低水頭水閘不護(hù)底消力池消能防沖研究

蒙文賓，楊 磊，曾 丹，李 昊(水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

底流消能設(shè)計(jì)原理是采取一定的工程措施促使下泄水流在限定范圍內(nèi)發(fā)生水躍，通過水流的內(nèi)部摩擦、摻氣及碰撞消耗能量，通過水躍后的水流以緩流狀態(tài)進(jìn)入下游，從而達(dá)到對(duì)下游河床和兩岸岸坡的保護(hù)，進(jìn)而確保整個(gè)水利工程的安全。但低水頭水閘下泄水流普遍存在弗勞德數(shù)較小、消能率低、水躍不穩(wěn)定及對(duì)下游沖刷嚴(yán)重等問題，故消能防沖成為該類水閘設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，不可避免的增加了混凝土工程量和成本投入。對(duì)于低水頭水閘，多采用護(hù)底消力池來消殺下泄水流能量，并常在底流消力池中添加輔助消能工以求達(dá)到良好的消能效果。當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)護(hù)底消力池研究較為成熟，常用的底流消力池有ISI 型、USBR-Ⅳ型、SAF 型和T 型等若干種形式，其中在國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的T型墩消力池具有池長短、消能效率高、池后水深低、消能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益顯著以及適應(yīng)較大尾水變幅等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。王海軍等研究結(jié)果表明跌坎型底流消能工能有效解決高水頭、大單寬流量消力池水力學(xué)指標(biāo)過高的問題[3]。王均星在底流消能研究中發(fā)現(xiàn)趾墩、消力墩、尾檻都對(duì)縮減消力池的長度、消減高速水流能量起到很大作用[4]。張春財(cái)?shù)妊芯空J(rèn)為采用寬尾墩和消力池聯(lián)合消能，能較好地解決消力池內(nèi)水流流態(tài)不穩(wěn)定的現(xiàn)象[5]。烏東德水電站消能區(qū)巖石堅(jiān)硬、抗沖刷能力強(qiáng)，長江設(shè)計(jì)公司充分利用壩下水墊塘的優(yōu)越條件，首次提出“護(hù)岸不護(hù)底”的消能方案[6]，但對(duì)于低水頭水閘基巖巖性較好，直接利用開挖后的基巖作為消力池底板而不進(jìn)行護(hù)底的研究很少見。

鄧軍等研究表明，將巖塊搬到下游造成沖坑的決定因素是水流速度。在實(shí)際工程中，一般用水流流速與基巖抗沖流速來判斷基巖是否發(fā)生沖刷，并給出了考慮基巖破壞后不同巖塊特性下的抗沖流速計(jì)算公式[7]。本文以幸福堰攔河閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)為依托，充分考慮其優(yōu)越的地質(zhì)條件，以巖石抗沖流速理論和水力學(xué)計(jì)算以及數(shù)值模擬相互印證，從而判定采用消力池不護(hù)底消能的科學(xué)合理性。

1 工程概況及消力池設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

幸福堰攔河水閘始建于1973年，位于咸寧市汀泗河流域中下游，地處咸安區(qū)汀泗橋鎮(zhèn)西河村。水閘主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。為徹底根除水閘的隱患，確保水閘以及堤防的行洪安全，更好地發(fā)揮工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)幸福堰攔河水閘工程進(jìn)行了全面除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。加固后水閘從右岸到左岸分別為新建1孔灌溉閘、新建實(shí)用堰、新建3孔攔河閘、原實(shí)用堰；樞紐工程順?biāo)飨虿贾茫轰伾w、攔河閘+灌溉閘+實(shí)用堰、消力池斜坡段、消力池水平段及海漫。新建灌溉閘底高程為22.30 m，攔河閘底高程20.60 m，閘頂高程26.00 m，實(shí)用堰堰頂高程23.40 m，攔河閘段兩岸導(dǎo)墻高程為26.00 m，消力池段兩岸導(dǎo)墻為25.15 m；攔河閘正常擋水位為上游23.40 m，下游水位19.80 m；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)入庫洪峰流量為582.00 m3/s，上游水位為25.23 m，下游水位為24.80 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)入庫洪峰流量為780.00 m3/s，上游水位為25.50 m，下游水位為25.45 m[8]。因設(shè)計(jì)水頭4.63 m<30.00 m，故此水閘為低水頭水閘[9]。幸福堰攔河水閘平面布置圖如圖1所示。

