有壓泄洪洞彎道壓力特性數(shù)值模擬與試驗研究

姜　攀，尹進步，何武全，徐自立

有壓泄洪洞彎道壓力特性數(shù)值模擬與試驗研究

姜攀，尹進步，何武全，徐自立

（西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西楊凌712100）

有壓泄洪洞轉(zhuǎn)彎段容易出現(xiàn)負(fù)壓問題，嚴(yán)重的可能影響泄洪洞的運行安全。根據(jù)κ-ε模型，運用數(shù)值模擬方法對石門水庫有壓泄洪洞，在閘門全開、局開及不同庫水位條件下的洞身轉(zhuǎn)彎段壓力特性進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：有壓泄洪洞水流在轉(zhuǎn)彎段存在明顯偏流特性，形成凹岸壓力大、凸岸壓力小、頂部有較大負(fù)壓區(qū)現(xiàn)象；閘門全開時，庫水位較低，彎道前半段洞頂容易出現(xiàn)負(fù)壓，隨著庫水位的升高，壓力逐漸增加；庫水位保持不變時，隨著閘門開度的減小，洞頂?shù)蛪簠^(qū)壓力也不斷增加。數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗結(jié)果吻合良好。該研究結(jié)果表明，通過閘門開度的調(diào)整，既可避免不安全運行方式的出現(xiàn)，也可提高泄洪洞的運行靈活性。

有壓泄洪洞；壓力特性；數(shù)值模擬；模型試驗

0　概述

泄洪洞是水利水電工程中一種比較常用的泄水建筑物，其布置方式一般有兩種，一種是前有壓、后無壓的布置方式，一種是全有壓的布置方式。溪洛渡、錦屏一級、小灣等大型水電站，泄洪落差超過200 m，泄量為4 000 m3/s左右，流速近50 m/s，為了分擔(dān)壩身泄洪流量，同時減小閘門的工作水頭，均在岸邊采用了前有壓、后無壓的泄洪洞布置方式［1］。受工程造價、施工條件、工程進度、運行要求及布置等方面原因影響，部分中小型水電工程泄洪洞采用了全有壓的布置方式，猴子巖2號泄洪洞、庫什塔依水電站泄洪洞、馮家山右岸泄洪洞等均采用了全有壓的布置方式。對于全有壓泄洪洞而言，一般工作閘門布置在末端出口附近，因此運行期間必須保證洞身全程有壓，且洞頂以上應(yīng)有不小于2.0 m的壓力水頭［2］，否則上游轉(zhuǎn)彎段就容易出現(xiàn)低壓或負(fù)壓問題，特別是負(fù)壓容易導(dǎo)致水流空化現(xiàn)象發(fā)生，對建筑物運行存在一定安全威脅。位于漢中的石門水庫左岸泄洪放空洞就出現(xiàn)該問題。石門水庫位于漢江上游支流褒河峽谷出口以上1.8 km，距漢中市18 km，總庫容1.098億 m3，電站裝機40.5 MW，設(shè)計年發(fā)電量1.41億kW·h，為大（II）型工程，主要建筑物為2級，次要建筑物為3級。2001年～2006年實施了水庫除險加固工程，在左岸增設(shè)了1條非常規(guī)泄洪放空洞，使水庫校核洪水標(biāo)準(zhǔn)提高到千年一遇。泄洪洞布置形式如圖1所示，0+039.7～0+073.298為第1段平面彎道，轉(zhuǎn)彎半徑為35 m，角度55°，0+120.070～0+192.949為下坡段與前后兩個豎向轉(zhuǎn)彎過渡段，其豎向彎道半徑均為35.0 m，角度為43.511°，2個彎道間設(shè)置縱向坡比為1∶1的直線段，0+0228.298～0+0262.328為第2段平面彎道，轉(zhuǎn)彎半徑為50.0 m，角度為39°；根據(jù)前期試驗結(jié)果，為了解決第1個平面彎道中的負(fù)壓問題，在0+192.949～0+202.949之間，隧洞截面半徑從3.4 m變?yōu)?.0 m。

