第１２卷第３期 ２ ０ １ ４年６月 水利与建筑工程学报 Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖ０１．１２ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．．２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—１１４４。２０１４．０３．０４３ 露天上室式调压井在引水式电站中的设计研究 洪振国，王鹏 （云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明６５００２１） 摘要：对于中低水头长距离引水隧洞的电站，当调压井附近没有可利用的地质探洞、交通洞等加以改 造作为调压井的上室时，采用洞室型式上室工程量大，不宜选用常规上室为洞室式的调压井。在上室达 不到成洞条件，调压井处地形平缓，地质较好时，可采用露天上室式调压井。因露天上室式调压井具有 水位继续上升，弃水储存功能，运行水锤压力小，运行安全，施工安全、滑模施工方便的优点，是调压 井优先选用的型式。通过简单圆筒式、阻抗孔式、露天上室式三种型式的调压井比选，结果表明：在调压 井高度较小，工程量较少，投资量较少，选用露天上室式更合理。 关键词：水电站；调压井；露天上室式 中图分类号：Ｔｖ７３２ ．５１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１ｌ４４（２０１４）ｏ３一Ｏ１９４—０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｏｐｅｎ－ａｉｒ Ｕｐｐｅｒ—ｃｈａｍｂｅｒ－ｔｙｐｅ Ｓｕｒｇｅ Ｓｈａｆｔ ｉｎ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ・ｔｙｐｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ＨＯＮＧ Ｚｈｅｎ—ｇｕｏ，ＷＡＮＧ Ｐｅｎｇ （Ｙｕｎｎａｎ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｓｎｔａｕｔｅ ｏｆＷａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ，Ｋｕｎｍｉｎｇ，Ｙｕｒｍａｎ ６５００２１，Ｃｈ／ｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｍｅｄｉｕｍ—ｌｏｗ ｗａｔｅｒ ｈｅａｄ ａｎｄ ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｎｏ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｈｏｌｅ ｔｏ ｂｅ ｒｅｆｏｒｍｅｄ ｉｌｅａｌ＂ｔｈｅ ｓｕｒｇｅ ｓｈａｆｔ．ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｉｓ ｌａｒｇｅ ｗｈｅｎ ｕｓｉｎｇ ｃａｖｅｒｎ－ｔｙｐｅｄ ｕｐｐｅｒ－ｃｈａｍｂｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｒｇｅ ｓｈａｆｔ．ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｎｏｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｕｐｐｅｒ— ｃｈａｍｂｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｃａｖｅｍ—ｔｙｐｅｄ ｓｕｒｇｅ ｓｈａｆｔ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ－ｃｈａｍｂｅｒ ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｒｅａｃｈ ｔｈｅ ｈｏｌｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｇｅ ｓｈａｆｔ ｉｓ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｇｅｎｔｌｅ ｔｏｐｏｇｒｏｐｈｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｇｅｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｏｐｅｎ—ａｉｒ ｕｐｐｅｒ－ｃｈａｍｂｅｒ—ｔｙｐｅｄ ｓｕｒｇｅ ｓｈａｆｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｅｎ—ａｉｒ ｕｐｐｅｒ－ｃｈａｍｂｅｒ－ｔｙｐｅｄ ｓｕｒｇｅ ｓｈａｆｔ ｈａｓ ｓｕｃｈ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｌｉｍｉｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｒｉｓｅ，ｓｔｏｒｉｎｇ ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ．Ｍｓｏ，ｉｔ ｎｅｅｄｓ ｓｍａｌｌ ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｏ ｏｐｅｒａｔｅ ｓａｆｅｌｙ ａｎｄ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｓａｆｅｌｙ．Ｆｕｒｔｈｅｎｎｏｒｅ ｉｔ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｓｌｉｐ—ｆｏｒｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒ ｉｔ ｉｓ ａ ｐｒｉｏｒ－ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｇｅ ｓｈａｆｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｎｄ ｓｅｌｅｃｔａｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｇｅ—ｓｈａｆｔ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｔｙｐｅ，ｉｍｐｅｄｅｄ－ｈｏｌｅ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｏｐｅｎ—ａｉｒ ｕｐｐｅｒ— ｃｈａｍｂｅｒ ｔｙｐｅ，ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｅｎ—ａｉｒ ｕｐｐｅｒ－ｃｈａｍｂｅｒ—ｔｙｐｅｄ ｓｕｒｇｅ ｓｈａｆｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｈｅｉｇｈｔ，ｌｅｓｓ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｌｅｓｓ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｅｘｐｅｎｓｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ；ｓｕｒｇｅ ｓｈａｆｔ；ｏｐｅｎ－ａｉｒ ｕｐｐｅｒ－ｃｈａｍｂｅｒ ｔｙｐｅ 引水式水电站中的调压井是由调压井自由水面 反射水击波，水击波进入压力引水道，以满足机 组调节保证的技术要求，改善机组在负荷变化时的 式调压井由露天上室、井筒、快速事故闸门及其启闭 室组成，其中露天上室由明渠、露天水池组成，结合 运行条件及供电质量，改善压力输水道的压力状 态［ 。