were studied and modified, one has been applied to engineering prototype.

lateral intake-outlets; anti-vortex baffle;inflow mode; depth of vortex; rotational flow