某水電站泄洪閘消力池水力特性模型試驗與數值仿真分析研究

孫益松，葉柏陽，周松松

(1.江蘇淮源工程建設監理有限公司， 江蘇 淮安 223005；2.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

水電站泄洪閘作為重要的水利調控設施，其泄流狀態關乎水電站安全運營，但不可忽視上游水位具有較大勢能，即使經泄洪閘后亦會對下游水工結構設施造成沖擊磨損，影響水利工程使用壽命，因而考慮在泄洪閘下游建設消力池，開展消力池設計對消能作用具有重要意義[1- 3]。國內外已有諸多專家與學者開展了消力池等水工結構的水力特性研究，基于水工模型試驗研究，獲得水工結構在室內模擬實驗過程中的破壞過程，為水利設計提供重要參考[4- 6]。當然，在工程現場安裝監測傳感器，以實測數據推導水利工程未來運營狀況，進而評價消力池等水利結構安全狀態[7]。數值仿真作為一種研究復雜工況的高效率手段，以實際水工模型為基礎，再在數值仿真軟件中反演[8]，對比試驗結果，為準確獲取水利工程水力特性提供重要對比性參考。

1 工程概況與模型試驗

1.1 工程概況

某水電站為河流梯級電站中第五級，電站裝機容量為15萬kW，其中水工建筑設置有泄洪閘、導墻以及壩體，導墻分為左右兩側，與19個區段壩體連接，水電站蓄水位穩定在233～243m之間，泄洪閘設計高程較壩體頂部高程低6m，最大泄流量設計為31580m3/s，設有平面弧型鋼閘門作為泄流閘過水斷面導流設施，直徑約為2.6m，多孔式設計，以減少淤沙沉積至水閘入口處，閘門啟閉采用液壓程序控制，保證閘門開度合理精確，泄洪閘軸線上共有12個孔，單孔間隔為6m，閘墩以混凝土澆筑形成，閘墩承重平臺半徑為8m；導墻設置在左右側，厚度約為1.1m，墻底部在表面標高以下3.4m；19個壩體區段頂部高程為216m，壩軸線長度為90m，下游壩坡坡度為1∶3，在壩身設有挑坎，以弧形角跌坎形式設計，角度為45°；另泄洪閘下游設有底流消力池設施，寬度為80m，池底高程為207.5m，當上游洪水位發生變化時，下游消能池所面臨的水頭壓差變幅亦較大，對消能池進行重設計有助于降低泄洪閘水流對水工結構沖擊磨損效應。

地區內工程地質構造主要有褶皺與局部破碎帶斷層，均分布在水電站左右岸坡，褶皺延伸長度約為1.3km，斷層帶靠近消力池左導墻，但其破碎帶方向與消力池相反，故其對水工結構穩定性影響較低。消力池所在工程場地表面為第四系人工活動填土層，厚度約為2.5m，經設計部門鉆孔得知，該土層顆粒松散性較大，需對其夯實加固；下方土層為粉質壤土，分布范圍較廣，基本遍及水電站大壩以及消力池等水工建筑，其中導墻所在持力層即為該土層，強度中等，含水量測定為32%?；鶐r為弱風化片麻巖，巖體完整性較好，現場取樣表面無顯著孔隙，室內測試其強度較高，以水為流體介質測定的滲透系數較低，達10-19m/s，是水電站引水隧洞以及泄洪閘閘室基礎、閘墩等基巖層。考慮到消力池在泄洪過程中降低水力能量的沖擊作用，需重新設計消力池布置方案，以滿足不同頻率洪水位下泄洪消能需求。

1.2 模型試驗

為保證泄洪閘消能池設計能夠適應泄洪閘泄流特性，文章設計開展水工模型試驗，所建設的水工模型包括壩體、蓄水庫、回水渠等，按照模型長度比尺參數為80，樞紐建筑用抗沖擊有機玻璃制作，擋墻等水工建筑保護設施均以水泥砂漿抹面，上下游河床均按照實際工程鋪設巖土體覆蓋層，由于實際工程覆蓋層顆粒粒徑磨圓度較高、硬度較強，因而模型試驗中統一按照中值粒徑選取，圖1為模型試驗布置圖。

