石橋水電站溢洪道進(jìn)口體型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

朱少楠

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110000）

1 研究背景

石橋水電站是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、養(yǎng)殖、旅游等功能的綜合性小型徑流式水電站，壩址位于遼寧丹東鳳城市的愛河下游干流上，屬于愛河水力資源梯級開發(fā)的重要規(guī)劃工程[1]。根據(jù)相關(guān)工程規(guī)劃，石橋水電站的設(shè)計(jì)庫容3 664 萬m3，裝機(jī)容量9 600 kW[2]，電站大壩為混凝土重力壩設(shè)計(jì)，最大壩高為34.35 m，壩頂寬7.00 m，坡比為1∶0.7。

電站采用的表孔溢洪道設(shè)計(jì)，總長度為113.62 m，主要由引渠段、控制段、圓弧段、斜坡段、反弧段和挑坎段組成，其中，引渠段長度為31.49 m，底板高程為321.50 m，控制段長度為30.00 m，頂高程為342.20 m，圓弧段采用的是WES 堰型設(shè)計(jì)，堰寬12.00 m，堰頂高程為325.00 m，泄槽段和反弧段的側(cè)墻高為12.00 m，反弧段半徑為38.726 m，挑坎段的挑流鼻坎寬度為12.00 m，反弧段的半徑為25.50 m，挑角32.20°。由于溢洪道進(jìn)口的部分部位存在風(fēng)化巖層，地質(zhì)條件不夠理想，在進(jìn)口設(shè)計(jì)過程中，采取兩端不對稱的形態(tài)，以避開風(fēng)化不穩(wěn)定的部位。其中，進(jìn)口的左側(cè)為高導(dǎo)流墻設(shè)計(jì)，長25.00 m、高3.00 m；右側(cè)為依附山體，長35.00 m，高10.00 m，坡度為1∶0.5 的傾斜邊墻設(shè)計(jì)。

2 進(jìn)口導(dǎo)流墻優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

由于水電站泄洪過程中，行進(jìn)中的水頭由低到高以一定的進(jìn)水角進(jìn)入溢洪道進(jìn)口，可能會(huì)產(chǎn)生比較大的環(huán)流量，產(chǎn)生吸氣漩渦的可能性比較大[3]。由于來水水流的分布并不均勻，同時(shí)受到不規(guī)則進(jìn)口邊界的影響，導(dǎo)流墻并不能充分發(fā)揮應(yīng)有的導(dǎo)流作用，因此水流容易發(fā)生大角度的擾流作用，進(jìn)而造成控制段兩岸的水體分布極不均勻，對溢洪道的整體流態(tài)分布造成直接影響[4]。基于上述分析，結(jié)合電站溢洪道進(jìn)口的實(shí)際情況，提出如下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：利用與溢洪道縱軸平行的2道平直導(dǎo)流墻代替原方案中的喇叭口翼墻，直墻的高度設(shè)定為13.60 m，長度為20.00 m，在進(jìn)口的外側(cè)2.00 m 的部位設(shè)置2 道平行的直墻，頂部為直徑1.80 m 的半圓柱設(shè)計(jì)，以減小水流在此處的爬高，起到改善收縮效應(yīng)的作用。為了驗(yàn)證優(yōu)化方案的合理性和有效性，研究中通過數(shù)值模擬的方式對原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案條件下的水力特征進(jìn)行模擬計(jì)算。

3 優(yōu)化方案的數(shù)值模擬分析

3.1 三維計(jì)算模型的構(gòu)建

結(jié)合ANSYS 軟件的優(yōu)勢和研究對象的特征，此次模擬分析選用ANSYS 軟件進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建。針對研究的實(shí)際需求，利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對模擬計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]，對引渠段和溢洪道沿程的底板以及導(dǎo)流墻部位進(jìn)行加密處理，最終獲得網(wǎng)格數(shù)量為76萬左右，模型尺寸在2 ～100 cm之間，原方案和優(yōu)化方案進(jìn)口部位的網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 進(jìn)口網(wǎng)格劃分示意圖

計(jì)算過程中，導(dǎo)流墻、引渠段以及溢洪道底板設(shè)定為無滑移固壁邊界條件，利用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理邊界層的流動(dòng)；上游進(jìn)口設(shè)計(jì)為壓力進(jìn)口條件，以校核水位條件下的平均流速作為進(jìn)口部位的初始條件；下游挑流出口設(shè)置為壓力出口條件，無需控制出口水位條件[6]。

研究中利用RNGk-ε模型對溢洪道進(jìn)口湍流進(jìn)行模擬，利用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散[7]。研究中，利用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法進(jìn)行研究區(qū)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)模型計(jì)算，時(shí)間步長設(shè)定為0.001 s，以保證計(jì)算結(jié)果收斂；在流動(dòng)基本趨于穩(wěn)定之后，逐步將計(jì)算步長調(diào)整為0.050 s，以提高計(jì)算的效率。在迭代計(jì)算至模型進(jìn)出口的流量誤差小于5%時(shí)，認(rèn)為計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 進(jìn)口流態(tài)