圖1　泄洪洞剖面布置示意（單位：m）

盡管如此，前期的試驗仍發(fā)現(xiàn)，石門泄洪洞運行還存在以下問題：①閘門全開只能在高水位時運行，低水位運行時，第1個平面轉(zhuǎn)彎段仍存在較大負(fù)壓區(qū)；②小流量運行時，洞內(nèi)容易出現(xiàn)明滿流交替的過渡狀態(tài)。有壓隧洞存在明滿流交替的運行狀態(tài)，極易導(dǎo)致洞壁振動及高速水流空化空蝕破壞，將給泄洪建筑物的安全帶來隱患［3］。為了消除或減小運行中存在的這些隱患，本文采用數(shù)值模擬的方法對泄洪洞轉(zhuǎn)彎段洞身壓力特性進行研究。

1　數(shù)值模擬方法與邊界處理

在泄洪洞壓力特性數(shù)值模擬研究方面，國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究工作。馬旭東［4］用κ-ε的紊流模型和動網(wǎng)格模型成功對中閘室關(guān)閉過程中的閘后泄洪洞水力特性進行了數(shù)值模擬，得到了泄洪洞底板及側(cè)壁的壓力特性；徐國賓［5］用RNG的κ-ε模型，對新疆某深孔泄洪洞進行數(shù)值模擬，得到了泄洪洞洞底壓力特性，與模型試驗測量值吻合較好；張宏偉［6］運用VOF方法對錦屏一級泄洪洞有壓彎道進行數(shù)值模擬，詳細研究了不同轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)彎角度對出口壓力分布的影響；沙海飛［7］采用雷諾應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型（RSM）對不同流速、彎道半徑和轉(zhuǎn)角的有壓彎道進行了計算，給出了彎道內(nèi)外壓差和最低壓力的分布規(guī)律。根據(jù)上述研究經(jīng)驗，本文也采用RNG 的κ-ε的數(shù)值模擬方法對石門泄洪洞有壓彎道在不同運行條件下的壓力特性進行研究。

1.1紊流模型

采用N-S方程建立泄洪洞的三維水流的紊流模型［8-9］，模型的控制方程如下：

式中，t為時間變量；ui為速度分量；xi為坐標(biāo)分量；ρ為密度；μ為分子粘性系數(shù)；p為壓力；ut為紊流粘性系數(shù)；G為紊動能產(chǎn)生項，可由以下公式計算

其中，Cμ、σk、σε、C1、C2均為紊流常數(shù)。

對于氣液兩相流來說，VOF模型可以較好的追蹤自由表面，其相應(yīng)的控制方程為

其中，αq為第q相流體的體積，可以為氣相的體積分?jǐn)?shù)，也可以為液相的體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)α=1時，表示該單元完全被水充滿，當(dāng)α=0時，表示該單元完全被氣充滿，當(dāng)0＜α＜1時表示，該單元部分既有水又有空氣。

引入VOF模型后，控制方程中的物性參數(shù)，可以由體積加權(quán)平均計算獲得

式中，ρw、ρa分別為水和氣的密度；μw、μa分別為水和氣的分子粘性系數(shù)。

1.2網(wǎng)格劃分及邊界條件選擇

石門泄洪洞由引水明渠段、塔式進水口段、有壓隧洞段、出口閘門段、末端泄槽段組成，洞身段總長約432 m。塔式進水口頂板和兩側(cè)墻均采用1/4橢圓收縮的矩形喇叭口，其收縮曲線分別為x2/8.72+y2/2.72=1 和x2/6.82+y2/2.32=1，進口尺寸為10.8 m×11.0 m（寬×高），進水口底板高程596.00 m，塔頂高程620.00 m，順?biāo)飨蜷L12.7 m；喇叭口段后接15.0 m的方變圓漸變段，縱向坡比為2.6%；出口采用頂部及兩側(cè)均收縮的壓坡方式，出口為4.4 m× 4.4 m的方形斷面，出口采用挑流消能。

為了準(zhǔn)確模擬進口流態(tài)，模擬范圍從進口前庫區(qū)80 m開始，庫區(qū)采用1.5 m的網(wǎng)格尺寸；為了提高精度，喇叭進口段、漸變段及平面轉(zhuǎn)彎段均采用0.4 m的網(wǎng)格尺寸；從第1個豎向轉(zhuǎn)彎段開始到出口閘門段采用0.5 m的網(wǎng)格尺寸。所有網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量超過30萬。水流的進口采用速度進口，空氣進口與出口均采用壓力邊界條件，對于固定壁面采用無滑移的壁面條件，粘性底層用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法處理，壓力耦合方式采用PISO方法。

