某電站泄洪沖沙洞數(shù)值模擬分析

蔣 敏 屈玉竹

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

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某電站泄洪沖沙洞數(shù)值模擬分析

蔣 敏 屈玉竹

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

通過flow3d軟件，對某電站泄洪沖沙洞進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，探討了其泄流能力、洞內(nèi)流速及壓力分布情況，指出泄流能力與增設(shè)前相差均不超過3%，洞內(nèi)流態(tài)較為穩(wěn)定，其流速分布與壓力分布均符合一般規(guī)律，因此增設(shè)放流洞的設(shè)計(jì)方案是可行的。

泄流能力，水力學(xué)，數(shù)值模擬，流速分布，壓力分布

1 工程概述

某電站變更設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)環(huán)境保護(hù)要求，在原右岸泄洪沖沙洞樁號右泄0+272.822 m處增設(shè)放流洞。增設(shè)放流洞之后，其對右岸泄洪沖沙洞的泄洪能力以及洞內(nèi)水流流態(tài)會產(chǎn)生影響。

本文利用數(shù)值模擬方法對增設(shè)放流洞后的泄洪沖沙洞泄流能力及洞內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，判斷其對原有結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全的影響。

2 計(jì)算模型

數(shù)值模擬采用flow3d軟件計(jì)算，計(jì)算模型按右岸泄洪沖沙洞整體建模。

計(jì)算整體模型如圖1所示。

3 計(jì)算初始條件

模型進(jìn)口上游4 m范圍及洞內(nèi)按上游水位鋪水，進(jìn)口設(shè)置壓力進(jìn)口，模型下游4 m范圍按下游水位鋪水(自由出流時(shí)下游不鋪水)，鋪水段按下游水位設(shè)置壓力出口。選用校核洪水工況及正常蓄水位自由出流工況進(jìn)行模擬分析，各模擬工況上下游水位如表1所示。

表1 數(shù)值分析法計(jì)算初始條件表 m

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 泄流能力

通過數(shù)值模擬計(jì)算得出，在校核洪水位工況，洞內(nèi)流態(tài)在23 s左右趨于恒定，流態(tài)恒定后，流量約在385.5 m3/s。在正常蓄水位自由出流工況下，洞內(nèi)流態(tài)在30 s左右趨于恒定，流態(tài)恒定后，流量在298 m3/s左右。

4.2 泄流能力對比分析

按下述水力學(xué)公式計(jì)算泄洪沖沙洞過流量：

其中，μ為流量系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：Ac——出口斷面面積，m2；A——計(jì)算斷面面積，m2；L，R——右岸泄洪沖沙洞各洞段長度及水力半徑；ζ——局部水頭損失系數(shù)；ω——隧洞出口斷面面積，為34.98 m2；T0——上游水位與下游出口底板高程差，m；hp——出口斷面水流的平均單位勢能，下游水位低于洞頂高程時(shí)，取洞頂高程，當(dāng)下游水位高于洞頂高程時(shí)，取下游水位高程。

計(jì)算得出增設(shè)放流洞前后兩種工況下泄洪洞泄流能力，將該計(jì)算結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果列入表2。

表2 增設(shè)放流洞后泄流能力計(jì)算結(jié)果 m3/s

由表2可以看出，由水力學(xué)公式法及數(shù)值模擬分析法得出的增設(shè)放流洞后的泄洪洞泄流能力與增設(shè)前相差均不超過3%，說明增設(shè)放流洞對右岸泄洪沖沙洞泄流能力影響不大。另外，水力學(xué)公式法計(jì)算成果與數(shù)值模擬分析法計(jì)算成果相近，也印證了數(shù)值計(jì)算成果的合理性。

4.3 流速分布

通過數(shù)值模擬分析計(jì)算可以得出，在校核洪水位工況與正常蓄水位自由出流工況下，泄洪洞內(nèi)流態(tài)均較為穩(wěn)定，流速分布符合一般規(guī)律，即洞壁周邊受隧洞摩阻的影響，流速較小，隧洞中心流速較大。放流洞洞身段基本不受右岸泄洪沖沙洞過流的影響，流速很小，接近于0。

岔口處對右岸泄洪沖沙洞流速分布影響較小，該處流速分布與非岔口處流速分布基本接近，在岔口進(jìn)口處會有部分回流，流速較小，校核洪水位工況下約為3.2 m/s，正常蓄水位自由出流工況下約為2.5 m/s，回流流速均較低，水流流態(tài)不會對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。

4.4 壓力分布

通過數(shù)值模擬分析計(jì)算可以得出，校核洪水位工況與正常蓄水位自由出流工況流態(tài)均較為穩(wěn)定，壓力分布符合一般規(guī)律。壓力與流速水頭相關(guān)，出口段流速較洞身段流速偏大，其壓力值較洞身段偏小。壓力與隧洞洞身高度成正比，在隧洞橫斷面及縱斷面圖均呈現(xiàn)層狀分布。由于上游水位較低，在正常蓄水位自由出流工況下，右岸泄洪沖沙洞拱頂部位會出現(xiàn)局部負(fù)壓，最大負(fù)壓值約為-0.9 m水頭。為避免右岸泄洪沖沙洞出現(xiàn)負(fù)壓，對水流產(chǎn)生紊動，應(yīng)盡量避免其在低水位下長期運(yùn)行情況。

岔口處對右岸泄洪沖沙洞壓力影響較小，在岔口進(jìn)口處受回流影響，頂部及底部會產(chǎn)生局部壓力增加情況，但增加幅度不大，校核洪水位工況下約為0.7 m水頭，正常蓄水位自由出流工況下約為0.3 m水頭；放流洞洞身段基本不受右岸泄洪沖沙洞過流的影響，壓力較為均一。

5 結(jié)語

本文通過flow3d軟件對某電站泄洪沖沙洞進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算得出其泄流能力以及洞內(nèi)流速及壓力分布。將泄流能力計(jì)算結(jié)果與增設(shè)前泄流能力以及通過水力學(xué)計(jì)算得出的增設(shè)后的泄流能力相比較，得出增設(shè)放流洞對右岸泄洪沖沙洞泄流能力沒有明顯影響的結(jié)論。同時(shí)，水力學(xué)計(jì)算成果與數(shù)值計(jì)算成果相近，也印證了數(shù)值模擬計(jì)算成果的合理性。

數(shù)值模擬分析計(jì)算洞內(nèi)流速分布與壓力分布結(jié)果表明，增設(shè)放流洞后，泄洪洞的洞內(nèi)流態(tài)較為穩(wěn)定，其流速分布與壓力分布均符合一般規(guī)律。因而，增設(shè)放流洞的設(shè)計(jì)方案是可行的。

[1] 李 煒.水力計(jì)算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

On numeric simulation analysis of sediment-flushing with flood-releasing of some power station

Jiang Min Qu Yuzhu

(KunmingSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,PowerConstructionCorporationofChina,Kunming650051,China)

By using flow3d software, the paper undertakes the numeric simulation analysis of the flood-releasing sand-flushing cave of some power station, explores its releasing capacity, flow speed of caves, and pressure distribution, points out the difference between the releasing capacity and the value before the addition is less than 3 percent with the more stable flow state in the cave, and indicates the flow speed distribution and pressure distribution are consistent with the universal law, so it is feasible to add the design scheme for the discharge cave.

releasing capacity, hydropower, numeric simulation, flow speed distribution, pressure distribution

1009-6825(2016)31-0226-02

2016-08-16

蔣 敏(1986- )，女，工程師

TV732

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