李 伟

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

本工程消能井需适应水击水头不同工况的调节保护泄放要求，同时需满足下游电站正常发电的放水消能要求，消能井的运行安全对相邻建筑物和下游电站的运行均有较大影响。通过调节保护计算，模型试验验证，确定合理的消能井体型，以确保消能井的运行安全是本次研究的重点。

1 工程概况

梯级电站位于冲洪积倾斜平原地貌单元上，北高南低，地形坡度为28‰～36‰，利用地形落差共布置8级水电站，设计流量4.17m3/s，总装机容量42MW，年发电量2.27亿kW·h，属小(1)型Ⅳ等工程。该地区属干旱荒漠气候，夏季炎热多风，多年平均蒸发量达3253mm，综合其地形、地貌及气候特点，为减少沿线蒸发和渗漏、避免水质二次污染，各级电站均采用埋藏式管道引水，均由引水闸、压力前池、压力管道、岔管、旁通系统、电站厂房等建筑物组成。梯级电站特性见表1。

表1 梯级水电站工程特性表

2 消能措施的选择

2.1 管道末端布设消能措施的必要性

该梯级电站引水管道布置在现代河床两岸，处于第四系全新统冲积层，地形较为平坦，电站囿于地形地质条件限制，不具备修建调压井的条件，故采用调压阀调节保护措施替代调压井的方案。该调节保护措施是控制引水系统压力和机组转速的关键措施。从梯级电站运行安全考虑，当其中一级电站全部丢荷同时调压阀拒动失效时，会发生引水压力管道超过设计压力而发生爆管的风险，因此在管道末端设置了备用调节保护旁通系统，该旁通系统与厂房顺水流向平行布置，如图1所示。

图1 旁通系统及消能井平面布置图

旁通系统由安全泄压阀和套筒式消能阀两部分组成。安全泄压阀作用是当电站丢荷，同时调压阀拒动时，在规定时间内开启，将管道压力限定在设计压力以内，防止管内压力上升而发生爆管。套筒式消能阀作用是当电站机组甩荷或机组维修时，为保证下游电站不断流，通过消能阀消能后，向下游泄放水流，从而确保下游电站的正常运行。不论是安全泄压阀还是消能阀，受其消能率的限制，其水流过阀后剩余水头还是很高，因此，需在阀后设置消能设施，以消除剩余水头能量。

2.2 管道末端消能措施的选择

安全泄压阀作为管道保护措施，当管道发生水锤达到规定压力时，释放管内水流从而降压，此时泄放的水体具有很大的能量，具有明显的破坏力。为节省建筑物的造价，采取相应的消能措施，消除泄水能量，从而保证下游河床和泄水建筑物本身和相邻建筑物的安全是研究的重点。

根据类似工程经验和相关资料的查阅，对于管道出口消能措施，常用的有涵管冲击消能箱、喷射扩散消能和深筒式消能井。均属于特种消能工其适用范围如下：①涵管冲击消能箱。适用于小型涵管(涵洞)、输放水管道出口等，以最大流量不超过9.6m3/s，流速小于9 m/s为限。 ②喷射扩散消能。

适用于输放水管道、泄水建筑物，性质上和挑流消能相同。③深筒式消能井。适用于输放水管道出口，高水头，小流量，是利用射流对消能井的冲击来消能。

本工程旁通系统及消能建筑物的布置与电站厂房相邻，管道水流经消能后，需投入下级电站压力前池。对其以上三种消能措施研究分析，喷射扩散消能需有较宽的场地以适应消能要求，且喷射水流势必产生雾化，受场地条件限制以及喷射水流雾化对厂房运行的影响，喷射扩散消能已不适用。涵管冲击消能箱对流速控制有一定的要求，本工程旁通系统安全泄压阀需在特定要求下及时泄放管内压力，其顺时流速达20m/s左右，已远远超出涵管冲击消能箱的适用范围，因此不采用此消能方式。从电站厂房的总体布置，工程投资，消能效果等综合分析考虑，深筒式消能井较适用于本工程，且在国内外得到广泛应用，因此初拟安全泄压阀、消能阀末端采用深筒式消能井的消能措施。

3 深筒式消能井的研究

3.1 消能井断面尺寸的初拟

深筒式消能井因其承受水头大，工程量小、投资低等优点，在20世纪50—70年代国外应用较为广泛，并取得较好的使用效果，国外消能井工程实例特性参数见表2。

表2 国外消能井工程实例特性参数表

由表2可看出，在流量较小的情况下，消能井的适用水头范围很大，其断面尺寸和深度也较小，在发挥消能的作用下工程投资得到了节省。对于流量小、水头高的管道引水、输水工程，该消能方式具有很大优势。

本工程设计流量4.17 m3/s，根据调节保护计算的成果，安全泄压阀阀径采用0.35m，当机组和调压阀出现事故产生水击压力，安全泄压阀调节保护对应最大泄放流量约3.56m3/s，阀后管道中流速达18.14m/s，流速水头16.8m。因消能井距离电站厂房较近，如消能井未达到预期的消能效果，会出现消能不充分而发生冲刷破坏消能井，或水流漫溢发生水淹厂房的情况，因此消能井断面尺寸和深度的选择至关重要。

从表2资料消能井的使用情况可看出，其运行使用中最容易出现问题的是井壁磨损和控制杆断裂。通过分析，井壁磨损问题的原因主要是管道出口高流速水流直接冲击井壁，在井壁表面产生气蚀破坏和磨蚀破坏。要降低其破坏的方法就是降低管道出口水流流速，或加大消能井的断面尺寸和深度，将流速控制在消能井可承受的抗冲流速范围内，就能够避免井磨损问题的发生。根据调节保护计算成果，通过计算及工程类比法初拟了消能井的断面尺寸，单孔消能井长×宽为4m×4m，有效深度8.5m，如图2所示，考虑电站调节保护措施较为复杂，安全泄压阀后水头和流速是否如计算所述，为确保消能井安全可靠，开展了此消能井的科研模型试验，以验证消能井断面尺寸的合理性。