要用標(biāo)簽注明廢液的種類，根據(jù)廢液的不同性質(zhì)在陰涼處分類、密閉存放。常用的廢液處理方法有酸堿中和法、化學(xué)沉淀法、氧化還原法和萃取法。例如，含銀的廢液可以加入過量飽和NaCl溶液進行沉淀處理；含汞、鉛、錳等重金屬離子的廢液，可在堿性條件下加入Na2S，形成沉淀分離后將溶液調(diào)節(jié)至中性再進行排放。

2　計算結(jié)果分析

采用Fluent軟件對各種工況進行數(shù)值模擬，模擬過程分為閘門全開和局開兩類，閘門全開選擇庫水位分別為615 m和619.5 m兩種工況；閘門局開選擇開度為90.9%（e=4 m）、庫水位分別為612、615 m兩種工況。

2.1閘門全開工況

圖2為閘門全開、庫水位為615 m時轉(zhuǎn)彎段壓力云圖。從圖2的顏色變化可知，由于彎道水流有離心力存在，偏流特性比較明顯，致使凹岸壓力增加，均為正，凸岸壓力減小，出現(xiàn)負(fù)壓，頂部也存在較大的負(fù)壓區(qū)域，該分布規(guī)律與國內(nèi)的其他研究結(jié)果基本一致［6-7］。根據(jù)計算結(jié)果對閘門全開庫水位615 m與619.5 m時的計算結(jié)果進行壓強值統(tǒng)計如圖3所示?？梢钥闯觯瑝簭娭嫡w的變化趨勢是先變小后變大，由彎道的樁號 （0+039.7.000～0+ 073.298）可知，水流在平面轉(zhuǎn)彎段的壓強值是先變小，到達壓強低谷之后，又呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，原因是彎道水流受到離心力作用，水流偏流現(xiàn)象比較嚴(yán)重。隨后水流經(jīng)過彎道進入直流段偏流現(xiàn)象逐漸消失，壓強值逐漸恢復(fù)正常。閘門全開庫水位615 m時轉(zhuǎn)彎段存在明顯負(fù)壓區(qū)，最大負(fù)壓達到2.61×9.81 kPa，庫水位619.5 m時負(fù)壓消失，轉(zhuǎn)彎段皆為正壓，且最小壓強出現(xiàn)位置與庫水位615 m工況相同。

圖2　閘門100%開度615 m工況轉(zhuǎn)彎段壓力云圖

圖3　閘門100%開度工況上游段頂部壓強

2.2閘門局部開啟

圖5為閘門90.9%開度、庫水位612 m轉(zhuǎn)彎段壓力云圖，同樣根據(jù)顏色的變化趨勢可知，在彎道離心力的作用下，偏流特性比較明顯，凹岸壓力增大，凸岸壓力減小，頂部出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，但與閘門全開工況比較，洞頂壓力明顯增大。對閘門在90.9%開度、庫水位612 m及615 m上游段計算結(jié)果也進行壓強值統(tǒng)計，如圖5所示。從整體的壓強變化趨勢來看，跟閘門全開工況一樣，受離心力作用，彎道水流的壓強先減小后逐漸變大。水流經(jīng)過彎道之后偏流現(xiàn)象逐漸消失，壓強逐漸變大。閘門同樣開度、庫水位615 m時，壓強值全為正，庫水位612 m時，出現(xiàn)負(fù)壓，但負(fù)壓區(qū)范圍明顯比閘門全開時小，且壓強最小值出現(xiàn)的位置與閘門全開時相同，為樁號0+060.000位置。

圖4　閘門90.9%開度612 m工況轉(zhuǎn)彎段壓力云圖示意

圖5　閘門90.9%開度工況下上游段頂部壓強

3　模型試驗驗證

3.1模型設(shè)計與制作

試驗所用物理模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，長度比尺為50。模型上下游河道按天然地形和開挖防護方案模擬。上游庫區(qū)模擬地形范圍為壩軸線至泄洪洞進口以上約105 m，上游地形模擬高程范圍為575 m至625 m。下游泄洪洞出口附近模擬長度約300 m，其中泄洪洞出口以下約221 m。動床段兩岸地形模擬高程范圍為540 m至565 m。泄洪洞洞身采用有機玻璃制作。

模型試驗同樣分為2個部分進行，即閘門全開和閘門局開，閘門全開選擇庫水位 615、619.5、621 m工況；閘門局開選擇開度為90.9%（e=4 m）、75%（e=3.3 m），庫水位612、615、619.5 m工況。7～10號測試點的樁號（高程）分別為0+029.70 （602.26 m）、0+041.70（601.95 m）、0+058.50 （601.51 m）、0+075.30（601.07 m），轉(zhuǎn)彎段洞頂壓強測試結(jié)果見表1。

