一种确定侧式进/出水口分流墩间距的方法及试验验证

曾少岳，苗宝广，周 琦，顾 莉

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

抽水蓄能电站进/出水口是电站上、下水库连接机组引水系统和尾水系统的重要建筑物。与常规水电站的进、出水口不同，抽水蓄能电站的进/出水口具有发电、抽水两种运行工况，因此其具有双向水流的特点。以上水库进/出水口为例，发电工况时为进流，抽水时为出流；下水库进/出水口与之相反。

进/出水口一般有两种基本形式，即竖井式和侧式。当抽水蓄能电站的输水道与上水库水平连接时，宜采用侧式进/出水口。虽然侧式进/出水口的工程量较大，但便于施工，对引水道的施工也有一定方便之处。由于水流从水平方向流入进/出水口，与井式相比流向没有发生急剧变化，能够得到良好的水流条件。侧式进/出水口在国内外得到普遍采用。根据78个抽水蓄能电站进/出水口的统计，侧式进/出水口共有57个，占73%；竖井式进/出水口共有21个，占27%[1]。竖井式进/出水口在美国采用较多，我国多采用侧式进/出水口[1]。

侧式进/出水口主要包括有防涡梁消涡结构、扩散段结构、整流段结构，见图1[2]。为了使扩散段内水流分布均匀、减小阻力系数，我国的抽水蓄能工程中扩散段内一般布置成“两隔墩三流道”或“三隔墩四流道”的结构形式。设置分流墩的目的是为了保证水流在较短的距离内能够均匀扩散，而决定扩散段各流道流量分配的主要因素是分流墩的形状和布置方式。如果设置不合理，不仅会增加进/出水口的水头损失，而且会使各流道分流不均，局部流速过高，引起拦污栅的振动甚至破坏。因此，对于侧式进/出水口的分流墩布置进行深入研究是非常必要的，分流墩间距的设计是重要的关键环节。

图1 常规侧式进/出水口平、剖面示意

1 分流墩布置

“二隔墩三流道”均采用齐头布置方式。“三隔墩四流道”常见的分流墩布置见图2，其中图2a为齐头形；图2b为中墩长边墩短，常称为凸形布置；图2c、2d为中墩短边墩长，常称为凹形布置，不同之处在于边墩头部距离扩散段起始端的距离不同。

图2 “三隔墩四流道”常见分流墩布置示意

河海大学蔡付林[3]、中国水利水电科学研究院孙双科[4]、中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司韩立[5]等对分流墩的布置进行过试验研究。对于“三隔墩四流道”布置，不宜将分流墩布置成中墩长、边墩短的形式或墩头平齐的形式，宜采用中墩短、边墩长的凹形布置方式，在水流扩散之前由两侧分流墩进行第1次流量分配，然后由中间分流墩进行第2次流量分配。试验成果表明，采取这种形式的分流墩对均衡扩散流状态时进/出水口孔间的流量分配非常有效，又能满足收缩流状态的水力条件[6]。通过多个抽水蓄能电站侧式进/出水口的模型试验研究得到了类似的结论，若同时将分流墩墩头移至扩散段起始端还可以更好地保证各流道分流均匀[7-8]。具体来说对于“二隔墩三流道”布置，将2个隔墩均移至扩散段起始端。对于“三隔墩四流道”布置，则将2个边墩移至扩散段起始端，见图2d。这样布置的好处在于分流界限清晰，在来流还未扩散之前分流更加稳定。但是对于“四隔墩五流道”的布置，类似的将边墩移至扩散段起始端，将2个中墩后移形成凹形布置。但不宜将所有的隔墩都移至扩散段起始端，这样会造成局部过于拥挤，不但会增加进/出水口的局部水头损失，而且也不利于施工。

