溢洪道結構型式優化及消能效率數值模擬研究

邵 凱，潘 宇，侯緒亞，杜明松

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210017；2.南京市水利建筑工程檢測中心有限公司，江蘇 南京 210017；3.南京河川建設工程有限公司，江蘇 南京 210017；4.江蘇江博建設有限公司，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能轉換為動能，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；高速下泄水流將嚴重威脅到溢洪道自身結構安全穩定，同時也會對下游河床造成嚴重沖刷，大幅影響河床沖淤平衡，破壞下游河道水動力分布。

實例工程原方案采用挑流消能的形式，在實際應用過程中，由于挑角和反弧段半徑設計不合理，導致溢洪道流量相對集中，水流能量耗散不充分。因此，本文擬根據以往經驗對實例工程消能結構形式進行優化，采用數值模擬計算的方法，對設計工況下的消能效率和流場分布進行模擬計算，比較優化方案的消能效率。

2 優化方案

2.1 原方案問題

原方案采用挑流消能形式，其中，右側挑角為32°，邊墻在前半段(0+356～0+389段)采用半徑為234.4m的弧形導墻；后半段(0+389～0+442段)采用直導墻。右側導墻的外緣高程為293.6m，在豎直面上向外側擴寬10.0m。左側導墻挑角為15°，前半段為直線段導墻，后半段(0+358～0+377段)采用半徑為51.8m的弧形導墻，左側導墻的外緣高程為283.0m，在豎直面上向外側擴寬4.1m。因此，左右側導墻共向外擴大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，部分挑射水流相對集中，且直沖對岸巖體，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 方案優化

根據以往經驗，以及原方案存在的問題，對原方案溢洪道消能工結構型式進行優化設計，核心思想是提高斜鼻坎的水流擴散率，降低水流集中現象。優化方案設計結果如下：

(1)優化方案一

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

(2)優化方案二

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

優化方案一和優化方案二的平面布置如圖2所示。

圖2 優化方案溢洪道消能工平面布置

3 三維數模建立

3.1 模型建立

本文選擇地表河流計算軟件中權威度較高的3D-FLOW三維數值模擬軟件進行模擬計算。對研究河段進行建模分析，采用有限單元計算模塊，網格劃分采用三角網格，初始條件通過上游來流量、下游水位、河床糙率、紊動能傳遞系數等模型參數進行控制。

3.2 邊界條件與初始條件

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

圖6給出了t=45 s時刻不同傾角和漿液擴散方位角時的漿液壓力離注漿孔距的變化曲線。對圖6進行分析可知：裂隙傾角和漿液擴散方位角對漿液壓力的空間分布特征產生顯著影響，呈現明顯的空間非線性、非均勻性特征。

(1)初始條件

對于給定的研究域，在時間t=0時有

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——分別為初始時刻的水位和流量分量。

(2)開邊界

r=rB(t)，s=sB(t)，h=hB(t)

(2)

式中，rB、sB——分別為已知流量過程線，hB為已知水位過程線。

3.3 模擬范圍及網格劃分

本文采用設計工況，即上游來流為9450m3/s，入口處水位為355.50m進行數值模擬計算。

本工程的模擬范圍從上游水流進口至下游挑流出口。計算網格采用三角網格與四邊形網格組合計算的形式。共有16226個網格節點及9968個網格。工程模擬范圍與計算網格劃分如圖3所示。

4 數值模擬結果分析

4.1 挑距分析

在原方案、優化方案一和優化方案二下，流態和挑距分布如圖4—5所示。

圖3 工程模擬范圍與計算網格劃分

圖4 各方案流態分析

圖5 各方案挑距分析

(1)挑舌向左側傾斜趨勢明顯。水舌厚度和外緣高程從左至右增大，在右側由于邊墻的擴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)在優化方案工況一下，挑舌跟原方案的分布類似，有向左側傾斜的趨勢，但傾斜程度要小于原方案。同時挑舌水流在左側有局部凹陷的趨勢。

(3)在優化方案工況二下，水舌基本呈左右平衡趨勢，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流動。

(4)各方案下挑距參數見表1。由表1可見，優化方案二工況下，各側挑距相對均勻。

表1 各方案下挑距參數

4.2 流速與流場分布

各方案平面流速和流態分布分析如圖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域，流態分布較為散亂。回流區域內流速平均值在4.1m/s左右。同時，流速極值區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，回流區域規模略有增大，且流速極值區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)在優化方案二工況下，回流區域范圍明顯縮小，且回流區域平均流速也在4.1m/s左右；流速極值區域略微偏移至右岸導墻側，即實際河道下游側。同時，挑舌落點位置有天然的凹陷坑，地勢較低，更有利于水流的擴散和能量耗散。

進一步分析可知，優化方案二工況下，挑舌極值區域平均流速為23.2m/s，與原方案和優化方案一基本一致。

(4)經計算，原方案、優化方案一和優化方案二下，消能效率分別為73.36%、73.92%和74.09%。優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壓力值達到161kPa，且在局部區域(挑坎處)出現了負壓，空化數為0.25，容易出現氣蝕情況。

(2)在優化方案一工況下，反弧段起點壓力值也較大，達到140kPa，但是相對原方案有所緩解。同時，挑坎處空化數增大至0.27，仍低于0.30的臨界值，存在出現氣蝕的可能。

(3)在優化方案一工況下，反弧段起點壓力值最小，約為105kPa，同時挑坎處平均流速約為29.66m/s，空化數增大至0.32，出現氣蝕現象的可能性進一步降低。

5 結論

為進一步研究水電站溢洪道消能結構的水力特性，并為了優化某實例水電站的消能效率。本文借助3D-FLOW三維數值模擬軟件，基于以往水電站設計建設經驗，以及原方案存在的問題，對原方案溢洪道消能工結構型式進行優化設計，并對三組方案的挑距、流速分布、底板壓力分布進行了計算、分析，結果顯示：

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較為相似，其中優化方案二的各側挑距相對均勻，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，但優化方案二的流速極值區域略微偏移至右岸導墻側，即實際河道下游側。同時，挑舌落點位置有天然的凹陷坑，地勢較低，更有利于水流的擴散和能量耗散。

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

(4)優化方案二的反弧段起點、挑坎處無負壓，出現空蝕可能最小。

綜上，選擇優化方案二為推薦方案。