表1　閘門不同開度各水位工況彎段洞頂壓強實測值

從表1的實測值可知，閘門全開時，隨著水位的升高，各測點壓強均逐漸增大。庫水位615 m時，洞頂出現(xiàn)壓強最小值，位置為9號測點；閘門局開時，負(fù)壓很少出現(xiàn)，當(dāng)庫水位保持不變時，隨著閘門開度的減小，壓強逐漸增大。

為了進行比較，將庫水位615 m全開、612 m局開時的計算值與實測值壓強值進行統(tǒng)計，如圖6所示?？梢钥闯?，試驗測試結(jié)果反映的壓強變化規(guī)律與數(shù)值模擬的規(guī)律基本一致，但最小壓強出現(xiàn)位置略有偏差，試驗測試為樁號0+058.500，最小值-2.61×9.81 kPa，數(shù)值計算為樁號0+060.000，最小值-3.01×9.81 kPa。分析原因可能是：試驗測試測點布置比較稀疏，彎段內(nèi)的壓強梯度變化劇烈，極值壓強處可能沒有布置測點，而計算點比較連續(xù)；水流過彎段時流速比較大，試驗測試可能有動壓影響，而計算相對比較穩(wěn)定。從整體趨勢來看，實測值與計算值吻合基本良好，說明數(shù)值計算方法的選用較為合理。

上述試驗與計算結(jié)果表明，雖然有壓泄洪洞彎道洞頂容易出現(xiàn)負(fù)壓，但可根據(jù)彎道壓強的變化規(guī)律，通過庫水位與閘門開度的調(diào)整，避免彎道負(fù)壓的出現(xiàn)，隨之可能產(chǎn)生的運行安全隱患也就得以消除或減小。

圖6　泄洪洞轉(zhuǎn)彎段特征壓強對比

4　結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法對石門泄洪洞平面彎段在閘門全開、局開的不同庫水位壓力特性進行了模擬計算，計算結(jié)果表明：

（1）有壓泄洪洞彎道水流存在明顯的偏流特性，凹面壓強增大，凸面壓強減小，洞頂存在明顯負(fù)壓區(qū)。閘門全開時，低水位運行更容易出現(xiàn)負(fù)壓，615 m水位壓強最小值-2.61×9.81 kPa（計算值為-3.01× 9.81 kPa），隨著庫水位的升高，負(fù)壓逐漸減小。

（2）通過減小閘門開度，洞頂壓強明顯增大。庫水位615 m，開度為90.9%時，壓強最小值為2.24×9.81 kPa，開度為75%時，壓強最小值超過6.00×9.81 kPa。

（3）模型試驗測試結(jié)果表明，數(shù)值模擬計算值與實測值的整體趨勢吻合較好，壓強值的誤差均在0.40×9.81 kPa以內(nèi)，說明數(shù)值模擬的計算結(jié)果可信。

［1］鄭小玉，游湘，劉麗娟.有壓接無壓泄洪洞設(shè)計初探［J］.水電站設(shè)計，2012，28（1）：1-4.

［2］SL 279—2002水工隧洞設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］郭軍，高季章.有關(guān)高水頭大流量泄洪消能設(shè)施運行安全問題的思考［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2013，32（5）：169-173.

［4］馬旭東，楊慶，聶銳華，等.中閘室弧形閘門關(guān)閉過程中泄洪洞水力特性研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報：工程科學(xué)版，2014，46（2）：1-7.

［5］徐國賓，章環(huán)境，劉昉，等.龍?zhí)ь^泄洪洞水力特性的數(shù)值模擬［J］.長江科學(xué)院院報，2015，32（1）：84-87.

［6］張宏偉，張東，吳一紅，等.高水頭大流量泄洪洞壓力彎道的三維數(shù)值模擬研究［C］∥全國水利學(xué)與水信息學(xué)進展大會論文集.南京：河海大學(xué)出版社，2007：517-522.

［7］沙海飛，吳時強，周輝.大型泄洪洞有壓彎道水力特性［J］.水科學(xué)進展，2009，20（6）：824-829.

［8］陳群，戴光清，劉浩吾.帶有曲線自由水面的階梯溢流壩面流場的數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報，2002，9（4）：20-25.