在水电站工程调压井设计时，对于长距离引 水隧洞及低中水头的水电站，调压井处地形平缓，地 质较好时，可以采用露天上室式调压井。露天上室 收稿日期：２０１３．１１ １０ 修稿日期：２０１３．１２—２７ 了简单圆筒式和常规上室为洞室式的调压井的优 点，调压井结构简单，运行水锤压力小，运行安全，施 工安全、滑模施工方便，反射水锤波效果最好。当丢 弃负荷时，调压井的水位迅速上升，水位上升至露天 上室后，上室供丢弃负荷时储水之用＿２ｊ，同时有效地 作者简介：洪振国（１９７６一），男（白族），云南洱源人，高级工程师，主要从事水工建筑物设计和研究工作。 第３期 洪振国，等：露天上室式调压井在引水式电站中的设计研究 最高水位，缩小了水面波动的幅度 Ｊ，使调压井 高度降低，有工程量减少，投资量小的优点，因此，有 必要进行露天上室式调压井结构研究Ｌ４ 。 以油房沟电站的露天上室式调压布置及结构设 计为例，通过简单圆筒式、阻抗式、露天上室式三种 型式的调压井比选研究，进行调压井水力学计算，选 定露天上室式调压井方案是合理的。 １工程概况 油房沟电站为引水式电站， 昆凝土拦河闸坝坝 高２３．２ ｎｌ，总库容４０万ｍ３，电站装机容量６ ＭｋＷ， 额定水头１６２ ｍ，引水流量４４ ｍ３／ｓ。工程规模为中 型，拦河闸坝、取水口、引水隧洞、调压井、压力钢管 道、厂房及升压站等永久性主要建筑物按３级设计， 次要建筑物按４级设计，临时性的建筑物按５级设 计。 油房沟电站为引水式电站，油房沟电站由拦河 闸坝、取水口、电引水隧洞、调压井、压力管道、厂房、 开关站组成。 拦河闸坝为混凝土闸坝，坝顶轴线长７８ ｍ，坝 高２３．２ ｍ主要由泄洪、冲沙及溢流堰等建筑物组 成。 取水口布置于大坝上游左岸，采用侧向取水，结 构为塔式进水口，由拦沙墙、冲沙道、拦污栅及闸室 等建筑物组成，冲沙道与大坝泄洪冲沙底孔相连，取 水塔闸室经渐变段与有压引水隧洞相接。 引水隧洞前段３２００ ｍ布置于左岸，经跨河桥进 入右岸，隧洞总长９ ９５１ ｍ，为有压圆形隧洞，隧洞出 口接调压井，全线设有７个转弯。 调压井为带上室的简单圆筒式，井筒高约６３ １３＂１，上室为露天水池，井筒内设有快速事故闸门。调 压井通过渐变段与压力管道联接。 压力管道上接调压井，下连电站厂房主阀，全线 地下埋管布置，包括二段平管、一段斜管，主管总长 ４２５ ｍ，采用一管双机的供水方式。 厂区位于洒渔河与油房沟交汇处的右岸河滩 上，距大坝约１０ ｋｒｎ（直线距离）。包括主厂房、副厂 房及开关站，为引水式地面厂房，机组安装高程 ７１２．９５ ｍ。水电站枢纽布置简图见图１。 Ｑ１ 图ｌ水电站枢纽布置简图 ２调压井布置 调压井位置宜靠近厂房，并结合地形、地质、压 力水道布置等因素进行技术经济分析比较后确 定…１。结合本工程选址及厂区枢纽总布置，调压室 位置只能选择位于渔堡东侧平缓岸坡中，山坡高程 ９１５ ｉｎ～９５０ ｍ。地形为三角形缓坡，总体地形坡度 ｌ５ｏ，无大的不良物理地质现象，整个岸坡为一浅层 崩坡积体，厚度６．５ ｍ，下伏基岩灰岩。由于调压井 上室达不到成洞条件，调压井处地形平缓，地质较好 时，采用露天上室式调压井，露天上室式调压井具有 水位继续上升，弃水储存功能 Ｊ，运行水锤压力 小，运行安全，施工安全、滑模施工方便的优点，所以 油房沟水电站调压井选用露天上室式调压井。 ３调压井结构设计 油房沟电站的调压井采用露天上室式，由井筒、 露天上室、快速事故闸门室及其启闭室组成，其中露 天上室由明渠、露天水池组成，各部分结构均采用钢 筋混凝土结构。 调压井上游接引水隧洞，调压井底板高程为隧 洞出口底板高程，调压井底板高程８５９．Ｏ０ ｍ，井顶高 程９２１．７０ ｍ，井筒高６２．７ ｍ。井筒为半圆形断面， 净半径ｒ＝３．８ ｍ，井壁衬砌厚０．６ ｍ １ ｍ。下游跟 快速事故闸门井连成一体，快速事故闸门井也是半 圆形断面，上游井筒与事故闸门井组成一个完整封 闭的圆形断面－５ Ｊ。闸门采用下游止水，闸门尺寸为 ３．２ ｍ×３．２ ｍ，闸门后面设两根直径１ １１１的圆形通 气孔，调压井后通过渐变段与内径为３．