2 确定分流墩间距的方法

为了将相邻流道的流量分配差异控制在10%以内，NB/T 10072—2018《抽水蓄能电站设计规范》给出了分流墩间距的建议值[2]，即采用分流墩在扩散段起始端的宽度比来设计分流墩间距，称之为宽度比法。对于“二隔墩三流道”的布置，中间孔道宽占30%，两边孔道占70%为宜，见图3a，其中b1=0.35b，b2=0.3b。对于“三隔墩四流道”的布置，分流墩采用凹形布置，见图3b，中墩后退距离约相当于进口宽度的1/2，中间两孔占总宽度的44%，两边孔占56%，即b1=0.28b，b2=0.22b，l=0.5b，或者说单一中间孔道宽与相邻边孔宽之比大约为0.785。对于“四隔墩五流道”的情况，也为凹形布置，见图3c，但设计规范中没有给定分流宽度的建议值。

图3 分流墩间距示意

中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司承担了国内多个抽水蓄能电站的勘测设计任务，大量的进/出水口模型试验研究成果表明：采用设计规范中推荐的分流墩间距在扩散出流工况时并不能取得满意的效果，相邻流道的流量分配差异经常超出10%，难以满足设计要求。分流比过大将导致拦污栅断面局部流速过高，不但增加了水头损失，而且对拦污栅的安全运行也会造成一定的危害。

设置分流墩间距的宽度比法仅参考分流墩在扩散段起始端的宽度，没有考虑到分流墩的形状、位置，因此无法真正代表各孔流道的控制过流面积，会产生一定的误差。而且影响分流比的因素众多，如进/出水口本身的结构形式及轮廓尺寸，分流墩墩头形状及布置，进/出水口后隧洞的连接方式等，所以给定精确的分流墩间距非常困难。

管道流量Q计算公式为

Q=μcAv

(1)

式中，μc为管道流量系数；A为过流断面处的面积；v为流速。

在管道流量系数、流速不变情况下，过流流量受过流断面处的面积A控制。进/出水口扩散段呈渐扩或渐缩状，各流道的最小断面位于各分流墩末端附近，当进、出口水流平稳时，各流道的实际过流量受此断面控制，因此，本文提出了一种设置分流墩间距的简单方法，即采用各孔流道控制断面面积比来确定分流墩的间距，称之为面积比法。

由于侧式进/出水口扩散段的立面扩散角一般仅为3°～5°，因此控制断面面积比基本为各孔流道控制断面的宽度之比。图3a、3b为“二隔墩三流道”和“三隔墩四流道”布置，a1、a2分别为边流道、中间流道的控制断面宽度。图3c为“四隔墩五流道”布置，类似的a1、a2、a3分别为边流道、次流道、中间流道的控制断面宽度。在实际操作过程中，只需找到各流道的控制断面位置，并确定a1、a2、a3间的比值就基本可以保证分流均匀。多个工程的试验研究表明，a1与a2的比值、a2与a3的比值均定为1.1是基本合适的。

3 工程实例

本文以平江抽水蓄能电站、梅州抽水蓄能电站、白莲河抽水蓄能电站的进/出水口为例，对确定分流墩间距的面积比法予以验证。这3个工程的进/出水口均为侧式，分别为三流道、四流道和五流道，分流墩均为凹形布置，具有一定的代表性。

3.1 平江抽水蓄能电站[9]

平江抽水蓄能电站位于湖南省平江县福寿山镇境内，总装机容量1 400 MW。下水库采用侧式进/出水口，二隔墩三流道布置，如图4所示。原方案分流墩在扩散段起始端的宽度依次为2.1、1.8 m，相应的宽度比为0.35∶0.30，与设计规范的建议值相同，如图4a所示。扩散出流(发电工况)时流道最大平均流速值达到1.35 m/s，各流道分流不均匀，最大分流比为1.52，过栅流速和分流比均不满足要求。通过分析认为，分流墩墩头与扩散段起始断面的距离、边流道与中间流量实际控制断面的面积比值均较大，导致了分流不均和流速过大。试验优化方案，将分流墩墩头延伸至扩散段起始断面，同时，按照

图4 平江抽水蓄能电站下水库进/出水口平面示意(单位：m)

各流道控制断面面积比法重新设置了分流墩间距，分流墩在扩散段起始端的宽度均为2.0 m，相应的流道控制断面处的宽度比由1.2降至1.1，如图4b所示。在扩散出流(发电工况)时流道内最大平均流速值降低至0.9 m/s，流道最大分流比降低至1.15，分流效果得到了明显改善。