利用構(gòu)建的數(shù)值計(jì)算模型對2 種方案溢洪道進(jìn)口的流態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知，在原設(shè)計(jì)方案條件下，溢洪道引渠段兩側(cè)的來流存在十分明顯的不均勻現(xiàn)象，由于兩岸的導(dǎo)流墻設(shè)計(jì)形態(tài)不同，右側(cè)導(dǎo)流墻為靠近山體的傾斜平板結(jié)構(gòu)，因此入口區(qū)域的流速分布明顯不均勻，同時(shí)受進(jìn)口地形以及橫向水流等因素的綜合影響，水流難以平順進(jìn)入閘室內(nèi)。此外，在原設(shè)計(jì)方案條件下，存在面積比較大的旋滾水流雍高區(qū)域，水流明顯向左邊墻部位集中，造成水流脫離固體邊界產(chǎn)生水流分離區(qū)，產(chǎn)生了寬度大約為13 m 的漩渦。由此可見，原設(shè)計(jì)方案的水流流態(tài)極不穩(wěn)定，極易引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，進(jìn)而威脅到水工建筑物的安全。

優(yōu)化方案條件下，原方案下庫區(qū)水流的紊亂流態(tài)有一定的改善，水流的滾漩和漩渦基本消失。同時(shí)，進(jìn)口的導(dǎo)流墻發(fā)揮一定的阻水作用，水流在靠近左岸邊墻時(shí)產(chǎn)生了一定的回流現(xiàn)象，但是對整體流態(tài)的影響相對較小。總體而言，下瀉水流的流線分布比較均勻，進(jìn)口流態(tài)得到顯著改善，優(yōu)化效果十分明顯。

3.2.2 沿程水位

利用構(gòu)建的模型對原方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的沿程水位進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖2所示的沿程水位線圖。

由圖2（a）可知，在原設(shè)計(jì)方案條件下，水流流態(tài)不佳，水位沿程呈現(xiàn)出比較明顯的波動(dòng)起伏特征，在控制段至圓弧段，溢洪道左岸水位呈現(xiàn)出明顯的雍高，兩岸水位差最大值為2.01 m，水面橫比降達(dá)到0.18。溢洪道斜坡段以下部位逐漸轉(zhuǎn)換為左邊低右邊高的態(tài)勢，但是水面線分布不均的情況仍存在。原方案條件下的水位沿程分布特征不理想。

由圖2（b）可知，在優(yōu)化方案條件下，由于改進(jìn)后的導(dǎo)流墻對引渠段的水流紊動(dòng)作用產(chǎn)生了明顯的限制作用，對下瀉水流的疏導(dǎo)更為有利，沿程水位分布的均勻度明顯提高，特別是控制段至圓弧段，溢洪道左右兩岸的沿程水位分布較均勻，圓弧段的水位超高最大值為0.76 m，挑流消能段的水體波動(dòng)雖然有所加大，但是幅度明顯偏小，符合水位設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 堰面壓強(qiáng)

利用構(gòu)建的模型對堰面壓強(qiáng)水頭進(jìn)行計(jì)算，各主要測點(diǎn)的壓強(qiáng)水頭如表1 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，底板的圓弧段壓強(qiáng)較小，在泄槽和挑坎段明顯增大。其中，圓弧段存在比較明顯的負(fù)壓，可能會(huì)誘發(fā)水流空化，不利于底板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在優(yōu)化方案條件下，沿程壓強(qiáng)的峰值分別出現(xiàn)在WES堰面部位和下游的挑流消能部位，圓弧段部分區(qū)域仍存在負(fù)壓，但是負(fù)壓值極小，不會(huì)對水工結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響。由此可見，優(yōu)化方案在減小底板壓強(qiáng)的峰值和圓弧段負(fù)壓方面存在明顯的作用，優(yōu)化效果良好。

圖2 沿程水位線

4 結(jié)語

此次研究通過數(shù)值模擬的方法對石橋水電站對非對稱來流條件下的溢洪道進(jìn)口體型進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證結(jié)果顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對改善溢洪道水力特征具有顯著作用，可以對溢洪道的工程設(shè)計(jì)提供有益的支持，研究方法本身對相關(guān)類似工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)也有一定的借鑒價(jià)值。另一方面，此次研究沒有考慮導(dǎo)流墻附近的脈動(dòng)壓力，對計(jì)算結(jié)果存在一定的影響，在今后的研究中，需要進(jìn)一步完善研究機(jī)理，提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確度。

表1 各測點(diǎn)壓強(qiáng)水頭m