水電站壩身沉沖沙系統(tǒng)試驗研究與數(shù)值模擬

劉德偉，李連俠，廖華勝，李秋林

(1.水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065；2. 密歇根州立大學，東蘭辛，密歇根州，美國)

0 引 言

在水利工程特別是引水工程中，為了沉降泥沙，提高引水水質(zhì)，減少引水設(shè)備(水泵)的磨損，需要在引水口前設(shè)置沉沙池，故而沉沙池在保障工程安全可靠方面起到重要作用。有不少學者對沉沙池進行了研究，張軍、侍克斌等[1]對圓中球沉沙排沙池進行了模型試驗研究，并得出沉沙池中流場分布規(guī)律，還分析了其具有較好沉沙條件的原因；華福銀等[2]通過湍流模型等數(shù)值方法模擬了沉沙池中的水流流場狀態(tài)；戴文鴻[3]等在選定合理沖沙水位和沖沙流量范圍的基礎(chǔ)上，應(yīng)用一維非均勻流不平衡輸沙模型，對多種擬定沖沙方案下某水庫的沖沙過程進行了長期模擬，據(jù)此選取合適的沖沙方案；王永桂等[4]構(gòu)建了一、二維耦合的水沙模型，以一維模型模擬錢塘江的水沙作為二維模型的輸入條件，模擬分析了沉沙池的工程效果，并探討了不同尺寸方案下沉沙池的沉沙效果；陳彩旭等[5]通過在沉沙池首部加設(shè)調(diào)流板，改進沉沙池工作段的水流流場，以提高泥沙的沉積效率，從而縮短了沉沙池過渡段的距離；田艷等[6]則利用數(shù)值模擬，對廂式沉沙池的進口優(yōu)化進行了研究，得出通過設(shè)置整流橫梁等措施，能較大改善沉沙池出口水流流態(tài)。

基于這些研究，本文以某水電站沉沙池為例，通過模型試驗與數(shù)值模擬對比，相互驗證了該工程中沉沙池的實用性和可靠性，為后續(xù)壩身式?jīng)_沙池的設(shè)計及研究提供一定指導。

1 模型試驗研究

該水電站主要永久性水工建筑物，即首部擋泄水建筑物、發(fā)電引水隧洞、電站廠房及其變電站等均按4級建筑物設(shè)計，次要永久建筑物及臨時建筑則按5級建筑物設(shè)計。

根據(jù)設(shè)計院提供方案對該工程進行模型試驗，試驗模型采用正態(tài)模型，按照重力相似準則進行設(shè)計，幾何比尺為1∶10。模型采用有機玻璃制作，有機玻璃糙率為0.008～0.009，換算至原型糙率為0.013～0.015，能滿足阻力相似要求。工程模型見圖1，分別由庫區(qū)、攔污柵、尾水引渠、壩內(nèi)沉沙池和發(fā)電引水隧

洞組成。沉沙池長46 m，寬15 m，除支道繼續(xù)向右延伸匯入沖沙主廊道外，沉沙池底部下方布置了46 m長的三條沖沙廊道，沉沙池末端布置了一薄壁取水堰(堰頂高程為1 665.70 m)，阻攔池內(nèi)泥沙進入引水洞內(nèi)，從而取用表層清水。圖2為工程模型局部圖。

圖1 模型試驗全景(模型比尺1∶10)Fig.1 Model test panoramic(scale 1∶10)

圖2 工程模型局部圖Fig.2 Partial figure of engineering model

1.1 初步試驗

首先對原方案中各工況進行了初步試驗，旨在發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計上的不足，試驗結(jié)果表明：從河道取水的工況和從某電站尾水取水的工況，攔污柵前的河道水流沿攔沙導墻流至沖沙閘，受到阻攔后產(chǎn)生回流，而后經(jīng)過攔污柵涌入引水渠，下游側(cè)攔污柵水面跌落明顯，左側(cè)水面低于右側(cè)，并伴有水翅現(xiàn)象；引渠內(nèi)水流經(jīng)弧形導墻作用經(jīng)過整流柵進入沉沙池，過柵水流明顯不對稱，且柵前柵后水面跌落較明顯；沉沙池出口及取水堰水面較為均勻，流態(tài)良好，引水隧洞內(nèi)水面橫向分布均勻，沿程變化緩慢。

