溢洪道結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化及消能效率數(shù)值模擬研究

邵 凱，潘 宇，侯緒亞，杜明松

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210017；2.南京市水利建筑工程檢測(cè)中心有限公司，江蘇 南京 210017；3.南京河川建設(shè)工程有限公司，江蘇 南京 210017；4.江蘇江博建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210017)

1 概述

水電站需要借助高水頭充分利用水體的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，因此水電站溢洪道下泄流量大、流速急，如果不能合理的消耗水流能量，控制水流流速；高速下泄水流將嚴(yán)重威脅到溢洪道自身結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，同時(shí)也會(huì)對(duì)下游河床造成嚴(yán)重沖刷，大幅影響河床沖淤平衡，破壞下游河道水動(dòng)力分布。

實(shí)例工程原方案采用挑流消能的形式，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于挑角和反弧段半徑設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致溢洪道流量相對(duì)集中，水流能量耗散不充分。因此，本文擬根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)例工程消能結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，對(duì)設(shè)計(jì)工況下的消能效率和流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬計(jì)算，比較優(yōu)化方案的消能效率。

2 優(yōu)化方案

2.1 原方案問(wèn)題

原方案采用挑流消能形式，其中，右側(cè)挑角為32°，邊墻在前半段(0+356～0+389段)采用半徑為234.4m的弧形導(dǎo)墻；后半段(0+389～0+442段)采用直導(dǎo)墻。右側(cè)導(dǎo)墻的外緣高程為293.6m，在豎直面上向外側(cè)擴(kuò)寬10.0m。左側(cè)導(dǎo)墻挑角為15°，前半段為直線段導(dǎo)墻，后半段(0+358～0+377段)采用半徑為51.8m的弧形導(dǎo)墻，左側(cè)導(dǎo)墻的外緣高程為283.0m，在豎直面上向外側(cè)擴(kuò)寬4.1m。因此，左右側(cè)導(dǎo)墻共向外擴(kuò)大14.1m，出口寬度為83.1m。

原方案下溢洪道軸線與下游河道夾角較大，部分挑射水流相對(duì)集中，且直沖對(duì)岸巖體，水流在空中的旋滾摩擦作用較弱，消能效果不理想如圖1所示。

圖1 原方案溢洪道消能工平面布置

2.2 方案優(yōu)化

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，以及原方案存在的問(wèn)題，對(duì)原方案溢洪道消能工結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，核心思想是提高斜鼻坎的水流擴(kuò)散率，降低水流集中現(xiàn)象。優(yōu)化方案設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

(1)優(yōu)化方案一

右側(cè)挑角為25°，邊墻在前半段(0+330～0+377段)采用半徑為200m的弧形導(dǎo)墻；后半段采用直線型導(dǎo)墻。右側(cè)導(dǎo)墻的外緣高程為287.8m，在豎直面上向外側(cè)擴(kuò)寬16.4m。左側(cè)導(dǎo)墻挑角為15°，采用半徑為235m的弧形導(dǎo)墻，左側(cè)導(dǎo)墻的外緣高程為283.0m，在豎直面上向外側(cè)擴(kuò)寬4.4m。因此，左右側(cè)導(dǎo)墻共向外擴(kuò)大20.8m，出口寬度為89.8m。

(2)優(yōu)化方案二

右側(cè)挑角為22°，邊墻在前半段(0+330～0+350段)采用半徑為160m的弧形導(dǎo)墻；后半段采用直線型導(dǎo)墻。右側(cè)導(dǎo)墻的外緣高程為296.2m，在豎直面上向外側(cè)擴(kuò)寬8.0m。左側(cè)導(dǎo)墻挑角為15°，采用半徑為180m的弧形導(dǎo)墻，左側(cè)導(dǎo)墻的外緣高程為283.0m，在豎直面上向外側(cè)擴(kuò)寬5.0m。因此，左右側(cè)導(dǎo)墻共向外擴(kuò)大13m，出口寬度為82.0m。

優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二的平面布置如圖2所示。

圖2 優(yōu)化方案溢洪道消能工平面布置

3 三維數(shù)模建立

3.1 模型建立

本文選擇地表河流計(jì)算軟件中權(quán)威度較高的3D-FLOW三維數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)研究河段進(jìn)行建模分析，采用有限單元計(jì)算模塊，網(wǎng)格劃分采用三角網(wǎng)格，初始條件通過(guò)上游來(lái)流量、下游水位、河床糙率、紊動(dòng)能傳遞系數(shù)等模型參數(shù)進(jìn)行控制。

3.2 邊界條件與初始條件

在二維數(shù)模中，邊界條件主要包括進(jìn)、出口邊界，岸邊界以及動(dòng)邊界等，本模型采用了如下邊界條件

圖6給出了t=45 s時(shí)刻不同傾角和漿液擴(kuò)散方位角時(shí)的漿液壓力離注漿孔距的變化曲線。對(duì)圖6進(jìn)行分析可知：裂隙傾角和漿液擴(kuò)散方位角對(duì)漿液壓力的空間分布特征產(chǎn)生顯著影響，呈現(xiàn)明顯的空間非線性、非均勻性特征。

(1)初始條件

對(duì)于給定的研究域，在時(shí)間t=0時(shí)有

h(x，y，t)|t=0=h0(x，y)、r(x，y，t)|t=0
=r0(x，y)、s(x，y，t)|t=0=s0(x，y)

(1)

式中，h0、r0、s0——分別為初始時(shí)刻的水位和流量分量。

(2)開(kāi)邊界

r=rB(t)，s=sB(t)，h=hB(t)

(2)