圖1 模型試驗布置圖

文章模型試驗主要針對消力池設計方案開展優化研究，因而通過設計多種設計工況下泄洪閘泄流特性模型試驗，獲得泄流區域內流場特征參數；另為保證模型試驗準確性，設計同步開展數值仿真試驗，為消力池設計提供參考。A方案：跌坎布設消力池樁號0+61m處，高程209.5m，尾坎坡度為1∶1.25，高程為211m；B方案：跌坎布設在樁號0+49m處，高程同樣為209.5m，另尾坎坡度與A方案一致，但高程為214m；A、B方案均無消力坎；C方案：跌坎布設在樁號0+49m處，池中設計有消力坎，坡度為1∶1，高程為214m，尾坎坡度為1∶1.25，高程為211m；原設計方案：跌坎布設在樁號0+49m處，池中設計有直墻坎，坡度為1∶1，高程為211.5m，尾坎坡度為1∶1.25，高程為211m。4個消力池設計方案幾何平面圖如圖2所示，以上述不同設計方案開展對比分析。

圖2 消力池設計方案幾何平面圖(單位:m)

2 數值仿真理論

文章流場仿真模擬利用RNG雙參數方程開展計算，流體介質運動服從下式[9- 11]：

(1)

而根據運動過程中的動量守恒，有下式：

(2)

以雙參數湍流模型表述流體湍動狀態，其方程表達式為

(3)

(4)

其求解依照紊流動黏度系數及Prandtl參數，方程求解為

(5)

(6)

其中

(7)

(8)

式中，σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε—試驗常數參數；YM—動量參數常數項；Gk、Gb—流場湍動能；μeff—有效黏度系數；Sk、Sε—與k、ε流場參數有關的常數項；αk、αε—Prandtl參數；ui、uj—流速；p—壓強；μ、μt—靜力、動力黏度系數；k、ε—流場參數。

自由液面處理假定在流體運動過程中服從質量流狀態，其參數方程表述為

(9)

式中，I—紊流強度；Re—雷諾數。

(10)

結合有限元離散插分迭代求解理論，結合動量運動與流場參數方程，得到有限元求解迭代離散方程

(11)

修定迭代獲得的流場特征參數，修正表達式為

(12)

式中，u′、v′、p′—修正后的流速與壓力值。

3 模型試驗與數值試驗對比分析

3.1 仿真模型與研究工況

限于篇幅與數值仿真計算量較大，文章以A～C三個方案開展計算分析，利用AutoCAD按照各個設計方案建立三維幾何模型，總長度約為300m，包括泄洪閘室以及消力池等重要水利設施，其中泄洪閘按照5孔式設計，模型如圖3所示，另設定X、Y、Z正方向分別指向下游、模型橫向垂直方向、模型向上豎向。模型共劃分網格138682個，節點數132689個，上、下游水為邊界條件分別為237.2、222.5m。

圖3 數值模型圖

3.2 數值結果分析

3.2.1壓強特征

圖4為4種設計方案與原設計方案消力池底部壓強分布特征云圖，從圖中可看出，4個方案在泄洪泄流口壓強均較小，其中B方案入口處壓強僅為7.5kPa，相比原設計方案泄洪閘水流出口處最低壓強降低了53.1%，究其原因，均是由于4種方案均在泄洪閘水流出口、消力池進水端前設置有跌坎，一定程度降低了閘室出口壓強。進入消力池后，A～C三個方案均在消力坎前端產生最大壓強值，其中A方案最大壓強達218.3kPa，原設計方案中由于并未設置消力坎，故而池中部并未出現壓強最大值，而是出現在尾坎。從消力坎布設來說，泄洪閘下泄水流在遇見消力坎后，水流狀態并未發生紊流或渦旋現象，整體還較為穩定，且最大壓強均分散在消力坎前對應的多孔水閘出流處，并未出現壓強集中現象，這有利于消力池安全穩定運營。

