豎井式溢洪道進(jìn)水口體形優(yōu)化設(shè)計與研究

葉祥飛，宿 生，周 琦，李曉偉

(1.中國電建中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014;2.海南蓄能發(fā)電有限公司，海南海口570100)

1 工程概況

海南瓊中抽水蓄能電站位于海南省瓊中縣境內(nèi)，電站主要承擔(dān)海南電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等開發(fā)任務(wù)，總裝機(jī)容量600 MW。樞紐建筑物主要包括上水庫、下水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)等3大部分。上水庫地處黎母山林場原大豐水庫，集雨面積為5.41 km2，多年平均徑流量為797.9萬m3，正常蓄水位567.00 m，死水位560.00 m，調(diào)節(jié)庫容499.9萬m3，死庫容為280.7萬m3，總庫容為933.3萬m3。上水庫采用主、副壩均為瀝青混凝土心墻土石壩，其擋水、泄水建筑物按100年一遇洪水設(shè)計，2000年一遇洪水校核，設(shè)計水位泄洪量45 m3/s，校核水位泄洪量74 m3/s[1]。

在可行性研究設(shè)計階段，上水庫泄水建筑物采用無閘門控制的開敞式溢洪道，緊鄰主壩右壩肩布置，末端斜對壩址下游的河床溝谷，采用臺階式消能。在招標(biāo)設(shè)計階段，隨著設(shè)計工作的深入，考慮到上水庫基巖埋深大、岸坡開敞式溢洪道開挖量大，且存在高邊坡，對生態(tài)環(huán)境有較大的影響；同時，由于上水庫泄洪流量不大，故將上水庫泄水建筑物改為豎井式溢洪道，結(jié)合導(dǎo)流洞改建成退水隧洞[2- 4]。這樣既節(jié)約了工程投資，又避免了對生態(tài)環(huán)境的影響。

2 豎井式溢洪道結(jié)構(gòu)布置

上水庫泄水建筑物采用開敞自溢式豎井溢洪道，布置于庫盆右岸，主要由井口防渦設(shè)施、環(huán)形溢流堰、過渡段、豎井段、消力井、退水隧洞及出口消能段組成，其中出口布置于全風(fēng)化巖體中，水流斜向轉(zhuǎn)彎匯入山間沖溝。溢洪道中心線全長440 m，豎井進(jìn)水口平臺由開挖形成，溢流堰采用無閘門控制的環(huán)型實用堰，采用1/4橢圓曲線，堰頂與正常蓄水位齊平；豎井采用等直徑圓形豎井，為防止水流直接沖擊豎井底板，在豎井底部設(shè)消力井，其結(jié)構(gòu)布置與豎井段相同，井底高程比退水隧洞底板高程低7 m，以形成穩(wěn)定的水墊塘；退水隧洞結(jié)合導(dǎo)流洞布置，洞內(nèi)設(shè)16級臺階消能；出口段采用消力池消能，池長30 m，池深2.0 m，其后接護(hù)坦，采用規(guī)格3 m×2 m×0.3 m的雷諾護(hù)墊，與山間沖溝順接。豎井式溢洪道結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 豎井式溢洪道結(jié)構(gòu)布置示意(單位：高程m，尺寸mm)

圖2 不同流量下溢流堰水流狀態(tài)

3 物理模型試驗研究

3.1 模型試驗布置與工況

為研究豎井式溢洪道的水流流態(tài)、泄流能力及消能效果等水力特性，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計了1∶20的試驗?zāi)Ｐ汀ＤＰ驮O(shè)計時對環(huán)形溢流堰、豎井段、退水隧洞、出口消能段均進(jìn)行了精細(xì)模擬，其中，環(huán)形溢流堰采用了木材制作，豎井段、退水隧洞段用有機(jī)玻璃制作，出口消能段及下游河道用水泥砂漿制作。有機(jī)玻璃的糙率為0.008～0.009，換算成原型的糙率為0.013 2～0.014 9，與溢洪道的實際糙率較為接近，可以滿足動力相似要求。模型試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

3.2 初擬方案

溢流堰采用無閘控制環(huán)形實用堰，環(huán)形堰頂曲線采用1/4橢圓曲線，橢圓方程為x2/12+y2/2.22=1。環(huán)形堰直徑5.6 m，堰頂高程567.00 m，與正常蓄水位齊平，高程564.80 m以上為過渡段，以下為豎井段。堰頂?shù)捏w形如圖1所示。

當(dāng)流量為24 m3/s時，堰頂?shù)乃鳛樽杂裳吡鳎Q井內(nèi)的自摻氣較多，在試驗中發(fā)現(xiàn)庫水位不穩(wěn)定，在567.647～567.803 m之間波動，堰頂流態(tài)見圖2a。當(dāng)流量在33～43 m3/s時，堰頂流態(tài)仍然為自由堰流，庫水位也較穩(wěn)定，典型流態(tài)見圖2b。當(dāng)流量為53 m3/s時，堰頂上方形成了一個順時針方向的漩流，典型流態(tài)見圖2c。當(dāng)流量在64～84 m3/s時，堰頂形成了較大的漩渦，漩渦強(qiáng)度時大時小，特別是在流量為74、84 m3/s時，堰頂通氣孔道時而被封堵，受此影響，堰頂泄量有所變化，庫水位波動較大，典型流態(tài)見圖2d。

