基于尾水隧洞中明满流的危害及措施研究

李学宏

(黑龙江省富锦市水务局，黑龙江 富锦 156100)



基于尾水隧洞中明满流的危害及措施研究

李学宏

(黑龙江省富锦市水务局，黑龙江 富锦 156100)

随着能源的开发和利用，空气污染日益严重，而清洁的水电能源在可持续发展中具有了明显的优势，水电站日益增多。很多水电站由于地形、地质、整体布置或者利用已建的导流洞的原因，其尾水洞较长，水力过渡过程十分重要。在下游低水位工况时，尾水洞会出现明满流现象，其水力学现象十分复杂，对尾水隧洞造成巨大破坏，因此均需采取一定的预防措施。工程中多采用设置通气孔的方式来减缓明满流的危害，但通气孔位置及尺寸的选择也有着重要的影响。

尾水洞；明满流；危害；解决措施；研究

1　明满流的提出

能源是促进社会发展的重要物质基础，在人类的日常生活和各种生产活动中时时处处都离不开能源。各种能源的开发和利用促进了世界的繁荣和发展，与此同时，能源的消耗量也是与年剧增。然而化石能源的日益加剧地开采，不仅导致这些化石燃料的日渐枯竭，而且造成空气污染，给人类的生存环境带来大量的负面影响[1]。水能资源作为一种清洁且可再生能源，成为了保护环境、节约资源的重要战略措施，在可持续发展中具有明显的优势。我国水能资源丰富，理论蕴藏量居世界第一。

许多大型水电站在设计时经常把导流洞改做发电尾水洞，以减少岩体隧洞的开挖量，并且减少岸坡的处理工作，从而节省了大量的投资。在尾水洞较长时，导流洞改作尾水洞的经济效益就更为显著。导流洞的底部高程的设计一般比较高，以满足施工导流的要求，而尾水管出口为了满足真空度的要求设计得比较低，因此在导流洞与尾水洞相连接时，在尾水洞与导流洞两者之间的连接处会有较大的反坡衔接段。

图1与导流洞相结合的尾水洞的水电站引水发电系统纵剖面图

导流洞的特殊布置形式，使得它在过渡过程中洞内常发生明满流交替流动的现象。明满流的出现对水电站的结构安全造成一定的影响，由于现在多数水电站的装机容量较大，因此其安全稳定运行对供电系统的稳定和供电质量都有着至关重要的意义[2]。

2　明满流的定义

明满流现象广泛存在于水工隧洞、排洪管道以及水电站的尾水系统中，在过渡过程中产生的这种复杂流态比非恒定有压流和非恒定明渠流更为复杂。

明满流至今被广泛接受的有2种含义：①是指有压流与无压明流共存的状态；②是指明流向满流或者满流向明流过渡过程中，在输水系统的某段内出现有压流与无压流交替的情况。两者的主要区别在于有没有考虑洞内的截留空气。如图2所示，在文ujj 中出现的导流洞中的明满流是第2种概念。

图2　与导流洞相结合的尾水洞中的明满流(第2类明满流)

3　明满流的危害

在实际的水电站工程中，导流洞出口处下游尾水位受到水电站运行等诸多因素的影响。在出现尾水位与导流洞洞顶的高程相近的情况下，当水电站负荷发生变化时，导流洞改作的尾水洞中就会出现明满流的现象。

下面就以水电站机组甩负荷时导流洞中水体从明流转为明满流的现象为例进行描述。在尾水位稍低于洞顶出口高程时，如果水电站发生较大的甩负荷变化，随着导叶的迅速关闭，尾水洞流速减小，尾水系统水位下降，引起降压波向下游传播。因为下游水库比较大，传来的降压波便在与水库相接的出口处变成向上游传播的升压波，该升压波与向下游传来的降压波进行叠加后，水面便会在波的作用下涌起并且不时的出现封顶现象[3]。上游的入射波和下游反射波在相遇处发生叠加，使得改为尾水洞的导流洞沿线随时间变化不断出现涌波，该涌波就可能出现触顶的现象，在导流洞段就会出现气囊。气囊在水体的作用下不断的发生压缩和膨胀变形，该变化中会产生较大的负压。此时，该气囊的形成及消失会产生比较复杂的压力脉动现象。这种复杂的水流现象称为明满流。

水电站的引水系统在负荷变化的过渡过程中所产生的明满流现象，是一个变化很快的压力交变过程。在这个过程中会产生较大的正、负压力并且造成剧烈的压力脉动。在该水流的作用下，由于正负压力的不断变化会破坏尾水洞段的混凝土，致使其强度降低甚至剥落，进而对尾水洞的安全及水电站的正常运行会造成较大的危害。

4　解决措施

在尾水位位于洞顶附近时，当机组甩荷或增荷，尾水洞内水面会出现剧烈的起伏，在洞顶处形成气囊，之后气囊破灭，气囊在形成和破灭时会形成较大的压力变化，形成正负交替的压强，对尾水洞的破坏较大。因此，一般在工程中采用设置通气孔的方式来减缓明满流现象，而通气孔尺寸的大小对进/排气量的大小有影响。

通气孔的作用是在尾水洞内水位发生变化时，通过通气孔来补气和排气，以减小气囊的压缩或者膨胀时产生的负压及压力脉动。通过对国内外相关工程的研究发现，尾水洞中不设置通气孔时，洞顶压力平缓变化，随着机组负荷的变化，负压持续时间较长且极值较大。具有通气孔的尾水洞虽然洞顶仍然出现负压，但相比于不设置通气孔的情况，负压较小且持续时间也较短。因此，通气孔能够较好的减缓明满流对洞顶产生的负压。

通气孔位置及尺寸大小决定了进/排气量的大小，进而对明满流的减缓作用有着较大的影响，因此，通气孔的位置及尺寸选择需根据实际工程进行相关试验研究确定。

5　结　语

随着许多大型水电工程的筹建和设计，很多大型水电站由于地质或地形原因，同时为了节约投资，常将导流洞改作尾水洞，在尾水位接近洞顶高程时，不可避免的会发生明满流这种复杂的水力现象。明满流对尾水洞及机组的正常运行造成破坏。因此对尾水隧洞中明满流的研究及采取相应措施有着重要的意义。

[1]李方正．新能源[M].北京：北京工业出版社,2008：5-7.

[2]许景贤．导流洞改作水电站尾水洞的技术问题的试验研究[J].水利水电技术,1992(04)：58-61.

[3]胡明，蔡付林，周建旭．溪洛渡水电站尾水系统水力动态特性试验研究[J].水利水电技术,2002(03)：11-13+39.

1007-7596(2016)06-0128-02

2016-04-12

李学宏(1974-)，男，黑龙江富锦人，高级工程师。

TV134.3

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