式中，rB、sB——分別為已知流量過(guò)程線，hB為已知水位過(guò)程線。

3.3 模擬范圍及網(wǎng)格劃分

本文采用設(shè)計(jì)工況，即上游來(lái)流為9450m3/s，入口處水位為355.50m進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

本工程的模擬范圍從上游水流進(jìn)口至下游挑流出口。計(jì)算網(wǎng)格采用三角網(wǎng)格與四邊形網(wǎng)格組合計(jì)算的形式。共有16226個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)及9968個(gè)網(wǎng)格。工程模擬范圍與計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖3所示。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 挑距分析

在原方案、優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二下，流態(tài)和挑距分布如圖4—5所示。

圖3 工程模擬范圍與計(jì)算網(wǎng)格劃分

圖4 各方案流態(tài)分析

圖5 各方案挑距分析

(1)挑舌向左側(cè)傾斜趨勢(shì)明顯。水舌厚度和外緣高程從左至右增大，在右側(cè)由于邊墻的擴(kuò)散和阻擋作用水舌厚度最大，入水水流呈扇形，挑距中間最大。

(2)在優(yōu)化方案工況一下，挑舌跟原方案的分布類似，有向左側(cè)傾斜的趨勢(shì)，但傾斜程度要小于原方案。同時(shí)挑舌水流在左側(cè)有局部凹陷的趨勢(shì)。

(3)在優(yōu)化方案工況二下，水舌基本呈左右平衡趨勢(shì)，右出口和中心線水舌高度比較接近，下游主流向中心線偏下游側(cè)流動(dòng)。

(4)各方案下挑距參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，優(yōu)化方案二工況下，各側(cè)挑距相對(duì)均勻。

表1 各方案下挑距參數(shù)

4.2 流速與流場(chǎng)分布

各方案平面流速和流態(tài)分布分析如圖6所示，斷面流速分布分析如圖7所示，分析可知：

圖6 各方案平面流速和流態(tài)分布分析

(1)在原方案下，水舌下方的水體形成了明顯的回流區(qū)域，流態(tài)分布較為散亂?；亓鲄^(qū)域內(nèi)流速平均值在4.1m/s左右。同時(shí)，流速極值區(qū)域主要分布在挑舌水流中心線處，平均流速在23.0m/s左右。

(2)在優(yōu)化方案一工況下，消能段的流速平面、立面分布與原方案基本一致。與原方案相比，回流區(qū)域規(guī)模略有增大，且流速極值區(qū)域也主要分布在挑舌水流中心線處，平均流速在23.2m/s左右

(3)在優(yōu)化方案二工況下，回流區(qū)域范圍明顯縮小，且回流區(qū)域平均流速也在4.1m/s左右；流速極值區(qū)域略微偏移至右岸導(dǎo)墻側(cè)，即實(shí)際河道下游側(cè)。同時(shí)，挑舌落點(diǎn)位置有天然的凹陷坑，地勢(shì)較低，更有利于水流的擴(kuò)散和能量耗散。

進(jìn)一步分析可知，優(yōu)化方案二工況下，挑舌極值區(qū)域平均流速為23.2m/s，與原方案和優(yōu)化方案一基本一致。

(4)經(jīng)計(jì)算，原方案、優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二下，消能效率分別為73.36%、73.92%和74.09%。優(yōu)化方案二的消能效率最好。

4.3 底板壓力分布

各方案底板壓力分布如圖8所示，分析可知：

(1)原方案在反弧段起點(diǎn)壓力值達(dá)到161kPa，且在局部區(qū)域(挑坎處)出現(xiàn)了負(fù)壓，空化數(shù)為0.25，容易出現(xiàn)氣蝕情況。

(2)在優(yōu)化方案一工況下，反弧段起點(diǎn)壓力值也較大，達(dá)到140kPa，但是相對(duì)原方案有所緩解。同時(shí)，挑坎處空化數(shù)增大至0.27，仍低于0.30的臨界值，存在出現(xiàn)氣蝕的可能。

(3)在優(yōu)化方案一工況下，反弧段起點(diǎn)壓力值最小，約為105kPa，同時(shí)挑坎處平均流速約為29.66m/s，空化數(shù)增大至0.32，出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象的可能性進(jìn)一步降低。

5 結(jié)論

為進(jìn)一步研究水電站溢洪道消能結(jié)構(gòu)的水力特性，并為了優(yōu)化某實(shí)例水電站的消能效率。本文借助3D-FLOW三維數(shù)值模擬軟件，基于以往水電站設(shè)計(jì)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以及原方案存在的問(wèn)題，對(duì)原方案溢洪道消能工結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)三組方案的挑距、流速分布、底板壓力分布進(jìn)行了計(jì)算、分析，結(jié)果顯示：

圖7 各方案斷面流速分布分析

圖8 各方案底板壓力分布

(1)三組方案的挑距參數(shù)較為相似，其中優(yōu)化方案二的各側(cè)挑距相對(duì)均勻，水流集中性較弱，水體分散度較高，利于水流能量耗散。

(2)三組方案挑舌水流平均流速基本一致，差別十分微弱，但優(yōu)化方案二的流速極值區(qū)域略微偏移至右岸導(dǎo)墻側(cè)，即實(shí)際河道下游側(cè)。同時(shí)，挑舌落點(diǎn)位置有天然的凹陷坑，地勢(shì)較低，更有利于水流的擴(kuò)散和能量耗散。

(3)三組方案下，消能效率分別為73.36%、73.92%和74.09%。優(yōu)化方案二的消能效率最好。

(4)優(yōu)化方案二的反弧段起點(diǎn)、挑坎處無(wú)負(fù)壓，出現(xiàn)空蝕可能最小。

綜上，選擇優(yōu)化方案二為推薦方案。