图2 消能井纵、横剖面结构图

3.2 模型试验的验证

本工程梯级电站中最大设计水头高达234.9m(对应水击水头316.5m)，如按模型比尺进行试验，那么试验要提供的水库高度高达31.65m。目前能做到如此高水头的试验尚有较大困难。因此，如何通过模型做到与本工程阀前、阀后管道水流运动机理的相似性，也是本次试验研究的重点。经过研究分析，通过对整个管道系统水流在阀前、阀后，以及过阀水流损失情况分析，研究出了一个合理的试验途径，即假设阀下游管道出口为自由出流，整个管道系统中心线为水平线，考虑重力势能不变，建立阀前和阀后能量方程，依次简化模型，达到试验的目的，能量方程如下：

h1+p1/γ+v2/2g=h2+p2/γ+v2/2g+ξ1v2/2g

得到阀前到阀后的总水头损失为：

hw1-2=ξ1v2/2g=p1/γ-p2/γ

式中，hw1-2—阀的局部水头损失系数。

考虑到出口为自由出流，也就是p2/γ=0

故：hw1-2=ξ1v2/2g=p1/γ

从上式可看出，对于有阀控制的压力出流管道，由于沿程断面流速不变，在下泄水流时，其上游压强和阀门开度密切相关，从阀的局部水头损失系数可以知道，开度越小局部水头损失系数越大，当阀后管道出流方式不变时，上游管道的压强可通过阀门的开度调整将能量消耗掉。为验证上述分析的合理性，对该分析进行试验验证，通过改变闸阀前的压力水头，让管道下泄流量保持在设计流量4.17 m3/s不变，进行试验测试比较，测试结果见表3。

表3 模型实测阀后管道压强及管道出口流速对比表

从以上试验资料可看出，不论是电站正常甩荷，还是事故停机，阀前作用水头多大，当下泄流量不变时，管道出口进入消能井的流速就不变，闸后管道压强也不变化。根据试验数据分析，其管道出口流速与调节保护计算成果对比，模型试验流速数据稍小，但相差不大，说明建立的能量方程是合适的，模型比尺可行。经过不同工况试验研究对比，得出了消能井井内流态、流速的分布，以及井壁和井底的压强分布，得出不同运行工况井内试验数据。因试验工况较多，仅对典型不利工况试验研究进行阐述，其它工况研究成果不再敖述，试验情况如下：

过阀流量4.17m3/s时，从模型试验情况，消能井水面稳定，水面波动不超过20mm(模型值2mm)，这说明消能井消能充分，其消能效果良好，消能流态如图3所示。从流速来看，最大流速出现管道转弯外侧出口处，其流速值为5.33m/s，内测流速最小，流速值为4.89m/s。管口流速分布呈现为外大内小的分布规律。

图3 过阀流量4.17m3/s时消能井流态、流速图

从井内流速和流速分布来看，井壁发生气蚀的情况基本不会出现，试验对消能井井壁的时均压强也进行了测验，测验结果如图4所示。从井壁压强结果看，其压强分布良好，时均压强基本和消能井的静水压强接近。只有消能井底部的消能墩压强较大，其圆台中心压强最大为10.01×9.8kPa，和调节保护计算对比，其实验值稍小。

图4 过阀流量4.17m3/s时消能井壁压强分布及数值

对于消能井出口的退水涵来说，由于其水位受下游电站尾水的影响，消能井下泄流量为4.17m3/s时，对应电站最高尾水位进行试验。但由于消能井和明涵的连接没有采用圆弧过渡，在明涵进口存在水流流态不太理想。对电站尾水池来说，由于泄放流量有限，尾水池相对来说较大，所以池内水流平稳。明涵水流不对电站尾水水位产生太大影响。明涵的水面线和流速测验如图5所示。

图5 过阀流量4.17m3/s时消能井退水渠水深、流速分布图

通过消能井模型试验的研究分析，可以得到以下结论：①设计消能井体型可以满足消能要求，设计合理，各运行工况不会出现高流速对井壁的磨损。②为了使水流更加平顺衔接，对退水明涵进口采用圆滑过渡。③在地形条件允许情况下，阀下游管道当有足够长度时可降低出口管道的流速。

3.3 比较验证结论

通过调节保护计算，以及消能井科研模型试验的验证，压力水头在阀后泄放流量不超过4.17 m3/s时，消能井就可满足各工况消能要求，实现压力水流的消能作用，消能井的断面尺寸和深度设计是合理的。需要注意的是，安全泄压阀和消能阀的运行，须根据调节保护计算成果与电站机组以及调压阀实现联动，互为备用。并制定严格的启闭运行制度，防止安全泄压阀和消能阀因一次开启到位，造成上游管道出现负压超过设计值而失稳的情况。另外泄放流量过大时，井内会出现不良的流态造成消能井破坏。

4 结语

水锤防护和管道消能是确保长距离管道引水电站安全运行的关键；本文重点介绍了消能井作为泄放水击水头消能措施的研究成果，确定了消能井的体型参数；根据研究成果如能够加长阀后管道长度，对改善管内水流流态和降低管道出口流速有明显效果，可优化消能井尺寸，但本工程受场地条件限制，不具备加长管道条件。望本文管道水锤防护和消能井的设计思路、研究成果，能够对类似工程起到一定的指导和借鉴作用。