初擬方案的水位-流量關(guān)系如圖3所示，圖3中列出了在同一流量下水位波動的低值與高值，并與設(shè)計值進(jìn)行了對比，由圖3可知，在校核水位時，試驗過流能力較設(shè)計值小，泄流能力不足。

圖3 初擬方案水位-流量關(guān)系

3.3 優(yōu)化方案

考慮到泄流能力不滿足要求，且堰頂流態(tài)不良，故需對初擬方案進(jìn)行優(yōu)化研究，共進(jìn)行了5種不同進(jìn)水口體型的模型試驗。

(1)優(yōu)化方案1。保持環(huán)形溢流堰堰頂曲線方程不變，將環(huán)形溢流堰的堰口直徑由原來的5.6 m變?yōu)?.8 m，豎井的直徑由原來的3.6 m變?yōu)?.8 m。該方案在小流量情況下，由于水流有所偏轉(zhuǎn)，在后方交匯形成了一個水翅，水翅沖擊對面的豎井井壁，且來流量越大時，水翅越大，沖擊對岸的程度也越大；當(dāng)來流量逐漸變大時，豎井溢洪道的堰頂逐漸有漩渦形成，特別是當(dāng)在校核流量時由于水流偏轉(zhuǎn)和水翅的影響，堰頂通氣孔道時而會被封封堵，且漩渦不穩(wěn)定，致使庫水位變化較大。

圖4 優(yōu)化方案5(單位：高程 m，尺寸mm)

(2)優(yōu)化方案2。堰口直徑5.8 m，豎井直徑3.8 m，沿著環(huán)形溢流堰增設(shè)6道均勻布置的導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩布置于堰頂與堰面之上，導(dǎo)流墩頂高于水面。該方案對堰頂流態(tài)的改善不明顯。由于導(dǎo)流墩的部分放置于堰頂處，使得水流在堰頂處形成了較大的水翅，惡化了堰頂?shù)乃髁鲬B(tài)。當(dāng)水流高出導(dǎo)流墩頂部的時候，仍然在堰頂處形成了較為明顯的漩渦。

(3)優(yōu)化方案3。堰口直徑5.8 m，豎井直徑3.8 m，6道導(dǎo)流墩布置于堰頂，墩頂與堰頂齊平。

該方案在P=1%時，堰頂水流有所偏轉(zhuǎn)，并且在2號～3號墩之間有一個較大的水翅，水翅偶爾沖擊對面的水體，且水翅位置不固定，在2號～3號墩之間移動。在P=0.05%時，堰頂有較大的逆時針漩渦出現(xiàn)，漩渦時大時小，由于有水翅的影響，通氣孔道偶爾被封閉，受此影響庫水面波動較大。

(4)優(yōu)化方案4。堰口直徑5.8 m，豎井直徑3.8 m，6道導(dǎo)流墩均勻布置于堰頂，墩頂高于水面。該方案在導(dǎo)流墩后形成了6道水翅，影響了水流流態(tài)。

(5)優(yōu)化方案5。堰口直徑5.8 m，豎井直徑3.8 m，6道導(dǎo)流墩均勻布置于堰頂，墩頂呈間隔不等高布置，如圖4所示。該方案較其他方案堰頂流態(tài)有較大改善，在P=0.05%時，雖然堰頂仍有水翅，但1號、3號和5號墩有效地阻斷了堰頂?shù)男鳎唔斎粤粲休^大的通氣孔道，故將本方案最為推薦方案。

3.4 推薦方案的堰頂水力特性

3.4.1 堰頂流態(tài)及泄流能力

各試驗流量下，堰頂均保持為自由堰流。由于受到堰頂流態(tài)的影響，庫水面有所波動。在P=2%時堰頂為自由堰流，水流貼著堰壁下泄，在1號、3號、5號墩后面出現(xiàn)了較小的水翅，水翅高度約為0.6 m，且在這3個墩的周圍也有較小的擾流出現(xiàn)，典型流態(tài)見圖5a；在P=1%時堰頂也為自由堰流，并有較大的通氣孔道，在1號、3號、5號墩后面出現(xiàn)了較小的水翅，1號墩后的水翅約為0.6 m，2號墩后的水翅約為0.68 m，3號墩后的水翅約為0.8 m，且由于堰頂水流有所偏轉(zhuǎn)，使得2號墩和3號墩之間以及5號墩和6號墩之間形成了兩個交匯的水股，但沒有堵塞通氣孔道，典型流態(tài)見圖5b；在P=0.05%時堰頂仍為自由堰流，由于水流超過了導(dǎo)流墩的高度，堰頂?shù)乃鳛樾鳎艽擞绊懀?號墩與3號墩以及4號墩與5號墩后形成了一個水翅，且水翅相互交匯，但堰頂仍然留有較大的通氣孔道，典型的流態(tài)見圖5c。

