溢洪道彎曲段反超高方案優(yōu)化數(shù)值模擬

李轉(zhuǎn)妮

(重慶市水利水電勘測設計研究院，重慶 400000)

溢洪道彎曲段反超高方案優(yōu)化數(shù)值模擬

李轉(zhuǎn)妮

(重慶市水利水電勘測設計研究院，重慶 400000)

針對溢洪道彎曲段凹岸與凸岸水位、水深差值大的問題，選擇重慶石梁扣水電站溢洪道為研究對象，基于常用的反超高優(yōu)化方案對彎曲段進行優(yōu)化設計，并借助SMS流體計算軟件建立二維數(shù)模進行計算分析。分析結(jié)果顯示，相比來看，反超高優(yōu)化方案通過凸岸抬高與凹岸下降的共同作用，有效消減彎曲段兩側(cè)水頭、流速差，及水流橫向位移，對溢洪道內(nèi)流場分布、水流結(jié)構(gòu)具有明顯的改善作用。

反超高；水電站溢洪道；兩側(cè)水頭差；水流流態(tài)

高速下泄的水流在流入溢洪道彎曲段時，由于離心力作用，將產(chǎn)生橫向移動，逐漸在凹岸邊壁匯聚、產(chǎn)生壅水，導致彎曲段左、右兩側(cè)水位、水深、流速相差過大[1-5]，擾亂溢洪道彎曲段以及下游流態(tài)，容易猝發(fā)空蝕，嚴重威脅整個溢洪道正常運行[6]。在溢洪道工程設計與建設中，如何根據(jù)溢洪道實際建設情況，因地制宜，設計合理的結(jié)構(gòu)、布置形式具有顯著的經(jīng)濟、社會效益[7-8]。本文以重慶石梁扣水電站溢洪道為研究對象，基于常用的反超高優(yōu)化方案對彎曲段進行優(yōu)化設計，并借助SMS流體計算軟件建立二維數(shù)模，計算分析優(yōu)化效果。

1 工程概況

重慶石梁扣水電站位于重慶土溪鄉(xiāng)姜家村后溪河，上距七里壩15.2 km，下離磨子灣3.3 km。水電站的主要功能為發(fā)電與引水灌溉。根據(jù)后溪河大屋基水位站監(jiān)測的水文資料分析，工程處正常水位為680.00 m，設計工況下水位可達695.27 m。

2 反超高優(yōu)化方案設計

反超高優(yōu)化方案的設計思路是通過抬升凸岸槽底底板，同時降低升凹岸槽底底板[9]，從而有效消除溢洪道彎曲段兩側(cè)的水位差，使得溢洪道彎曲段左右兩側(cè)水位值大體一致，減小水流的橫向偏流。根據(jù)文獻[10]，溢洪道彎曲段凸岸上升高度與凹岸降低高度的計算式分別如下：

圖1 計算區(qū)域示意圖

(1)

(2)

式中:θ為溢洪道起點的水流沖擊波反射角；r1為凸岸半徑，m；r2為凹岸半徑,m；b為溢洪道槽底寬度，m；x為槽底高程變化點距離凸岸的距離，m。x計算式見式(3):

根據(jù)計算，圖1中五個斷面(從上游至下游)的凹岸降低高程依次為0 m、0.33 m、0.45 m、0.26 m、0 m；凸岸的抬高高層分別為0 m、0.16 m、0.39 m、0.19 m、0 m。

3 數(shù)學模型建立與計算

3.1 計算區(qū)域選定

模型研究范圍從溢洪道進口(樁號0+233.50)至溢洪道出口(樁號0+320.95)，整個溢洪道弧度為35°，中軸線長為73 m，半徑為120 m，底板寬為24 m(圖1)。

3.2 網(wǎng)格、參數(shù)率定及邊界條件

為保證計算精度，綜合考慮計算類型的適用性等其他問題，計算模塊選擇二維流體(FESWMS)模塊、網(wǎng)格類型選擇穩(wěn)定性最好的三角網(wǎng)格，網(wǎng)格間距選擇3 m。

經(jīng)過率定，彎曲段材料設為0.023；紊動能系數(shù)設為0.32；動量耗散系數(shù)選為0.27。

本文研究設計工況下優(yōu)化方案的優(yōu)化效果。其中，模型上游通過流量控制，流量為4000 m3/s；模型下游通過尾水水位控制，水位為672.33 m。

4 數(shù)模計算結(jié)果分析

將設計工況下原方案與反超高方案的流場、水深分布計算模擬結(jié)果繪于圖2、圖3。并將各斷面具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計于表1。

圖2 原方案數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 反超高方案數(shù)值模擬結(jié)果

表1 優(yōu)化方案效果對比

由圖2、圖3可知，在原方案下，重慶石梁扣水電站溢洪道彎曲段內(nèi)水流受離心力作用向右岸匯聚，左右兩岸水流流速、水深差距較大，原方案在設計工況下流場極為紊亂，水流流向線與中軸線夾角較大，水流沖擊波作用明顯。

采用反超高方案后，在凸岸抬高與凹岸下降的共同作用下，凹岸與凸岸兩側(cè)水體略有均衡(兩側(cè)單寬流量差有效減小)，水流橫向移動情況明顯減弱，水流沖擊波有所降低，主流與底板中軸線夾角減小，溢洪道彎道出口平均流速由3.48 m/s下降為3.07 m/s，下降幅度達到11.78%，水流流態(tài)、流場結(jié)構(gòu)有了明顯改善。

5 結(jié) 論

研究結(jié)果顯示，在溢洪道彎曲段采用反超高方案可以有效均衡凹岸與凸岸水體，有效減小兩側(cè)水頭差，減小彎曲段內(nèi)橫流，改善流態(tài)，對于溢洪道的穩(wěn)定運行及減小對下游河道的沖刷具有積極影響。建議本工程采用反超高方案。

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The numerical simulation of spillway curve inverse extra-high optimization scheme

LI Zhuanni

(ChongqingSurvey&DesignResearchInstituteforWaterResourcesandHydropower,Chongqing400000,China)

The water on both sides of the spillway curve bending section was deep, with large water depth difference. This paper choosed Chongqing Shiliangkou hydropower station spillway buckle as the research object,this paper adopted the commonly used inverse extra-high optimization scheme to optimize the design,using SMS of a planar 2 d mathematical model for numerical simulation.The results showed that,through the combined action of convex elevation and concave downward,inverse extra-high optimization scheme could effectively reduce the water head and velocity difference,lateral movement of water,and the distribution of the flow field and the flow structure in the spillway were obviously improved.

inverse extra-high;spillway of hydroelectric power station;head difference;water flow regime

李轉(zhuǎn)妮(1988-)，女，陜西西安人，助理工程師，主要從事水利水電工程設計方面的工作。E-mail:287109894@qq.com。

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