導流洞改建泄洪洞梯級內消能工模型試驗研究

卞 旭

(江西省水利水電建設有限公司，江西 南昌 330200)

1 工程背景

某水電站是一座以發電為主，兼具其他功能的小型徑流式水電站。其設計庫容為1800萬m3，裝機總容量為22400kW。水電站主要由混凝土重力壩、溢流壩、導流泄洪洞、引水系統和電站廠房構成。其中，導流泄洪洞位于大壩右岸山體中，在工程建設期間擔負導流任務，最大導流流量為183m3/s，在工程建成運行期間承擔泄洪和放空任務，設計洪水流量為360.13m3/s，校核洪水流量為1167.78m3/s。

消能設計是導流洞改建為泄洪洞的重要內容，同時也是影響工程安全的重要方面。目前，導流泄洪洞的消能方式主要有洞內消能和洞外消能兩種[1]。其中，洞外消能主要有挑流消能和消力池底流消能等形式，雖然工程量不大，但是容易在下游造成比較大的沖坑，不利于泄水建筑物的整體安全。洞內消能主要是通過洞內體型設計，使水流通過旋轉或突變實現消能，具有消能率高、體型布置靈活的優勢[2- 4]。但是，某水電站水頭高度較大，如果采用單一的內消能方式，會出現洞內流速過大、消能率不足的問題。基于此，文章基于分級消能思路，提出射流-旋流梯級內消能工，并通過數值模擬的方式驗證其合理性和可行性。

2 射流-旋流梯級內消能工

根據西安理工大學鄧淯宸等的研究成果[5]，結合該水電站的工程實際，提出射流-旋流梯級內消能工的分級消能工程設計思路。整個消能工由射流段、豎井段和旋流洞段三大部分組成，具體的工程設計示意圖如圖1所示。

圖1 射流-旋流梯級內消能工體型設計示意圖

射流段的體型設計主要包括進水口、收縮段和消能段三部分[4]。其中，進水口的洞徑按照校核洪水條件下的流量和流速進行計算，并設計一定的冗余量，最后確定為9.6m；進水口的曲線為頂面和兩面收縮的橢圓曲線設計，長軸和短軸長分別為9.6m和3.2m。收縮段是射流段的設計核心，其體型對消能率和水流流態有著重要影響。通過對比各種不同體型，最終選定收縮阻塞體型；收縮段的收縮比按0.435計算，孔口直徑為6.3m，收縮段的長度為7.8m。消能段的長度按照洞徑的5倍計算，最終選定為60.0m。

豎井段是上游的射流消能段和下游的旋流消能段之間的連接段，其體型設計也十分重要。根據設計泄洪流量計算，豎井段的直徑設計為14m，長度為108m。收縮后的直徑為9.6m，收縮段長度設計為4.2m。

旋流洞段主要由旋流段、阻塞段、擴散段及退水洞段四部分組成，退水洞段即原來的導流洞。其中，旋流段的洞徑設計為10.8m。阻塞段的主要作用是增壓減速，防止在與起旋器交接的部位出現負壓，該段的設計長度為10.2m，孔徑為3.75m。擴散段以及退水洞段均按照無壓隧洞設計。起旋器的進口直徑設計為5.7m，采用1/4橢圓曲線與旋流洞相切連接，另一側與豎井段偏心相交，其偏心距離設定為4.1m。在旋流段上方設有通氣孔，主要作用是對水流摻氣，避免水流的空化和空蝕破壞。通氣孔的直徑設計為3.2m，通氣孔的位置為偏心設計，距離旋流洞中心1.08m。排氣孔的作用是排除擴散段和退水洞水流中的空氣，共設計有5個排氣孔，前4個排氣孔的間距為12m，第4個與最后一個的間距為15m，總間距為51m。