圖1 水閘平面布置圖(高程：m，尺寸：mm)Fig.1 The plane arrangement chart of sluice(Elevation: m, Size:mm )

1.2 地形地質(zhì)條件

本區(qū)域內(nèi)以低山、丘陵地貌形態(tài)為主，河谷多為“U”型谷。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告：河道表層分布沖積砂卵石，厚度為0.15～0.93 m，其下為二疊系灰?guī)r，不存在低臨谷分布。原實(shí)用堰段下游基巖面高程19.20 m，新建實(shí)用堰段下游基巖面高程19.40 m，攔河閘段下游基巖面高程18.50 m，海漫基巖面高程19.40 m。原灌溉閘、攔河閘以及新建水閘基礎(chǔ)均直接坐落于弱風(fēng)化灰?guī)r上。河床基巖較為堅(jiān)硬，整體結(jié)構(gòu)好，其抗沖流速為11.00～13.00 m/s，可界定為難沖基巖，承載力為800.00 kPa。

1.3 消力池設(shè)計(jì)及布置

根據(jù)閘址地質(zhì)情況、水力條件、閘門調(diào)控運(yùn)行方式等因素綜合分析，水閘消能布置形式采用下挖式消力池，與閘底板通過坡度為1∶4的斜坡面銜接。由于閘址河床灰?guī)r堅(jiān)硬，整體結(jié)構(gòu)好，抗沖能力強(qiáng)，因此將消力池段直接開挖至基巖面，作為消力池底板。

通過小流量初排工況進(jìn)行消力池水力計(jì)算，即上游正常擋水位23.40 m，下游最低水位19.40 m時(shí)開閘排水，計(jì)算開啟1孔、2孔、3孔，閘門依次每級(jí)提升高度0.30、0.60、0.90、…、2.10 m，分別計(jì)算排水過程(閘孔出流或堰流)及相應(yīng)下游共軛水深，判斷下游是否產(chǎn)生淹沒水躍，尋找最不利工況，確定消力池尺寸[10]。

水閘消能防沖計(jì)算成果見表1。

由消能防沖計(jì)算可知：最大消力池池深0.82 m，最大消力池底板長度12.31 m。由于攔河閘段下游基巖面頂高程為18.50 m，左右兩側(cè)溢流堰段下游基巖面高程分別為19.20和19.40 m，故新建消力池底板高程在各建筑物后并不相同，呈與基巖面高程相適應(yīng)的階梯狀。其開挖深度在攔河閘段為0.93 m、左右兩側(cè)溢流堰段下游分別為0.20和0.60 m。攔河閘段消力池水平段長度13.00 m，斜坡段水平投影長度8.40 m，消力池總長21.40 m，池深0.90 m，以1∶9.5的坡度與左右兩側(cè)消力池底板銜接。幸福堰攔河水閘消力池平面布置圖詳見圖1。

表1 水閘消能防沖計(jì)算成果Tab.1 The calculation results of the sluice'sdissipation and anti-scouring

2 消力池消能防沖數(shù)值模擬

雖然由水力學(xué)計(jì)算以及地質(zhì)條件確定出幸福堰水閘采用不護(hù)底消力池形式，并對(duì)其具體尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，但水閘下泄水流水力特性較為復(fù)雜，為了驗(yàn)證水力計(jì)算的準(zhǔn)確性以及進(jìn)一步了解不同工況下的消力池水力特性，選用Flow-3D對(duì)消力池消能防沖進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

從水力計(jì)算中選擇了幾組典型工況進(jìn)行數(shù)值模擬，具體工況和參數(shù)詳見表2。

表2 數(shù)值模擬工況Tab.2 Condition of numerical simulation

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

Flow-3D能導(dǎo)入諸多CAD軟件建立的幾何模型stl文件，在catia中建立幾何模型并導(dǎo)入Flow-3D中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，幾何模型及網(wǎng)格劃分布置見圖2，網(wǎng)格尺寸為x=y=z=0.22 m，總網(wǎng)格數(shù)約390.00萬個(gè)。

圖2 幾何模型示意圖及網(wǎng)格劃分Fig.2 The schematic diagram of geometric model and mesh generation