3.2 梅州抽水蓄能电站[10]

梅州抽水蓄能电站地处广州～汕头粤东部分的中部，位于广东省梅州市五华县南部的龙村镇黄狮村境内，电站一期装机容量1 200 MW。上水库侧式进/出水口采用三隔墩四流道布置，如图5所示。原方案分流墩在扩散段起始端的宽度依次为1.8、1.3 m，边流道和中间流道相应的宽度比为0.21∶0.29，与设计规范建议值基本一致，如图5a所示。扩散出流(抽水工况)时，边流道的平均流速均超过了1.0 m/s，最大值达到了1.24 m/s。流道分流比在0.62～1.61之间，分流效果较差。导致水流分流不均和流速过大的原因是分流墩墩头与扩散段起始断面的距离过大，引水隧洞与扩散段采用圆弧衔接导致边界层分离现象提前。试验优化方案按照各流道控制断面面积比法重新设置了分流墩间距，同时，将引水隧洞与扩散段采用直线衔接，分流墩在扩散段起始端的宽度分别为1.65 m和1.45 m，相应的流道控制断面处的宽度比由1.5调至1.1，如图5b所示。试验成果表明，优化方案在扩散出流(抽水工况)时流道内的最大平均流速值降低至0.85 m/s，流道最大分流比降低至1.15，分流效果良好。

图5 梅州抽水蓄能电站上水库进/出水口平面示意(单位：m)

3.3 白莲河抽水蓄能电站[11]

白莲河抽水蓄能电站位于湖北省黄冈市罗田县白莲河乡境内，总装机容量1 200 MW。上水库进/出水口为侧式，采用四隔墩五流道布置，如图6所示。原方案分流墩在扩散段起始端的宽度依次为2.1、1.72、1.36 m，相应的宽度比为0.233∶0.191∶0.151，如图6a所示。扩散出流(抽水工况)时，各流道分流极不均匀，分流比在0.31～1.66之间，导致个别流道的过栅平均流速超过了1.2 m/s，最大值为1.33 m/s，过栅流速和分流比难以满足要求。通过分析认为，分流墩墩头与扩散段起始断面的距离较大、流道间流量实际控制断面的面积比值不合理，导致了分流不均和流速过大。试验优化方案，将分流墩墩头延伸至扩散段起始断面，同时，按照各流道控制断面面积比法重新设置了分流墩间距，分流墩在扩散段起始端的宽度依次为2.1、1.75、1.30 m，相应的边流道与次流道的控制断面面积比由1.12调整为1.15，次流道与中间流道的控制断面面积比由0.99调整为1.10，如图6b所示。流道的分流效果得到很大的改善，同样在扩散出流(抽水工况)时流道分流比减小为0.87～1.28，各流道平均流速基本在1 m/s以下，仅个别流道的平均流速略大于1 m/s。分流效果亦得到了明显改善。

图6 白莲河抽水蓄能电站上水库进/出水口平面示意(单位：m)

4 结 论

(1)设置分流墩间距的宽度比法仅参考分流墩在扩散段起始端的宽度，没有考虑到分流墩的形状、位置，因此无法真正代表各孔流道的控制过流面积，必定会产出一定的误差。

(2)多个工程的模型试验结果表明：相较于宽度比法，本文提出的采用各孔流道控制断面的面积比来确定分流墩间距的方法更准确、合理，能使各孔流道分流更均匀，利于减小进/出水口的水头损失和确保拦污栅的安全运行。

(3)设置分流墩间距的面积比法具有一定的通用性，对侧式进/出水口常见的“二隔墩三流道”“三隔墩四流道”“四隔墩五流道”的布置均适用。该方法可以作为同类工程设计的参考。

(4)采用面积比法确定侧式进/出水口的分流墩间距时，只需找到各流道的控制断面位置，控制断面面积比可参考本文建议的数值，基本可以保证分流均匀。对于三流道、四流道布置，边流道与中间流道的控制断面面积比建议值为1.1，对于五流道布置，边流道与次流道以及次流道与中间流道的控制断面面积比设为1.1也是基本合适的，可根据工程实际情况微调。