3 消能效果的試驗研究

3.1 實驗設計

水力學問題往往比較復雜，影響因素眾多，采用物理模型試驗的方法進行研究和分析，對解決相關問題具有重要的幫助[5]。因此，研究中通過物理模型試驗的方式對提出的射流-旋流梯級內消能工的消能效果進行分析和驗證。鑒于本次研究的水流主要受到自身重力作用的影響，且流態主要位于阻力平方區，因此采用重力相似性準則進行模擬。結合研究的實際條件，采用1∶60的幾何比尺進行模型制作[6]。鑒于原型混凝土和有機玻璃的糙率分別為0.015和0.016，采用有機玻璃作為制作材料，不僅可以更好地擬合原型的糙率，還方便觀測水流的流態[7]。

模型試驗中的壓強采用壓力傳感器進行測量，測量數據可以通過多功能檢測系統記錄合格存儲[8]。壓強測點主要設置在消能裝置的射流段、起旋器以及旋流洞段，共設置測壓點185個。試驗中的流速采用KY- 1流速儀進行測量，共設置了19個流速測量斷面。由于本次研究中的設計流量小于0.1m3/s，因此采用薄壁三角堰進行測量。旋流角的大小利用量角器測量，鑒于旋流洞內存在十分強烈的紊動效應，應取多次測量的均值，以減小測量誤差。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1流速試驗結果與分析

根據模型試驗過程中獲得的數據，整理獲得如圖2和圖3所示的射流消能段和旋流消能段的流速矢量分布圖。由圖2、圖3可知，射流消能段進口部位的流速分布比較有規律，進入射流消能洞之后在前端洞壁兩側部位形成了一些小尺度的漩渦和回流。在尾水段，水流的流速開始減小并按照流速方向波動進入豎井。射流段的流速在20～21m/s之間，最大流速為24m/s，射流段的流速梯度較大，是射流消能的主體部分。在旋流段，水流形成了一定的漩渦，且漩渦會隨著氣水的擴散而發展[9- 10]。

圖2 射流消能段流速矢量圖

圖3 旋流消能段流速矢量圖

3.2.2壁面壓強試驗結果與分析

利用壁面壓強的試驗結果，繪制出如圖4和圖5所示的射流段和旋流段的壁面壓強分布圖。由圖4、圖5可知，射流段的壓強最小值一般為440～490kPa，且均位于射流段的頂部；旋流段的下空腔部位存在一定的負壓，空腔與水流交接部位之后的壁面壓強迅速增加，同時上壁面的壓強略小于下壁面的壓強，說明重力對該段的壁面壓強的影響比較有限。

圖4 射流消能段壁面壓強分布圖

圖5 旋流消能段壁面壓強分布圖

3.2.3紊動能試驗結果與分析

利用試驗中獲取的數據，對模型各段的紊動能進行計算，根據計算結果獲得如圖6和圖7所示的紊動能云圖。由圖6、圖7可知，在射流消能段，進口的紊動能強度較小，射流主流和洞內水體的交匯部位的紊動能最大，最大值達到了12.1m2/s2，說明該部位的水流紊動作用最為強烈，是消能的主要部分。同時，隨著水流向下游流動，水流的紊動能逐漸減小，在水流到達尾水段部位時，紊動能基本保持穩定。從旋流消能段來看，其紊動能基本在1.3～9.2m2/s2之間變動，其最大值位于空腔與水流的交界部位，說明氣水交界面部位的紊動作用最為強烈[11- 12]。

圖6 射流消能段紊動能云圖

圖7 旋流消能段紊動能云圖

3.2.4消能率計算結果與分析

根據試驗獲得的數據，對設計的射流-旋流梯級內消能工的總消能率進行計算，結果見表1。由計算結果可知，在不同工況下，消能工的總消能率在71.3%～82.3%之間，且上游水位越高，消能效果越明顯。從消能率來看，文章設計的消能工具有良好的消能效果，建議在工程設計中采用。

表1 消能率計算結果

4 結論

(1)射流段和旋流段水流的流速梯度較大，是消能的主體部分，其余部分的流速比較穩定。

(2)從紊動能云圖來看，射流段和旋流段水流的紊動能較大，是消能的主體部分，其余部分的紊動能較小，說明水流比較穩定。

(3)射流-旋流梯級內消能工的總消能率在71.3%至82.3%之間，且上游水位越高，消能效果越明顯。從消能率來看，文章設計的消能工具有良好的消能效果，建議在工程設計中采用。