1.2 優(yōu)化方案

結(jié)合初步試驗結(jié)果，對該工程進行了如下優(yōu)化：①裁彎取直：取消了河道引水渠和某電站尾水渠交匯處的弧形導流墻而改為直墻連接。②加分流墩：在沉沙池進口前水流交匯處增加了一個梯形分流墩。③增加整流池：在沉沙池首部進口跌坎(進口跌坎高程為1 666.2 m)前，在原設(shè)計方案1 665.6 m高程的底板下挖0.8 m的整流池以改善入池的水流流態(tài)；相應(yīng)的原右岸泄洪沖沙孔體型尺寸不變，為滿足結(jié)構(gòu)要求，右岸泄洪沖沙孔底板高程相應(yīng)地降低0.8 m，即變?yōu)?661.7 m。④改變沖沙方式：由連續(xù)沖沙方式改為定期沖沙為主，輔以連續(xù)沖沙兼放生態(tài)流量。進口采用跌坎形式，底部設(shè)置6個沖沙孔以防止整流池內(nèi)泥沙淤積；沉沙池底板水平，其高程為1 663.0 m，兩個縱向分水墻(頂高程1 664.5 m)將沉沙池分為3個定期沖沙廊道。優(yōu)化后方案見圖3～圖4。

圖3 優(yōu)化方案整體布置圖及流速測點布置圖(單位：m)Fig.3 The overall layout optimization scheme and sketch map of velocity measuring

圖4 沉沙池進口結(jié)構(gòu)圖(單位：m)Fig.4 Setting basin import structure

2 數(shù)值模擬

為了更加深入地了解沉沙池在沉沙與沖沙工況下各部位的水力學特性，保證沉沙池沉沙和沖沙效果，本文對沉沙池進行數(shù)值計算分析，大量的數(shù)值模擬表明[4,5,7,8]，k～ε雙方程紊流模型是模擬此類流動的有力工具。因此，本文采用RNGk～ε紊流模型，其數(shù)學模型建立過程如下。

2.1 控制方程

以標準湍流模型來封閉Reynolds方程[9]，其基本控制方程如下：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

式中：ρ和μ分別為體積分數(shù)平均密度和分子黏性系數(shù)；P為修正壓力；Bi為單位體積的體積力；Gk為紊動能k的產(chǎn)生項；Cμ是經(jīng)驗常數(shù)；σk和σε分別為k和ε的紊流普朗特數(shù)；μ=ρvt為紊流黏性系數(shù)，其中vt為紊流運動黏性系數(shù)，它可由紊動能k和紊動耗散率ε求出：

(5)

以上各張量表達式中，i=1,2,3,即{xi=x,y,z},{ui=u,v,w}；j為求和下標，方程中通用模型常數(shù)見表1。

表1 紊流數(shù)值模擬中采用的常數(shù)值Tab.1 The constant value of turbulent flow numerical simulation

計算中采用兩相流模型，自由面采用VOF模型。采用有限體積法對偏微分方程組進行離散，數(shù)值計算采用點隱式高斯-賽德爾迭代方法對代數(shù)方程組進行求解。

上述建立的離散方程中，壓力P的精確解由連續(xù)方程間接反映出來。壓力場通過動量方程影響速度場，只有正確的壓力場才能求得正解的速度場，只有正確的速度場才能滿足連續(xù)方程。在本文數(shù)值計算中選用PISO算法，通過一個預測過程和兩個校正過程，以最終得到滿足連續(xù)性方程的壓力場和速度場。

2.2 邊界條件

(1)進口邊界：模型的上游河道與某電站尾水進口邊界均分為水和氣兩部分：上部分為空氣進口，采用壓力邊界條件(Pressure-inlet)；下部分為水進口，采用均勻速度進口(Velocity-inlet)。

(2)出口邊界：下游出口的邊界條件采用壓力邊界條件(Pressure-outlet)，壓力值為標準大氣壓。

(3)固壁邊界：近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)法進行處理。

2.3 數(shù)學模型計算

本文模擬的區(qū)域為河道引水口、某電站尾水出口到沉沙池的引水渠，沉沙池主體，以及沉沙池后的發(fā)電引水隧洞，具體計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分如圖5。

