无锡马山抽水蓄能电站井式进／出水口设计

无锡马山抽水蓄能电站井式进／出水口 无锡马山抽水蓄能电站井式进,出水口设 计 第6期总第148期 2006年11月 浙江水利科技 ZhejiangHydrotechnics No.6TotalNo.148 November2o06 无锡马山抽水蓄能电站井式进/出水口设计 陈丽芬 (中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江杭州I310014) 摘要:马山抽水蓄能电站上库进/出水口为井式进/出水口,目前国内只有碧敬寺和西龙池抽水蓄能电站 采用此形式,工程资料较缺乏.通过对该工程进/出水口进行数值模拟计算和物模试验,并对结构进行三维有限 元计算,最终获得水流条件和结构受力均较好的体型. 关键词:井式进/出水口;数值模拟;物模试验;体型;有限元计算 中图分类号:TW43文献标识码:B文章编号:1008.701X(2006)o6.0028.03 1工程概况 无锡马山抽水蓄能电站位于太湖之北的无锡市马山镇 境内,距无锡市中心约30hn.整个工程由上水库,输水系 统,地面厂房和下水库(下水库为太湖)等组成,电站装 机规模4×175MW.输水系统包括上水库进/出水口,引水 隧洞,引水岔管,压力钢管,下库进/出水口等. 上水库位于马迹山下家楼村后山冲源头,上水库南, 北,东三面环山,天然库盆条件较好.上水库由人工填筑 坝而成,整个库盆形成以库底土工膜和库岸混凝上面板相 结合的全封闭的水平防渗体系. 上库进/出水口靠近上水库主坝右坝肩,采用带顶盖的 井式进/出水口,不设拦污栅,只设检修闸门. 为使水流均匀进出流,进水口共分8孔,呈放射状布 置,每个分流墩厚3.0m,尾部收缩成尖角,分流墩外围各 布置3根防涡梁.进/出水口由底板,8个分流墩,顶盖, 闸门井平台等组成,顶盖厚4.0m.沿井周布置拦渣堰,堰 顶高程为111.5m,水流从四周进出,拦渣堰后为渐缩段, 收稿fit期:2006—08-05 作者简介:陈丽芬(1969一),女 主要从事水利水电工程设计. ? 28? 长20m,直径从14.0n渐变到9.6m,后接直径9.6m的竖 井.进出水口原体型如图1所示. 2数值模拟计算和物理模型试验 抽水蓄能电站运行是双向水流,同时库水位变化频繁, 变幅较大,进/出水口的作用水头及外界条件不断变化,使 上库水流变得十分复杂,有可能产生水库环流或形成漩涡, 特别是井式进/出水口在立面上的流速分布不均匀,易增加 水头损失,因此,上库进/出水口的水力设计应满足:?进 流时,水流由井孑L四周均匀进人管道,不产生漩涡,特别 是吸气漩涡;?出流时孑L口四周水流均匀扩散,出口处流 速分布均匀;?库内水流流态好,水面波动小;?各级水 位下进/出水口水头损失小. 为了使上水库进/出水口的水力设计满足上述要求,故 进行了数值模拟计算和1:40的水工模型试验. 参考国内外井式进/出水口的资料,拟定进/出水口的 体型如图1所示. 图1进/出水口原体型图 首先进行单只进/出水口模型试验,对原体型进行水头 损失系数的测定和流量分布的测量以及漩涡和环流分析, 高级工程师,大学本科,同时进行数值模拟计算.数模计算采用轴对称模型分析顶 盖,出口堰,渐变段及防涡梁对水流扩散的作用,忽略分 总第148期?浙江水利科技?2006年第6期 流墩的作用….通过抽水工况和发电工况模型试验和轴对 称模型的计算分析,发现原体型有如下特点:?