压力升高、机组转数上升等同调节元件关闭规律的关系，进而 改善关闭规律，以保证压力上升与转速上升均在合理的范围之 内。有时，由于电站的基本条件所限（例如具有很长的引水系 统），改善关闭规律无法使水压上升值降到合理的范围内，因 此不得不在引水系统中增设调压井或调压阀。是否需要和需要 增设何种调压设施，也应由过渡过程的计算结果来确定。因 此，在水电站和水轮机组设计阶段就应当就各种方案的水轮机 装置甩负荷过渡过程进行详尽的计算，以确定相应的机组转速 上升值、压力引水管道与蜗壳中水压上升值及调节元件动作规 律等的若干组计算结果。从技术经济的角度出发，从中选取一 组方案，作为确定水轮机装置总体方案的重要依据之一目。显 然，水轮机装置甩负荷过渡过程的品质，对整个水电站的总体 布局与造价有着重要的影响。 ３水力机械装置过渡过程研究的现状和研究 方法 在水轮机过渡过程中，常发生水锤引起的系统压力瞬时 升，直接危及系统的安全。因此，水锤是过渡过程的主要研究 对象，也是最早引起人们重视的现象之一。早在１８９８年，俄 国著名科学家儒可夫斯基首次提出了水管中水锤理论和末端阀 水锤计算的基本方程式。 ２１世纪初，随着大型水电站的建设，要求解决引水管道 和机组运行安全性与减少土建投资的一系列问题。于是，关于 水轮机及其装置系统过渡过程的研究，逐渐发展起来。此间最 有意义的研究成果是意大利学者阿列维有关水锤理论与计算方 法的一系列论著，它奠定了现代水锤分析理论的基础。 随着现代水轮机单机容量和功能的不断扩大，水轮机装置 过渡过程的问题愈来愈多，从而吸引了国际上大批科技人员从 事水轮机过渡过程领域的科学研究与实践活动。每一个水轮机 的设计，必含有过渡过程的计算，以确定工程所必需的基本结 构参数。通常，对于大型工程，它的可行性和总体布局的合理 性，必须按其过渡过程品质的好坏考核。因此，１９４０年以来， 相继出现了一系列水锤和系统压力的计算方法 水轮机装置过渡过程正、反命题的计算，大体上有４种方 法，即解析计算法、图解分析法、电子计算机数值解法和模拟 计算机解法等。 解析计算法是一种近似计算方法。这种方法是在分析过渡 过程中水轮机装置主要相关因素内在关系的基础上，求出主要 动态工况参数随时间变化的解析表达式。由于影响这些动态工 况参数的因素较多，往往为非线性因素，欲求解析表达式，就 必须将其中一个或几个非线性因素线性化，这就不可避免地给 计算结果带来较大的误差。这种方法的主要优点是：计算简 便，影响工况参数瞬变规律的诸因素相互关系清晰、明了，给 分析计算水轮机装置过渡过程带来许多方便。 工况参数瞬变规律的解析表达式是否具有较高的计算准 确度，这与表达式推导时理论分析是否正确、线性化对象的 选择是否得当、给定的相关因素变化规律是否附合实际等有 关。只要在这３个方面处理得好，就可以提高解析法计算结 果的准确性［３１。 图解分析法是一种出现较早的方法。根据给定的数学表达 式，针对单一待求参数，例如管道中水击压力的瞬变规律，在 给定边界条件和初始条件下，通过作图法予以确定。这种方法 由于采用手工方式作图，因此非常繁琐，已很少采用。在国 外，把这种人工图解法改由电子计算机代行图解的方法，收到 了良好的效果。 模拟计算机解法是近３０年来发展起来的一种新方法。模 拟计算机中的电路和所有元器件，可以给出各种不同的输入与 输出电压之间的关系。过渡过程中的诸工况参数，例如流量、 转速、轴端力矩等值均经过相应的比例尺，转换为模拟机上的 电压值。由于模拟机仅实现数学模拟，因此只有当描述过渡过 程的微分方程组正确时，模拟的过渡过程才与实际情况相符。 实际应用模拟机解算水轮机装置过渡过程问题时，要将其 分为机组、压力引水管道、调速器等环节分别进行研究。 水电站压力管道系统中通常包括以下４个方面。 （１）水轮机上游压力管道、压力隧洞，下游尾水隧洞或明 渠，通常还建有调压室。 （２）水轮机、发电机及其机械和电气设备。 （３）调速器及其机械和电气控制系统（如图１所示）。 图１水电站管道系统布置示意图 图１管道系统上游通常和水库、湖泊等连接，从中取水， 下游和尾水河道相连。水电站在运行过程中，由于电网负荷的 变化，调速器和水轮机导叶经常处在开、关变化中。在发电机 组启动或停机时，管道上的阀门也需要开启或关闭。这就使管 道系统水流流速和流量，水轮机 ．的转速、转动力矩和功率， 导叶开度，以及调压室水位等因阀门或调速器的开、关而发生 变化。开始时，管道系统水流、机械设备和电气设备都处在恒 定状态，由于负荷变化，阀门或调速器的动作进入了非恒定状 态，这时管道系统水流、机械和电气设备均随时间而变化。