２ ｍ的高压 管道相连。在井筒顶部设启闭机室，启闭机平台高 程９３０．７０ ｎｌ。 上室为矩形露天水池，尺寸（长×宽ｘ高）为３５ ｍ×５８ ｍ×５ ｍ，通过一条（长Ｘ宽×高）２２．３ ｍ Ｘ ８．４ ｍ×５ ｎｌ的明渠与调压井井筒相连，池底板高程 ９２１．７０ １ＴＩ，以１％底坡降至井筒。 ４调压井水力学计算 油房沟电站为引水隧洞洞线较长、中低水头的 电站，下面根据《水电站调压室设计规范》［１＿及《水工 设计手册７｝Ｅ２］（水电站建筑物）对露天上室式调压 进行水力学计算。 ４．１设置调压井的必要性计算 根据设置调压井的条件公式＿１ｊ： ＞［ ，］ １９６ 水利与建筑工程学报 第１２卷 ： （１） 式中： 为压力水道水流惯性时间常数（ｓ）；Ｖ 为各 管段内相应的平均流速（ｍ／ｓ）；Ｌ 为上游压力水道、 尾水管、尾水管延伸及蜗壳段各段的长度（ｍ）；ｇ为 重力加速度（ｍ／ｓ２）； 为设计水头（ｍ）；［ ］为 的允许值，一般取２ Ｓ～４ Ｓ。［ ］的取值与电站水头 有关，对于低水头水电站可取大值；对于高水头水电 站宜用小值…１。 由于油房沟电站引水隧洞总长９ ９５１ ｌ＇ｎ，洞径为 ４．５３１ ｍ，满负荷运行时引水流量４４ ｍ３／ｓ，最小净水 头２０１．０５ ｉｎ，压力管道长４５６ ｒｎ，管径３．２ ｍ，经过水 力学计算，水流惯性时间 值（ＥＬ；ｖ ／ｇｎ，）为７．４ ｓ ＞３．５ Ｓ，特性计算值大，为了水击波进人压力 引水道，减少高压管道中的水击压力，水击波进 入压力引水隧洞，以满足机组调节保证的技术要求， 改善机组在负荷变化时的运行条件及供电质量＿ｌ Ｊ， 因此在高压管道与引水隧洞末端连接处应设置调压 井。 ４．２调压井稳定断面计算 在水电站运行负荷变化时，为了满足调压井水 位波动的稳定性，根据《水电站调压室设计规范》… 计算调压室的稳定断面： Ｆ：ＫＦ ： ————了— ———一（２） ２ｇ（ｄ＋ ）（Ｈｏ—ｈ ０—３ 一） 式中：Ｆ 为托马临界稳定断面面积（ｍ２）；．厂为压力 引水段断面面积（ｍ２）；Ｌ为压力引水段（自水库到调 压室）长度（ｍ）；Ｈｏ为发电最小毛水头（ｍ）；ａ为水 库至调压室水头损失系数，ａ＝ｈｗｏ／Ｖ （包括局部水 头损失与沿程水头损失）（ｓＺ／ｍ），在无连接管时用ａ 代替（ ＋Ｉ／２ｇ）；Ｈ 为发电最小静水头（ｍ）； 为压 力引水段平均流速（ｍ／ｓ）； 一为压力管道水头损失 （ｍ）；ｈ加为压力引水段水头损失（ｍ）；Ｋ为系数，一 般可采１．０～１．１，选用Ｋ＜１．０时应有可靠的论 证［１ｌ。 由于油房沟电站引水隧洞总长９ ９５１ ｒｎ，洞径为 ４．５３１ １ＴＩ，压力隧洞最大水头损失３８．０８７ ｍ，隧洞最 小水头损失１８．１５８ ｎｌ，压力管道水头损失６ ｍ，根据 上式调压井托马临界稳定断面计算面积得１５．４ ｍ２， 为了水位波动高度，实际调压井断面面积取 ３３．７１ ｍ２，这也从另一个侧面说明了油房沟水电站 采用露天上室式调压井是合理的。 ４．３调压室最低涌波水位计算 最低涌波水位计算时，取水库最低发电水位，电 站机组由 一１台增至１２台，或由２／３负荷突增至 全负荷［１ｌ。 露天上室式调压井增加负荷时，根据《水工设计 手册７＞／ｚｊ最低涌波计算为： ：１＋（ ＋ 一０．９）（１一 ｔｔ，０ ￡ ｍ）（１一 ／ｒ＇Ｌ） （３） 式中：ｅ ｔ ｒ ｊ，ｖ５２，ｅ为无因次系数，表示压力引水 道一调压井系统的特性；ｚ 为调压井最低下降水 位（ｍ）；ｍ： ，Ｑｏ为增加负荷后引水段中的流量 Ｖ０ （ｍ３／ｓ）；Ｑ为增加负荷前引水段中的流量（ｍ３／ｓ）［ 。 对于露天上室式调压井，需要复核丢弃全负荷 第二振幅计算，丢弃负荷时后半幅的最大水位下降 值。２可由式（４）计算ｌ２ Ｊ： ＋Ｉｎ（１一 ）＝Ｉｎ（１～ ２）＋ ２ （４） 由于水库发电死水位９１４．００ ｍ，发电引水隧洞 总长９ ９５１ ｍ，最大引水流量４４ ｍ３／ｓ，隧｝同断面积为 １６．１２ ｍ２，隧洞流速２．７２９ ｍ／ｓ，压力隧洞最大水头 损失３８．０８７ ｍ，隧洞最小水头损失１８．１５８ １ＴＩ，调压井 断面面积３３．