圖5 不同工況下的堰頂流態(tài)

試驗中記錄了在各來流量時的水位波動高值，測得的水位流量關(guān)系和設(shè)計的水位流量關(guān)系如圖6所示，在同一水位下試驗流量均大于設(shè)計流量，滿足設(shè)計要求。

圖6 推薦方案水位-流量關(guān)系

3.4.2 堰頂壓強(qiáng)

本試驗在環(huán)形溢流堰的壁面布置了5個壓強(qiáng)測點(測點1～5)，實測壓強(qiáng)值見表2。由表2可知，各工況下壓強(qiáng)基本為正壓或者較小的負(fù)壓，最大負(fù)壓為-8.08 kPa，小于規(guī)范要求，說明溢流堰體形設(shè)計合理。

表2 堰面時均壓強(qiáng)分布

4 數(shù)值模擬成果與分析

4.1 模型建立

計算采用三維模型，計算模型的中心截面如圖4所示。為消除來流邊界對環(huán)形溢流堰進(jìn)口流態(tài)的影響，截取計算域取為圓形，圓形半徑為13.9 m，取豎井段長15 m。鑒于豎井式溢洪道堰頂?shù)男螒B(tài)較復(fù)雜，難以生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，故在堰頂部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余地方采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約為40萬。流經(jīng)泄洪洞內(nèi)的水流為高雷諾數(shù)湍流，本次計算中采用目前使用最為廣泛的雷諾時均法(RANS)進(jìn)行湍流的數(shù)值模擬[5，6]，選用VOF模型法追蹤自由表面。

4.2 堰頂流態(tài)及泄流能力

計算表明，在堰頂附近，臨近環(huán)形溢流堰的堰頂流速逐漸增大，且堰頂?shù)牧鲬B(tài)較為穩(wěn)定，水流沿著堰頂自由下泄，沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。庫水位568.24 m時的典型跡線如圖7所示。

圖7 庫水位568.24 m時的典型跡線

校核工況下典型斷面空氣的體積分?jǐn)?shù)如圖8所示。根據(jù)不同工況下典型斷面y=0、z=558 m、z=567 m的體積分?jǐn)?shù)圖，在不同的堰頂水位情況之下，堰頂均留有較大的通氣孔道，且隨著水位的上升，通氣孔道的面積逐漸減小。

圖8 校核工況下典型斷面空氣的體積分?jǐn)?shù)

模型試驗與數(shù)值模擬的水位流量關(guān)系對比如表3所示，其中，偏差=(計算值-試驗值)/試驗值×100%，由表3可知，數(shù)值模擬與物理模型試驗的結(jié)果基本一致，最大誤差僅為4.35%。

表3 泄流能力計算值與試驗值偏差

4.3 堰頂壓強(qiáng)

圖9 堰頂壓強(qiáng)分布(Z=568.71 m)

由于環(huán)形溢流堰的堰頂為1/4橢圓曲線，在相同的設(shè)計水頭之下，堰頂曲線較實用堰曲線要薄，水流流經(jīng)堰頂之后，并沒有完全貼著堰頂壁面下泄，在堰頂出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)。典型的堰頂壓強(qiáng)分布如圖9所示。由圖9可知，在堰頂壁面，隨著下泄流量的增大，堰頂?shù)呢?fù)壓區(qū)有增大的趨勢，且堰頂?shù)淖畲筘?fù)壓也隨著下泄流量的增加而增大。

5個不同水位下的堰頂壓強(qiáng)分布如表4。由表4可知，堰頂曲線段壓強(qiáng)基本均為負(fù)壓，且負(fù)壓隨著高程的降低有增大的趨勢，這是由于環(huán)形溢流堰為1/4橢圓形曲線，在相同的設(shè)計水頭之下，其體型要比實用堰的體型偏瘦，水流沒有貼壁的緣故，但負(fù)壓值一般均較小，在規(guī)范要求允許范圍之內(nèi)，不會使得豎井壁面產(chǎn)生空蝕破壞。

表4 環(huán)形溢流堰堰壓強(qiáng)分布

5 結(jié) 語

本文結(jié)合瓊中抽水蓄能電站上水庫豎井式溢洪道，采用物理模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對豎井式溢洪道進(jìn)水口體型進(jìn)行了多方案的優(yōu)化比選研究。研究表明，在環(huán)形溢流堰頂增設(shè)6道間隔布置的不等高導(dǎo)流墩，可有效改善堰頂流態(tài)，減小進(jìn)口庫水位波動，增大堰頂泄流能力，可為同類工程設(shè)計提供依據(jù)和參考。