［9］王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

（責(zé)任編輯王琪）

雅礱江錦屏一級水電站樞紐工程專項驗收專家組現(xiàn)場檢查工作順利完成

根據(jù)國家能源局《水電工程驗收管理辦法》，以及《四川省發(fā)改委關(guān)于委托水電水利規(guī)劃設(shè)計總院承擔(dān)錦屏一級水電站樞紐專項驗收工作的函》的要求，我院會同四川省發(fā)展改革委、能源局及國家開發(fā)投資公司、四川省投資集團有限責(zé)任公司組織開展雅礱江錦屏一級水電站樞紐工程專項驗收工作。為做好驗收前的各項準(zhǔn)備工作，我院組織樞紐驗收專家組于2015年12月15日至18日對錦屏一級水電站工程進行了現(xiàn)場檢查。會議驗收專家組聽取了有關(guān)工程建設(shè)、設(shè)計、運行以及相關(guān)科研單位關(guān)于工程建設(shè)、運行情況、監(jiān)測情況和重大技術(shù)專題研究的匯報，通過查勘工程現(xiàn)場，查閱相關(guān)竣工驗收資料，經(jīng)專家組分析討論形成了《四川雅礱江錦屏一級水電站樞紐工程專項驗收專家組意見》。專家組認(rèn)為，錦屏一級水電站樞紐工程已按設(shè)計規(guī)模全部建成并已完成竣工安全鑒定，樞紐工程已基本具備專項驗收條件，在補充完善相關(guān)工作后，可繼續(xù)開展下一步樞紐工程專項驗收工作。

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣、鹽源縣交界處的雅礱江大河灣干流河段上，是雅礱江下游卡拉～ 江口河段水電規(guī)劃梯級開發(fā)的龍頭水庫，下游為錦屏二級水電站。工程具有年調(diào)節(jié)能力，對下游梯級補償調(diào)節(jié)效益顯著。工程規(guī)模巨大，開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，結(jié)合汛期蓄水兼有分擔(dān)長江中下游地區(qū)防洪作用。水庫正常蓄水位1 880m，相應(yīng)庫容76.3億m3。電站裝機容量3600MW，多年平均年發(fā)電量166.2億kW·h。

2005年9月8日，國家發(fā)展改革會核準(zhǔn)錦屏一級水電站工程開工建設(shè)，2005年11月12日工程正式開工，2006年12月4日大江截流，2009年10月大壩混凝土開始澆筑，2012年11月30日導(dǎo)流洞下閘蓄水，2014年6月30日樞紐工程全部建成（含壩頂結(jié)構(gòu)） ，2014年7月12日全部機組投產(chǎn)發(fā)電。水庫水位分別于2014年8月和2015年10月蓄水至正常蓄水位1 880m。錦屏一級拱壩最大壩高305m，為已建的世界最高拱壩； 左岸壩肩邊坡開挖高差達700m，邊坡開挖錨固和壩肩加固處理工程技術(shù)難度極具挑戰(zhàn)性；錦屏一級水電站的安全建成運行，標(biāo)志著我國水電建設(shè)水平又邁上了一個新的臺階。

（水電水利規(guī)劃設(shè)計總院）

Numerical Simulation and Experimental Research on Pressure Characteristic of Curved Section of Pressure Spillway Tunnel

JIANG Pan，YIN Jinbu，HE Wuquan，XU Zili
（Northwest A&F University，Yangling 712100，Shaanxi，China）

The curved section of pressure spillway tunnel is easily prone to negative pressure which could affect the safe operation of tunnel.Based on κ-ε model，the numerical method is used to research the pressure characteristic of curved section of spillway tunnel in Shimen Reservoir on the conditions of gate full opening and partial opening in different reservoir levels.It is found that:（a）the bias flow is obviously exists in curved section and the pressure is larger in concave side，smaller in convex side and negative in top area；（b）when the gate is fully opened，the top area of curved section is easily prone to negative pressure as the reservoir level is lower，and the pressure will increase with the increasing of water level；（c）when the reservoir level is stable，the pressure of top area also increases with the decreasing of gate opening.The numerical results are in good agreement with model test results.The study shows that，by adjusting the opening of gate，unsafe operation can be avoided and the operation flexibility of spillway tunnel can also be improved.

pressure spillway tunnel；pressure characteristic；numerical simulation；model test

TV732.3

A

0559-9342（2016）02-0049-05

2015-11-05

姜攀（1988—），男，河南鄧州人，碩士研究生，主要從事水利工程方面的研究；尹進步（通訊作者）.