抽水工况 下,竖井渐变段出现流动分离,顶盖部分为低流速区,无 回流:?死水位抽水工况下,出口的水流是斜向上辐射式 射流,防涡梁能够约束水流直接冲击到水面,起到稳定水 面的作用,出流时水流将撞击到中,外防涡梁上,引起水 流外翻;?抽水工况下,堰后部分区域将出现回流,回流 区的流速比较小,区域的大小约为实际孑L口高度的50%左 右;?发电工况下,顶盖区存在漩涡区,防涡梁下和闸门 口的流速分布比较均匀,死水位时流量基本从梁下进入; ?受堰的影响,底板部分的水流方向向上,与主流方向不 一 致,将增加水流阻力. 根据上述特点,为进一步减小进/出水口的水头损失, 改善流态,对进/出水口体型进行了优化调整.对无防涡梁 体型,防涡板体型,防涡梁平堰体型以及顶盖下锥体弯曲 半径由4m改为5rll体型,不同高差阶梯防涡梁体型,不同 闸门高度体型等2O余种体型进行了数值模拟,数值模拟为 模型试验初选8种较好的备选体型,根据:?进出水时的 水头损失系数;?进水时的涡流情况;?进出水时的水流 流态;?进出水时各孔口的流量分配比例等原则分别进行 物理模型试验,选择各项指标均较优的体型作为推荐体型 不同高差阶梯防涡梁体型低水位双机发电时:?进/出 水口8个孔口的流量分配在13.2%一11.8%之问,明进流 时水流流态较好;?进/出水121外缘流速沿垂向分布比较均 匀,流速波动范围不超过10%;?发电时偶尔出现微弱漩 涡,强度极小. 低水位双机抽水时:?防涡梁上方水面较原体型平静, 未发现明显的水流外翻现象;?进/出水口8个孔口的流量 分配在13.2%,11.9%之间,表明水流流态较好;?由于 拉平堰,反向流速区高度比原体型约减少10%. 通过物理模型试验验证不同高差阶梯防涡梁体型能适 应水流的运动特征并可减少水头损失2.5%一15%,故最终 推荐不同高差阶梯防涡梁体型,即取消拦碴堰改平堰,防涡 梁呈阶梯布置,各梁之间的高差为1.0rll.推荐体型见图2. I催桥 图2进/at水口模型试验推荐体型图 对推荐体型进行模型试验表明:?抽水工况下进/出水 口的平均水头损失系数为0.43,发电工况下进/出水口的平 均水头损失系数为0.38;?进出流时,8孔流速分布和流量 分配都较均匀,表明发电和抽水时水流流态总体较好;? 抽水时,进出水口底部存在反向流速区,但反向流速值不 大;?单只或两只进/出水口运行时,库盆地形及岸坡边界 对进出水流影响不大,对库底和岸坡基本无冲刷;?漩涡 模拟试验表明,单只或两只进/出水口运行时,上库水位从 正常蓄水位降至死水位的整个区问内,均不会产生有害的 吸气漩涡. 3三维有限元计算分析 进水口由混凝土基础(底板),分流墩,顶盖等组成, 结构模型较复杂,为了解在不同运行工况下,混凝土基础 (底板),分流墩,顶盖等结构应力分布状况,尤其是闸门 关闭时顶盖将承受30111左右的水压差,在抽水工况时将承 受洞内水流对其的顶托力,使得闸墩,底板基础等混凝土 结构的应力分布复杂,因此对进/出水口(推荐体型)在各 控制工况下进行结构三维有限元计算分析J. 采用ANSYS程序对单只进/出水口混凝土结构进行静力 线性有限元计算,包括进/出水口顶盖,8个闸墩,基础和 部分地基以及20m长的渐变段.建模时不考虑闸门和防涡 粱,其它结构及细部严格模拟. 各计算工况为:?上库正常蓄水位(EL150.5m),隧洞 放空检修工况;?上库死水位(EL115m).隧洞放空检修 工况;?上库死水位,最小扬程,最大流量的抽水工况; ?