圖5 模擬區(qū)域及整體網(wǎng)格劃分Fig.5 Simulation area and grids

3 模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 沉沙工況結(jié)果分析

3.1.1 水流流態(tài)

圖6為沉沙工況下沉沙池系統(tǒng)各典型部位水流流態(tài)。可以看出，過攔污柵后的水流平順，水面橫向分布均勻，過柵水流跌落減小，流態(tài)較好；沉沙池池首整流池內(nèi)水流流態(tài)得到了極大的改善；水流在河道取水段內(nèi)過渡良好，沿程水面存在起伏不大的菱形波浪；沉沙池前端匯流處水流較湍急，在兩道擋坎前均有壅水及弱水躍現(xiàn)象，沉沙池進口斷面水面分布左右均勻；沉沙池內(nèi)水流流速平緩，斷面流速分布均勻，可有效提高沉沙效率；沉沙池出口取水堰處水面沒有跌落和出口處水面相平，水流平順地進入引水隧洞，沉沙池后水面線與引水隧洞內(nèi)水面銜接光滑。

圖6 沉沙工況各典型部位水流流態(tài)Fig.6 The flow regime of the typical parts in desilting condition

3.1.2 水流流速

模型進口流量采用三角形薄壁堰進行測量，水位采用測針測量，流速用LS-401型微型旋槳式流速儀測讀，測點布置情況如下：

沉沙工況：沉沙池進口擋水坎坎上與沉沙池出口水平方向分左、中、右，共6個測量點。2、4和6號孔口出口共3個測點，①②③支廊道沉沙也進口后10、20、30 m位置共9個測點；

沖沙工況：沉沙池進口前2 m處3個測點、2號、4號和6號孔口出口共3個測點、①②③支廊道末端及沖沙主廊道A、B、C共6個測點。

具體施測位置見圖4。表2為沉沙工況沉沙池布測點模型試驗測量的水流流速與數(shù)值模擬計算的水流流速。對比模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，計算所得流速與試驗值吻合較好，均在允許誤差范圍內(nèi)。

表2 沉沙工況流速模型試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果Tab.2 The velocity result of model test and numericalcalculation in desilting condition

注：括號內(nèi)為數(shù)值計算結(jié)果，下同。

圖7為正常水位數(shù)值計算水面線，圖8～圖10分別為沉沙池進口，進口20及40 m處的斷面流速(標量)分布圖?？梢钥闯?，由于正常工況下沖沙閘門關(guān)閉及取水堰作用，下游水位較高，在沉沙池進口處沖沙孔上下流水位差較小，因而流速較小，均小于2.0 m/s；由圖9和圖10可以看出：在沉沙池進口20 m處水流已達到穩(wěn)定，沉沙池中1 664 m高程以下水流流速基本小于0.4 m/s，底層流速較小，有利于沉沙；水面流速較大，但不大于1.0 m/s(淤積流速為1.2 m/s)；通過對比分析可以得出，模型試驗量測流速與數(shù)值模擬計算流速比較吻合，數(shù)值模擬所得的流場分布情況符合水力學規(guī)律，且與模型試驗結(jié)果吻合較好。

圖7 沉沙工況數(shù)值模擬水面線圖Fig.7 Surface line of the numerical simulation in desilting condition

圖8 沉沙工況沉沙池進口斷面流速分布Fig.8 Velocity distribution of setting basin import in desilting condition

圖9 沉沙池進口20 m處斷面流速分布Fig.9 Velocity distribution of setting basin in 20 m in desilting condition

圖10 沉沙池進口40 m處斷面流速分布Fig.10 Velocity distribution of setting basin in 40 m in desilting condition

3.2 沖沙工況結(jié)果分析

3.2.1 水流流態(tài)

本次沖沙試驗模擬用沙為粉煤灰，假定沉沙池內(nèi)泥沙淤積高度為1 m，即淤積高程為1 664.0 m時開始沖沙，圖11(a)，圖11(b)沖沙前后沉沙池內(nèi)泥沙淤積狀態(tài)。