７ｌ ｍ２经最低涌波水位的公式计算，一 台机组满负荷运行，第二台机组从空转突增到满负 荷时，最低涌波４６．７５３ ｍ，当全部机组瞬时丢弃全负 荷时，根据计算，第二振幅为２７．８６１，最低涌波水位 ８６７．２５ １１＇１，则调压室最低涌波水位与调压井处压力 引水段顶部之间的安全高度满足了《水电站调压室 设计规范》应不小于２ Ｉｌｌ～３ １１１的要求。 ４．４调压井最高涌波水位及上室容积公式 露天上室式调压井丢弃全负荷时的最高涌波及 上室容积由式（５）计算Ｅ２］： ５：￣ｍ＝－－Ｘ！ ｌ＋ 。ｃ （５） １一 ｌ １一ｅ ｅ ｌ Ｚｃ ＝盟２ｇＦｓｈ￣ｏ ＝ ；Ｚｃ为自 上游库水位至上室底面的距离（ｍ）；Ｆｓ为竖井的断 面面积（ｍ２）；Ｆｃ为上室断面面积（ｍ２）； 为正常运 行流速（ｍ／ｓ）。 如果上室底部与上游最高静水位在同一高程， 或不计竖井面积时，可按式（６）近似地计算上室的 容积 ： 第３期 洪振国，等：露天上室式调压井在引水式电站中的设计研究 ： １ｎ（１一ａｗ＿＿ｏｏ） （６） ｇｒｈｏｏ ｚ 由于上室底部与水库校核洪水位在同一高程为 ９２１．７０ ｍ，明渠断面积为３６ ｒｎ２，二台机组同甩满负 荷时，根据上述调压井上室公式计算，调压井最高水 位波动幅值４．２ ｍ，最高涌浪水位为９２５．９ ｍ。上室 容积按丢弃负荷时的涌水量确定，上室容积为５ ６２４ ｍ３，调压井安全超高满足了《水电站调压室设计规 范》最高涌波水位以上不宜小于１．０ ｍ的要求，因此 调压井设计高度是合适的。 ５调压井方案比选 差动式调压室施工难度大，结构较复杂，对于长 距离引水隧洞较大流量、低中水头的水电站，一般不 选取差动式调压井。油房沟电站调压井附近没有冲 沟，泄水无法解决，不宜选取溢流式调压井 Ｊ。根据 调压井的水力特征、结构布置、地形地质条件及方便 施工，对带闸门三种调压井型式分别进行了水力计 算，三种调压井型式分别为简单圆筒式、阻抗式、露 天上室式，三种调压井型式调压井具体特性见表１。 表１调压井特性表 由表１可知：简单圆筒式调压井水位波动范围 ８６７．２５／＇ｌｑ～９７０．４６ ｍ、水位差１０３．２１ ｌｑｑ，阻抗式调压 井水位波动范围８７４．１４ ｒｎ～９４４．９０ ｍ、水位差７０．７６ ｍ；露天上室式调压井水位波动范围８６７．２５ ｍ～ ９２６．９０ ｍ、水位差５９．６５ ｍ，三种调压井开挖洞径相 同，露天上室式调压井比简单圆筒式调压井理论计 算高度低了４３．５６ ｍ，露天上室式调压井比阻抗式 调压井理论计算高度低了１１．１１ ｍ。 根据调压井结构布置，调压井处地面高程为 ９２３ ｍ，简单圆筒式调压井井顶比地面高４８．４６ ｍ，阻 抗式调压井井顶比地面高２２．９ ｍ。露天上室式调 压井井顶比地面仅高３．９ １７１。在三种型式中，简单 圆筒式及阻抗式调压井井顶距地面较高，到调压井 闸门的检修平台交通不易解决，为了保证调压井及 下游厂房运行安全，需对调压井结构加强处理，所需 的工程量大，所以选用露天上室式调压井是合理的。 油房沟电站调压井，如果采用带阻抗孔露天上 室式调压井，闸门井兼作阻抗孔，由于闸门井断面面 积８．９６ ｍ２，引水隧洞断面面积ｌ６．１２ ｍ２，闸门井面 积（阻抗孔面积）为压力引水隧洞面积的５６％，不满 足《水电站调压室设计规范》阻抗孑Ｌ面积为压力引水 道断面的２５％～４５％的要求，不宜采用带阻抗孔露 天上室式调压井 Ｊ。 从地形地质条件上看，调压井处地形平缓，坡度 仅１２。，第四系覆盖层浅，厚仅６．５ ｍ，上室布置具备 较好的地形地质条件；从井筒高度上看，上室的设置 可有效的减小井筒高度，调压室内水面振荡的 幅度，井筒高度是三种型式中最低的；从工程量上 看，设上室的简单圆筒式调压井，上室工程量增加不 大；从运行上看，圆筒式的调节作用较阻抗式好，水 锤压力较阻抗式小；从施工上看，圆筒式井壁衬砌有 利于滑模施工，施工方便，因此调压井型式选用露天 上室式是合理的。 ６结语 在水电站工程的调压井设计时，当调压井处地 形平缓，覆盖层浅，选取露天上室式调压井，调 压井内水面振荡的幅度，可有效的减小井筒高度，在 同等条件下露天上室式比阻抗孔式及简单圆筒式调 压井高度小，同时工程投资较少，运行安全，施工安 全、滑模施工方便的优点，优先选用露天上室式调压 井。