上库正常蓄水位,最大扬程,最小流量的抽水工况:? 上库正常蓄水位,额定流量,额定流速的发电运行工况; 同时考虑扬压力作用. 经各种工况计算,发现由于推荐体型顶盖厚5.5in,产 生的自重应力相当大,且整个体系除闸门槽处出现应力集 中,超过混凝土的抗压及抗拉强度,以及在工况?情况下 顶盖底面约0.6m的范围出现超过混凝土抗拉强度的拉应 力外,其余部位应力都较小.因此将原结构顶面的顶盖去 除了3m高度.只留下ln的环状检修道,整个体系的顶面 ? 29? 总第148期?浙江水利科技?2006年第6期 如杯状,其模型(称为一阶段模型)如图3. lm 图3一阶段模型图 对一阶段推荐体型的三维有限元分析计算表明,在各 种汁算工况下,推荐体型的受力情况比原体型得到了较大 的改善,大部分区域的应力水平均较低,均不超过t昆凝土 的抗压和抗拉强度.闸门槽附近区域的应力集中情况大大 降低,底板和墩柱连接处闸门槽削弱区域已元应力集中情 况.在工况?情况下墩柱和顶盖连接处闸门槽削弱区域只 发生了较小的拉应力集中,其拉应力为1.961MPa,比原体 型大为降低;在与顶盖底部相接的墩柱尖端有较大的压应 力集中区域,其最大压应力约为l5.26MPa.在此情况下配 筋很难改善压应力集中现象,因此进行了二阶段推荐体型 的计算.第二阶段的设计体型图如图4所示. 图4经有限元计算优化后进/出水口体型图 第二阶段的优化模型只进行控制工况?的计算.计算 表明,由于墩柱处向上延伸,其压应力集中情况有较大的 改善,压应力集中区域也大大缩小,压应力约为l3.2MPa, 出现在墩柱与顶盖交界的尖端很小的区域内.而在墩柱与 顶盖上部连接处尖端部分出现了拉应力集中区,最大拉应 力约为6.311MPa. 通过对进/出水口结构优化设计计算,最后推荐第二阶 段的优化模型. 4结语 目前国内井式进/出水口应用实例较少,马山抽水蓄能 电站上库井式进/出水口体型设计通过数值模拟分析与物理 模型试验相结合,不仅使数值分析结果与模型试验结果相 互验证,同时通过数值模拟分析优选优化体型,缩短模型 加工时间和试验时间,获得水力条件较好的体型;通过结 构三维有限元计算,进一步获得结构受力相对较优的体型. 参考文献: [1]毛根海,胡云进,章军军,等.无锡马山抽水蔷能电站上库进 /出水口水工模型试验及数值模拟研究报告[11].杭州:浙江 大学水利与海洋系水工结构与水环境研究所 [2]潘晓东,彭孔曙,王志萍,等.无锡马山抽水菁能电站上库进 /出水口结构三维有限元计算[R].杭州:浙江工业大学建工 学院 (责任编辑韩继静),h.,^ 国家项目办及世行代表团赴安吉考察浙江小水电世行贷款项目 在中国可再生能源规模化发展项目国家项目办及世行代表团与浙江省水利厅就浙江小水电世行贷款项目实施情况座谈 交流后,2006年11月7日代表团赴湖州市安吉县,对该县申请世界银行贷款的2个小水电站——老石坎水电站和王家庄水 电站进行考察.代表团实地踏勘了这2个水电站,并与业主单位老石坎水库管理局进行了座谈,详细了解了水电站的建设 过程,运行情况,环境保护及资金运用情况. 安吉老石坎水电站及王家庄水电站是浙江小水电世行贷款项目的2个改造子项目.经过世界银行评审同意,列入第一 批前溯子项目,提前开工建设.目前这2个子项目已经按照世界银行的程序和要求完成建设,经过试运行,运行情况良好. 考察团对浙江省小水电世行贷款项目的建设及管理情况表示满意.摘自浙江水利网 ? 30?