試驗觀測發(fā)現(xiàn)，后置閘門開啟的同時閘門內(nèi)側(cè)處的沉積物受池內(nèi)水壓力作用被迅速沖出，池內(nèi)水位降至淤積高程，接著靠近沉沙池進口處沉積的泥沙被水流沖動并帶走，在沉積沙層中間沖出一個輸沙槽，泥沙從上游到下游依次被沖走。由圖11(b)可以看出沖沙結(jié)束后，大部分泥沙被沖出沉沙池，該沖沙系統(tǒng)可滿足工程要求。

圖11 沖沙工況模型試驗Fig.11 Model test in flushing condition

3.2.2 水流流速

沖沙工況下水流在沉沙池進口擋水坎前流速較小，且由于本工況是由某電站方向單獨引水，水流在擋坎前總體呈左大右小分布；水流流過6個沖沙底孔，經(jīng)斜坡流速加大；水流在沖沙過程中沿程水流流速不斷減小，可以在池內(nèi)分水導墻長度的一半到結(jié)束處增設(shè)結(jié)構(gòu)貼角(結(jié)構(gòu)貼角沿水流方向由零到全貼角)改善沖沙時流速減慢的情況，以期達到更好的沖沙效果。模型試驗測量流速與數(shù)值計算流速的具體流速見表3，對比表中流速數(shù)據(jù)，易得出數(shù)值模擬計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果基本吻合。

表3 沖沙工況流速模型試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果Tab.3 The velocity result of model test and numericalcalculation in flushing condition

在沖沙工況下由于沖沙底孔上、下游水位差較大，水流經(jīng)過沖沙孔后流速可達到3.80 m/s，可有效沖走沉沙，受邊界條件影響，水流流速呈中間大兩邊小分布(圖12)；由圖14～圖15可以看出：中間廊道水流流速大于兩邊廊道流速，沖沙廊道沿程水流流速均大于抗沖流速2.5 m/s，不會造成泥沙淤積，進而驗證優(yōu)化方案合理可行，能滿足工程要求。

圖12 沖沙工況沉沙池進口處斷面流速分布Fig.12 Velocity distribution of sand basin in flushing condition

圖13 沖沙工況沉沙池進口20 m處斷面流速分布Fig.13 Velocity distribution of setting basin in 20 m in flushing condition

圖14 沖沙工況沉沙池進口40 m處斷面流速分布Fig.14 Velocity distribution of setting basin in 40 m in flushing condition

4 結(jié)論與建議

本文在某水電站沉沙池水力學模型試驗的基礎(chǔ)上，運用Fluent軟件對電站的定期沖沙系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬分析，對沉沙池的流速、流場進行了具體的研究，得出了以下結(jié)論。

數(shù)值模擬計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果吻合良好，原設(shè)計方案連續(xù)沖沙方式不能有效地將沉沙池內(nèi)淤積的泥沙沖走，易造成沖沙廊道堵塞，從而使沖沙系統(tǒng)功能喪失；修改方案由連續(xù)沖沙方式改為定期沖沙為主，輔以連續(xù)沖沙兼放生態(tài)水流，運行相對安全可靠，廊道內(nèi)各指標均能夠滿足運行期間的沉沙、沖沙要求。

取消沉沙池進口的引渠弧形導墻并增加分流墩，以此調(diào)整沉沙池前流態(tài)；沉沙池前增加兩道擋水坎使進池流速降低均化，有利于沉沙。

沉沙工況下入池水流流速較小，在沉沙池進口后20 m左右流速基本穩(wěn)定，且流速都在1.0 m/s以下，底層流速小于0.4 m/s，有利于泥沙的沉降，建議在沉沙池首部跌坎上方設(shè)置攔污柵，以起到攔污和一定的整流作用。

在沖沙工況下水流經(jīng)過沖沙孔后流速可達到3.80 m/s，可有效沖走沉沙，中間廊道水流流速大于兩邊廊道流速，沖沙廊道沿程水流流速均大于2.5 m/s，不會造成泥沙淤積，進而驗證優(yōu)化方案合理可行，能滿足工程要求。

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