2.2 初始邊界條件及數(shù)值計(jì)算方法設(shè)定

3種工況下初始條件壓力均采用靜水壓力。上下游均為壓力邊界，流體體積分?jǐn)?shù)為1，水位分別為23.40和19.80 m；底部及左右兩側(cè)均為壁面邊界；頂部為壓力邊界，流體體積分?jǐn)?shù)為0。紊流模型采用RNGk-ε模型，壓力求解器選用廣義極小殘差算法(GMRES)，基于壓力隱式求解法(Implicit)；計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)輸出間隔1 s，輸出數(shù)據(jù)有流速、壓力、水的體積分?jǐn)?shù)、自由液面高程、摻氣量等[11]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 流態(tài)及水面線

為驗(yàn)證水力計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，以上游閘墩水流入口處為起點(diǎn)，將主流方向水深計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表3所示，并繪制了三種工況下主流的水面線，如圖3所示。

表3 主流方向水深計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of water depth in main flow direction

圖3 主流水面線Fig.3 The main flow's water surface profile

通過對(duì)比分析，兩者的計(jì)算結(jié)果比較吻合：下泄水流與消力池尾坎碰撞后在消力池內(nèi)發(fā)生水躍和擴(kuò)散，消力池內(nèi)水躍充分，靠近尾坎主流兩側(cè)產(chǎn)生的回流(最大流速2.50 m/s)擴(kuò)散到兩岸導(dǎo)墻后再次折返流向下游；工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ發(fā)生水躍的起點(diǎn)位置距離消力池入口分別為6.40、4.40、0.70 m，水面線雍高最高為2.30 m(工況Ⅰ)，最低為1.40 m(工況Ⅲ)。消力池出口水流迅速跌落進(jìn)入海漫，海漫段水流分布均勻，流態(tài)穩(wěn)定，沒有太大波動(dòng)向下游傳播。以工況Ⅲ為例，消力池底部流態(tài)較穩(wěn)定，回流和湍動(dòng)主要發(fā)生在中部和表面，水流在流出消力池尾部后的湍動(dòng)能趨近于零，說明具有較高消能率，主流湍動(dòng)能見圖4。

圖4 主流湍動(dòng)能(單位：kg·m2/s2)Fig.4 The main flow's turbulent kinetic energy

3.2 流速大小及消能效果

以上游閘墩水流入口處為起點(diǎn)，將主流方向流速計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表4所示，并繪制了三種工況下主流的平均流速，如圖5所示。

表4 主流方向水流平均流速計(jì)算結(jié)果 m/sTab.4 Calculation results of mean velocity in main flow direction

圖5 主流流速Fig.5 The main flow's velocity

通過對(duì)比分析，兩者的流速大小比較吻合：水流從閘墩尾部到水躍發(fā)生前，主流流速逐漸增大。其中，在閘墩尾部流速最小為5.30～5.53 m/s(工況Ⅰ)，最大為7.20～8.10 m/s(工況Ⅲ)；消力池入口處流速最大為8.60～9.02 m/s(工況Ⅱ)，在躍前水深h1處流速最大為8.81～9.34 m/s(工況Ⅰ)，在水躍發(fā)生段由于水流旋滾和相互碰撞消殺大部分能量促使流速急劇下降到2.41～2.44 m/s(工況Ⅰ)，水流從尾坎進(jìn)入海漫由于水面跌落使得流速增大為2.50～4.00 m/s。各工況下消力池內(nèi)主流最大流速為8.81～9.34 m/s(工況Ⅰ)小于基巖抗沖刷流速(11.00～3.00 m/s)。

不同工況下消力池消能效率對(duì)比如表5所示，消力池效能效果明顯。

表5 消能效率對(duì)比Tab.5 The comparison of energy dissipation's efficiency

4 結(jié) 語

通過幸福堰攔河閘在不同工況下的水力計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果可知，下泄水流在消力池內(nèi)發(fā)生水躍和擴(kuò)散，消力池內(nèi)水躍充分。池內(nèi)主流兩側(cè)雖有回流，但沒有不良流態(tài)產(chǎn)生，水流進(jìn)入海漫后流速較低，波動(dòng)不大，消力池消能效果明顯。消力池內(nèi)最大流速未超過基巖抗沖流速，說明在地質(zhì)條件優(yōu)越的基巖上采用不護(hù)底消力池完全能滿足消能防沖要求，同時(shí)也為類似低水頭水閘消能工程提供了設(shè)計(jì)支撐與參考。由于本工程屬中小型水閘，并未進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，若為大(1)型、大(2)型或中型水閘，則必須輔助水工模型試驗(yàn)分析論證。

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