对于长距离引水隧洞、中低水头电站，对调压井 结构布置设计时，根据地形、地质、压力水道布置等 因素进行技术经济比较后确定。选取调压井结构布 置合理，施工条件较好，结构尽量简单、工期较短、工 程投资少、方便管理及运行安全的调压井型式。 参考文献： ［１］中华人民共和国电力工业部．ＤＬ／Ｔ５０５８—１９９６．水电站 调压室设计规范［ｓ］．北京：中国电力出版社，１９９７． ［２］华东水利学院．水工设计手册（第七卷）——水电站建 筑物［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８９． ［３］潘家铮．水工隧洞和调压室（调压室部分）［Ｍ］．北京： 水利电力出版社，１９８５． ［４］洪振国．水电站调压井形式比选研究［Ｊ］．中国农村水 利水电，２０１３，（４）：１１３．１１５，１１７． ［５］洪振国．六郎洞电站溢流式调压井型式比选研究［Ｊ］． 第１２卷第３期 ２ ０ １ ４年６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ 水利与建筑工程学报 Ｖｏ１．１２ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．，２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—１１４４．２０１４．０３．０４４ 大型双吸离心泵流场数值模拟及汽蚀修复 徐存东 ，南瑞芳 ，魏怀东２ （１．华北水利水电大学水利学院，河南郑州４５００１１；２．甘肃省治沙研究所，甘肃武威７３３０００） 摘要：针对高扬程大流量双吸离心泵汽蚀及磨损联合作用的破坏，对其进行数值模拟。采用雷诺时 均Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程进行模拟并通过压力耦合方程组的半隐式方法（ＳＩＭＰＬＥＣ方法）进行求解。根据 ＦＬＵＥＮＴ软件模拟得出叶片流速分布和压力分布图，分析汽蚀与泥沙磨损的发生原因和位置并提出修复 技术。结果表明：利用计算流体动力学（ｃｖｏ）进行三维紊流数值模拟可以得到精确的流场，以及采用镍 基合金特种金属粉末喷焊技术可延长水泵的使用寿命。 关键词：大型双吸离心泵；汽蚀；数值模拟；修复技术 中图分类号：ＴＨ３１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２一ｌ１４４（２０１４）ｏ３—０１９ －ｏ５ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ ａｎｄ Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ Ｒｅｐａｉｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ｄｏｕｂｌｅ－ｓｕｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｐｕｍｐ ＸＵ Ｃｕｎ—ｄｏｎｇ ，ＮＡＮ Ｒｕｉ．ｆａｎｇ ，ＷＥＩ Ｈｕａｉ—ｄｏ （１．Ⅳ０ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，Ｈｅ’ｎ０ｎ ４５００１１，Ｃｈｉａ；ｎ ２．