董箐水電站工程溢洪道寬大泄槽摻氣設(shè)施設(shè)計

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(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081)

1 概 況

董箐水電站位于貴州省貞豐縣與鎮(zhèn)寧縣交界處，裝機(jī)容量880MW，為Ⅱ等大(2)型工程。開敞式溢洪道布置在左岸，引渠底板高程460m，堰頂高程468m，堰頂為4孔出流，孔口尺寸為13m×22m(寬×高)，泄槽等寬段凈寬50m、長680m，縱坡i=7.50%，采用挑流消能。溢洪道在校核洪水位493.08m時，最大泄流量13347.07m3/s，相應(yīng)單寬流量266.94m3/(s·m)，最大流速37.64m/s。

溢洪道在采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行兩側(cè)摻氣坎水力學(xué)模型試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在泄槽中部位置坎后空腔回水較多，補(bǔ)氣空腔較小。分析認(rèn)為，寬大泄槽由于氣流被靠近摻氣孔位置的水流帶走，導(dǎo)致中間部位水流摻氣效果差，泄槽中部存在摻氣不足的可能。為此，董箐水電站對摻氣坎的摻氣方式進(jìn)行了研究，從重點(diǎn)解決泄槽中間部位摻氣的思路出發(fā)，設(shè)計了寬大泄槽摻氣坎新體型。經(jīng)計算分析，新型摻氣坎的摻氣效果明顯好于傳統(tǒng)摻氣坎，并經(jīng)實際泄洪觀察，泄槽內(nèi)水流摻氣效果良好。

2 摻氣設(shè)施設(shè)計方案

董箐水電站溢洪道摻氣坎采用簡單的挑坎式，泄槽為直坡矩形結(jié)構(gòu)，分別在樁號0+200m(摻氣坎一)、0+350m(摻氣坎二)及0+500m(摻氣坎三)位置設(shè)置了3道摻氣坎，摻氣有效保護(hù)長度150m。3道摻氣坎的水平長度均為20m，坎高分別為3m、2m、2.5m。在泄槽兩側(cè)邊墻設(shè)置常規(guī)摻氣孔，為2.0m×1.0m的矩形斷面，可以有效補(bǔ)充邊墻附近的水流摻氣。同時為保證泄槽中部水流充分摻氣，設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)氣通道向泄槽中部的水流補(bǔ)氣。采用圓形不銹鋼鋼管作為進(jìn)氣通道，鋼管將空氣直接引至泄槽中部。鋼管澆筑在邊墻和挑坎中，通氣主管直徑1m，在挑坎直立面從邊墻側(cè)至泄槽中間依次布置摻氣支管，間距3m，依次布置3根直徑400mm和1根直徑1000mm的摻氣支管，管徑由小到大，在泄槽中間部位支管管徑最大，以保證能夠有充足的空氣到達(dá)泄槽中部。這種組合方式保證了摻氣坎全斷面均勻摻氣的效果。

新型摻氣坎結(jié)構(gòu)軸測圖見圖1，大樣圖見圖2。

圖1 新型摻氣坎結(jié)構(gòu)軸測圖1—泄槽底板；2—摻氣坎；3—邊墻內(nèi)豎向摻氣鋼管；4—常規(guī)摻氣孔；5—挑坎內(nèi)橫向摻氣鋼管；6—φ400摻氣支管；7—φ1000摻氣支管

圖2 摻氣坎結(jié)構(gòu)大樣圖

3 數(shù)值計算分析

采用數(shù)值計算方法對這種新型摻氣坎的摻氣效果進(jìn)行分析，以3000m3/s常遇泄量工況作為計算條件。

傳統(tǒng)摻氣坎和新型摻氣坎的數(shù)值計算采用k-ε紊流模型。計算時，假定模型中每個單元網(wǎng)格體積均為1，當(dāng)單元網(wǎng)格中沒有氣體全部為水時αw=1；當(dāng)單元網(wǎng)格中沒有水全部為氣體時αw=0；當(dāng)單元網(wǎng)格中為水氣混和體時αw在0～1之間。k-ε紊流模型引入VOF法，體積分?jǐn)?shù)采用加權(quán)平均。

圖3 傳統(tǒng)摻氣坎單元格氣體含量比例分布示意圖

傳統(tǒng)摻氣坎和新型摻氣坎單元格氣體含量比例分布見圖3、圖4。對計算圖形進(jìn)行分析，可以看出新型摻氣坎的摻氣效果比傳統(tǒng)摻氣坎明顯要好，傳統(tǒng)摻氣坎底部單元格內(nèi)氣體含量比例基本在0.2～0.4之間，而新型摻氣坎在0.6左右，最大達(dá)到0.7，增大約2～3倍。兩種摻氣坎后的空腔長度分別為11m和14.2m，新型摻氣坎的摻氣空腔長度比傳統(tǒng)摻氣坎增加3.2m。

圖4 新型結(jié)構(gòu)水氣兩項體積分?jǐn)?shù)分布示意圖

以上數(shù)值計算分析成果，雖然只計算了模型單元格中空氣的含量比例和挑坎射流空腔長度，未考慮的邊界條件比較多，但這兩項參數(shù)是評價摻氣坎摻氣效果的最直接指標(biāo)。通過初略的計算分析，新型摻氣坎在寬大泄槽的摻氣效果明顯好于傳統(tǒng)摻氣坎。

4 工程運(yùn)行情況

從2010年汛期至今，董箐水電站溢洪道經(jīng)過了多次泄水檢驗，最大泄量約3000m3/s。經(jīng)實際觀測，溢洪道泄槽內(nèi)水流流態(tài)較好，水流呈雪白色，表明摻氣效果良好。泄槽流態(tài)及摻氣效果見圖5。

圖5 溢洪道泄槽流態(tài)及摻氣效果

5 結(jié) 語

對于寬大泄槽摻氣設(shè)施的研究目前存在幾個問題：一是關(guān)于泄槽摻氣的研究都是針對縱向摻氣效果方面，未見有對寬大泄槽的橫向摻氣均勻性和泄槽中部摻氣效果方面的研究；二是目前的研究成果基本都是基于泄洪洞窄泄槽的摻氣體型，所涉及的摻氣設(shè)施規(guī)模都比較小，對寬大泄槽的大型摻氣體型設(shè)計與研究方面開展的工作卻不多；三是當(dāng)前對溢洪道泄槽寬度方面的研究較少，規(guī)范中也沒有對泄槽的單槽寬度作相關(guān)要求和說明。

董箐水電站工程溢洪道摻氣設(shè)施研究采用水力學(xué)模型試驗、數(shù)值計算分析等方法，設(shè)計出了一種適應(yīng)寬大泄槽的新型摻氣結(jié)構(gòu)體型，計算分析和實際運(yùn)行結(jié)果表明：

a.新型摻氣坎保留了兩側(cè)邊墻的通氣孔，兩側(cè)通氣孔可以有效補(bǔ)充邊墻附近的水流摻氣，鋼管將空氣直接引至泄槽中部，改善了泄槽中間部位的摻氣效果，這種組合方式保證了摻氣坎全斷面均勻摻氣的效果。

b.新型摻氣坎能有效解決寬大泄槽中部摻氣的技術(shù)難題，根據(jù)泄槽寬度的不同，可以調(diào)整鋼管的直徑和沿線開孔的位置，結(jié)構(gòu)簡單、施工方便，摻氣效果更明顯、均勻。類似工程應(yīng)用時，可以根據(jù)實際需要，并結(jié)合大比尺模型試驗調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)。