引 起管道系统流速变化和压力变化，这种随时间而变化的水压力 就是水锤压力，管道系统上的调压室水位也随着波动。水流波 动一直会影响到上游引水隧洞直至上游水库；下游会影响到尾 水管、尾水隧洞或明渠直至下游尾水河道。当负荷变化稳定以 后，由于管道系统摩擦阻力的作用，水流和机电设备又逐渐恢 （下转第１２０页） １ １ ７ 表４双层土渗透变形判别表 土层 ＤｌＯ／ｄ１０ 渗透变形形式 大，土体软化，抗剪强度降低，存在抗滑稳定问题。建议对堤 基桩号０＋０００—０＋２５０段和桩号１＋４５５～２＋４４５段采取相应的 防渗处理措施，例如截水槽、铺盖和排水减压沟等，或与坡 式、墙式、桩式等护岸措施相结合。 堤岸岸坡均为土质岸坡，天然状态下大部分岸坡基本稳 粉土③ 与粗砂④ 粉土⑨ 与砾砂④ 粉土③ 与细砂④ ８０ ５５ １４．５ 接触冲刷 接触冲刷 接触冲刷 定，仅在局部岸坡较陡地段或冲沟部位有小方量的崩塌现象， 由于岸坡土体主要由可塑 软塑状黏性土或稍密～松散砂卵石 组成，抗剪强度较低，抗冲刷能力较差，容易被冲刷、潜蚀及 掏空，以至于产生边坡失稳问题。因此，应对岸坡采取防护措 危害较大，安全系数取２或２．５；管涌比降是土粒在孑Ｌ隙中开 始移动并被带走时的水力比降，一般来说，土体在此水力比降 下还有一定的承受能量，因此取安全系数１．５。根据各土体特 征，推荐砂土的允许水力比降见表５。 表５各土层允许水力比降 渗透变 比重 孔隙率 颗粒粒径 临界水力比降 安全 允许水 土层 形形式 （Ｇｓ） （ｎ） （ｄｉｄ２０） （Ｊ。ｒ） 力比降 系数 （Ｊ盯） 施，例如抗滑桩、抗滑挡墙等合适的护岸基础形式。 ４结语 本堤防区主要为一级阶地，地形开阔；河道岸坡较缓，局 部岸坡后缘较陡，有少量崩塌现象，无其他不良地质现象，场 地稳定性较好。场地第四系冲积土层有多层土体，其强度不 一粉土③ 流土 ２．６７ ０．３７１ （Ｇｓ—１） （１一ｎ） ２．５ Ｏ．４０ 细砂④ 粗砂④ 砾砂④ 流土 ２．５８ ０．４５０ 管涌 ２．５５ ０．３８３ ０．１／ｏ．３ ２．２（Ｇｓ一１）（１ ｎ） ２．５ Ｏ．３５ １．５ Ｏ．２８ 【ｄｄｄ １．５ Ｏ．１５ ，厚度分布不均匀。粉土和砂卵石层存在管涌、流土等破坏 形式的渗透变形、抗滑稳定和渗漏稳定问题，应根据建筑物特 点采取相应防渗处理措施。 管涌 ２５１ ０．３５５ ０．Ｏ８／Ｏ．５ ．堤基各土层厚度分布不均匀，强度不一，作为建筑堤基， 视其上部荷载大小可能存在不同程度的不均匀沉降变形。粉土 参考文献 ［１］ＳＬ １８８－２００５，堤防工程地质勘察规程［ｓ］． ③：土体呈稍密状态，属中等透水层，可能发生流土渗透破坏 方式；砂卵石④土体呈稍密状态，属强透水层，可能发生管涌 渗透破坏方式。在地表水和地下水作用下，堤基土层含水量增 （上接第１１７页） ［２］ＧＢ ５００２１－－２００１，岩土工程勘察规范［ｓ］． ［３］ＧＢ ５０２８７－－－９９，水利水电工程地质勘察规范［ｓ］． ［责任编辑：韦青松］ 复到新的恒定状态。这个过程通常叫做水电站水力过渡过程。 在水力过渡过程中，不仅水流是处在非恒定流状态，有关管道 系统上机械、电气设备，例如水轮机、发电机、调速器、导 我们研究水电站过渡过程的目的，是为了探明过渡过程本 质；确定水电站管道系统中水锤最大和最小压力；确定调压室 内最高和最低水位；机组转速的最大升高及其他重要参数。以 便选择有效措施改善水电站的水力过渡过程。很明显，这些参 数的确定和有效措施的采用，对于水电站的设计、建设及运行 管理具有十分重要的意义。 叶、阀门及其控制设备都处在变化过程中，即非恒定状态。因 此，水电站过渡过程是水、机、电一体化的过渡过程，这种现 象相当复杂。数值模拟这种非恒定状态需要综合模拟水流、机 械和电气的相互作用，尤其是水流和机械系统的相互作用。因 此，我们要研究管道系统水力过渡流的数值模拟；水轮机和调 速器的数值模拟；模拟调压室的过渡流，即调压室内水位波动 情况等。 水电站在运行过程中，出现过渡过程引起压力增高或降低 是常见现象，例如开机、停机、增荷、减荷、调相、输电线路 突然短路引起非正常甩负荷、抽水蓄能电站中发电与抽水之间 的转换都会造成过渡流状态。 参考文献 ［１］［加］Ｍ Ｈ乔德里．实用水力过渡过程［Ｍ］．陈加远，孙诗杰，张 治滨，译．成都：ＩＺ￣）ｌ１省水力工程发电学会，１９８５． ［２］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。１９９２． ［３］ＤＬ／Ｔ ５０５８－－１９９６，水电站调压室设计规范［ｓ］． ［责任编辑：韦青松］ １ ２０