圖4 消力池壓強分布特征云圖

3.2.2流速特征

圖5為各設計方案下消力池內中心截面流速矢量分布云圖，由圖5中可知，消力池中最大流速均為20m/s左右，且分布在閘室出口與消力池進口前端；方案A～C池內消力坎前端出現水躍現象，且消力坎越靠近上游閘室，水流越易于逆流回閘室，另一方面消力坎布設高程愈高，坎前水流底部穩定性愈大，表明消力坎的存在能顯著降低消力池內活躍水流；從水躍層流速分布來看，中部流速最大，B方案中坎前中部流速高達20.3m/s，而下部流速較低，相比中間層與水流表面，要低1～2個量級，流速最低值均出現在該區域，分析是由于水流沖擊消力坎，回流至底部后能量耗散較多，流速降低至谷值。原設計方案中無消力坎設置，在池內下游段流速分布較大，高達17.3m/s，而A～C方案池內下游段流速相比前者分別降低了76.3%、60.4%、60.5%，即池內設置消力坎能降低下游水工設施受泄流沖擊影響。

圖5 消力池內流速矢量分布云圖

3.2.3水面線特征

圖6為各設計工況下消力池剖面上水面線分布特征，反映了水氣二相場占比，從泄洪閘室至消力坎前端，水面線逐漸下滑，通過消力坎后水面線有所爬升，但是在池內消力坎后又下降，直至尾坎出現小幅上升；當池內無消力坎時，即原設計方案中僅出現一次水面線的升降變化。從消力坎前水面線爬升來看，當同一高程下的消力坎，B方案愈靠近上游閘室時，其水面線上升愈高，最大高度達21.5m，C方案中消力池布設高程較高，但其坎后水面線爬升并不顯著，坎后水面線最大高度相比B方案降低了19.6%，表明消力坎布設高程應在合理范圍內，過高或過低均會影響其性能。對比無消力坎設計方案，有消力坎的池內中部出現水面線的二次變化，但在末端出口處水面線較為穩定，無消力坎設計方案在水流出口處受束縛作用較弱，水流活躍性高于A～C方案。

圖6 消力池剖面上水面線分布特征

3.3 模型結果與數值結果對比

文章選取典型工況開展數值結果與模型實驗結果對比，以C方案與原設計方案為分析對象，圖7為兩種試驗結果局部流態特征對比。從圖7中可看出，數值結果與模型試驗結果具有相似性，C方案中模型試驗水躍現象為遠驅式特征，其躍起高度高于對比方案中，數值結果與模型結果均是如此。圖7(c)為B方案的數值結果與模型實驗結果水面線特征對比，通過B方案的水面線二次下降變化在模型試驗中實測結果也可看出，在高程120.06m處，模型試驗測定水面線高程為22.5m，而在高程150.05m處時高程相比降低了26.7%，不論是從變化趨勢亦或是水面線量值來看，數值結果與模型試驗結果均吻合。

圖7 模型試驗與仿真試驗結果對比(左、右圖分別為模型試驗、數值仿真試驗結果)

圖8為C方案與原設計方案的出口處各深度的流速變化，沿水面至池底的流速整體呈先增后減的變化，流速以池中部為最大，達0.72m/s，出口池底部流速最低，相比峰值流速，降低了41.7%。兩方案的模型試驗結果與數值結果基本相近，C方案中僅池中部峰值流速所處水深發生一定變化，但誤差較低，其他深度的流速值基本接近，吻合度較高。原設計方案中沿水面至池底的流速整體亦為先增后減，但該方案池中部峰值流速相比C方案要高38.9%，且水面線以下各深度的流速均高于C方案，在池中部至池底部區段內流速降幅僅為13%。從出口處流速對比可知，相比原設計無消力坎方案，有消力坎的C方案經消力池后水流沖擊能量降低，對下游水工建筑結構沖擊磨損效應較低。

圖8 消力池出口處流速各深度上變化

4 結論

(1)有消力坎方案池中無壓力集中，跌坎可降低壓強，有、無消力坎方案最大壓強分別位于坎前端、尾坎，無消力坎壓強較高。

(2)各方案池內最大流速均約為20m/s，消力坎越靠近上游閘室，越易于逆流；A～C方案池內下游流速相比原方案分別降低了76.3%、60.4%、60.5%。

(3)有消力坎的池內中部水面線會出現二次降低，但布設高程應在合理范圍內，無消力坎方案在出口處受束縛作用較弱，水流較活躍。

(4)對比了模型試驗與數值仿真結果，流態特征中均有水躍現象，水面線變化與量值均吻合；有消力坎方案池中部峰值流速相比原方案要高38.9%。