Ｇａｌ￣ｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｓｅｄｉｍｅｎｔ—ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｗｅｉ，Ｃ，ａｎｓｕ ７３３０００，Ｃｈ／ｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ａｌｌｕｓｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓａｎｄ ａｂｒａｓｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｄｏｕｂｌｅ— ｓｕｃｔｉｏｎ ｃｅｎｔｉｒｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｗａｓ ｃａｒｒｉｄ ｅｏｕｔ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｉｍｅ－ａｖｅｒａｇｅｄ Ｎ—Ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ，ａｎｄ ａ ＳＩＭＰＬＥ—ｂａｓｅｄ ｓｅｍｉ—ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍａｐｓ ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｈｅ ｆｕｌｌ・ｔ－ｐａｓｓａｇｅ ｆｌｏｗ ｌｉｎｅ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｃａｕｓｅ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓａｎｄ ａｂｒａｓｉｏｎ ｂｙ ＦＬＵＥＮＴ ｓｏｆｔ・－ ｗａｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｒｅｐａｉｉｒｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ，ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｒａｙ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｈ ｔｔｈｅ ｓｐｅｃｉｌａ ｍｅｔａｌ ｐｏｗｄｅｒ ｏｆ ｎｉｃｋｅｌ ａｌｌｏｙ ｃｏｕｌｄ ｅｘｔｅｎｄ ｔｈｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｐｕｍｐ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ ｄｏｕｂｌｅ－ｓｕｃｔｉｏｎ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐ；ｃａ￣ｔａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒｅｐａｉｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ 液体在泵内低压区时会产生汽泡，这些汽泡随 非常必要的＿１ Ｊ。 水流到高压区时又迅速溃灭，由此产生一系列复杂 的物理、化学现象，造成水泵水力性能的恶化和对过 近年来，大量ＣＦＤ软件的开发促进了国内外水 力机械内部流动和汽蚀问题数值研究的发展［ ］。 例如，程云章等人应用ＦＬＵＥＮＴ软件对双吸离心泵 内的流场进行了三维湍流的数值模拟，并证明通过 流部件表面的剥蚀以及振动、噪音等危害，将其称为 水泵的汽蚀。如果液体中同时有固体颗粒受汽蚀带 动冲击金属表面，这种既有液滴的冲击又有沙粒的 ＣＦＤ计算的分析结果可以较准确地显示出双吸离心 泵体内流道的流动特性和规律，对双吸离心泵的水 力设计、改型优化等具有重要的指导意义Ｌ６。付强 ６＿利用ＣＦＤ技术对低比转速叶轮形状对汽蚀性能的 冲击是汽蚀与泥沙磨损的联合作用。它们相互促 进，互为因果，加剧了破坏进程。因此，对水力机械 的汽蚀性能进行研究在水力机械的设计和使用中是 收稿日期：２ｏ１３．１２－０１ 修稿日期：２０１４—０１．１５ 基金项目：国家自然科学基金（５１２７９０６４；３１３６０２０４）；华北水利水电大学高层次人才科研启动计划（２０１０６９） 作者简介：徐存东（１９７２一），男，甘肃景泰人，教授，博士，主要从事水工结构优化设计及耐久性的教学及科研工作。
