某水電站泄洪閘消力池水力特性模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真分析研究

孫益松，葉柏陽(yáng)，周松松

(1.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司， 江蘇 淮安 223005；2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

水電站泄洪閘作為重要的水利調(diào)控設(shè)施，其泄流狀態(tài)關(guān)乎水電站安全運(yùn)營(yíng)，但不可忽視上游水位具有較大勢(shì)能，即使經(jīng)泄洪閘后亦會(huì)對(duì)下游水工結(jié)構(gòu)設(shè)施造成沖擊磨損，影響水利工程使用壽命，因而考慮在泄洪閘下游建設(shè)消力池，開(kāi)展消力池設(shè)計(jì)對(duì)消能作用具有重要意義[1- 3]。國(guó)內(nèi)外已有諸多專家與學(xué)者開(kāi)展了消力池等水工結(jié)構(gòu)的水力特性研究，基于水工模型試驗(yàn)研究，獲得水工結(jié)構(gòu)在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的破壞過(guò)程，為水利設(shè)計(jì)提供重要參考[4- 6]。當(dāng)然，在工程現(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)測(cè)傳感器，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)水利工程未來(lái)運(yùn)營(yíng)狀況，進(jìn)而評(píng)價(jià)消力池等水利結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)[7]。數(shù)值仿真作為一種研究復(fù)雜工況的高效率手段，以實(shí)際水工模型為基礎(chǔ)，再在數(shù)值仿真軟件中反演[8]，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，為準(zhǔn)確獲取水利工程水力特性提供重要對(duì)比性參考。

1 工程概況與模型試驗(yàn)

1.1 工程概況

某水電站為河流梯級(jí)電站中第五級(jí)，電站裝機(jī)容量為15萬(wàn)kW，其中水工建筑設(shè)置有泄洪閘、導(dǎo)墻以及壩體，導(dǎo)墻分為左右兩側(cè)，與19個(gè)區(qū)段壩體連接，水電站蓄水位穩(wěn)定在233～243m之間，泄洪閘設(shè)計(jì)高程較壩體頂部高程低6m，最大泄流量設(shè)計(jì)為31580m3/s，設(shè)有平面弧型鋼閘門(mén)作為泄流閘過(guò)水?dāng)嗝鎸?dǎo)流設(shè)施，直徑約為2.6m，多孔式設(shè)計(jì)，以減少淤沙沉積至水閘入口處，閘門(mén)啟閉采用液壓程序控制，保證閘門(mén)開(kāi)度合理精確，泄洪閘軸線上共有12個(gè)孔，單孔間隔為6m，閘墩以混凝土澆筑形成，閘墩承重平臺(tái)半徑為8m；導(dǎo)墻設(shè)置在左右側(cè)，厚度約為1.1m，墻底部在表面標(biāo)高以下3.4m；19個(gè)壩體區(qū)段頂部高程為216m，壩軸線長(zhǎng)度為90m，下游壩坡坡度為1∶3，在壩身設(shè)有挑坎，以弧形角跌坎形式設(shè)計(jì)，角度為45°；另泄洪閘下游設(shè)有底流消力池設(shè)施，寬度為80m，池底高程為207.5m，當(dāng)上游洪水位發(fā)生變化時(shí)，下游消能池所面臨的水頭壓差變幅亦較大，對(duì)消能池進(jìn)行重設(shè)計(jì)有助于降低泄洪閘水流對(duì)水工結(jié)構(gòu)沖擊磨損效應(yīng)。

地區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)構(gòu)造主要有褶皺與局部破碎帶斷層，均分布在水電站左右岸坡，褶皺延伸長(zhǎng)度約為1.3km，斷層帶靠近消力池左導(dǎo)墻，但其破碎帶方向與消力池相反，故其對(duì)水工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較低。消力池所在工程場(chǎng)地表面為第四系人工活動(dòng)填土層，厚度約為2.5m，經(jīng)設(shè)計(jì)部門(mén)鉆孔得知，該土層顆粒松散性較大，需對(duì)其夯實(shí)加固；下方土層為粉質(zhì)壤土，分布范圍較廣，基本遍及水電站大壩以及消力池等水工建筑，其中導(dǎo)墻所在持力層即為該土層，強(qiáng)度中等，含水量測(cè)定為32%?；鶐r為弱風(fēng)化片麻巖，巖體完整性較好，現(xiàn)場(chǎng)取樣表面無(wú)顯著孔隙，室內(nèi)測(cè)試其強(qiáng)度較高，以水為流體介質(zhì)測(cè)定的滲透系數(shù)較低，達(dá)10-19m/s，是水電站引水隧洞以及泄洪閘閘室基礎(chǔ)、閘墩等基巖層。考慮到消力池在泄洪過(guò)程中降低水力能量的沖擊作用，需重新設(shè)計(jì)消力池布置方案，以滿足不同頻率洪水位下泄洪消能需求。

1.2 模型試驗(yàn)

為保證泄洪閘消能池設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)泄洪閘泄流特性，文章設(shè)計(jì)開(kāi)展水工模型試驗(yàn)，所建設(shè)的水工模型包括壩體、蓄水庫(kù)、回水渠等，按照模型長(zhǎng)度比尺參數(shù)為80，樞紐建筑用抗沖擊有機(jī)玻璃制作，擋墻等水工建筑保護(hù)設(shè)施均以水泥砂漿抹面，上下游河床均按照實(shí)際工程鋪設(shè)巖土體覆蓋層，由于實(shí)際工程覆蓋層顆粒粒徑磨圓度較高、硬度較強(qiáng)，因而模型試驗(yàn)中統(tǒng)一按照中值粒徑選取，圖1為模型試驗(yàn)布置圖。

圖1 模型試驗(yàn)布置圖

文章模型試驗(yàn)主要針對(duì)消力池設(shè)計(jì)方案開(kāi)展優(yōu)化研究，因而通過(guò)設(shè)計(jì)多種設(shè)計(jì)工況下泄洪閘泄流特性模型試驗(yàn)，獲得泄流區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)特征參數(shù)；另為保證模型試驗(yàn)準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)同步開(kāi)展數(shù)值仿真試驗(yàn)，為消力池設(shè)計(jì)提供參考。A方案：跌坎布設(shè)消力池樁號(hào)0+61m處，高程209.5m，尾坎坡度為1∶1.25，高程為211m；B方案：跌坎布設(shè)在樁號(hào)0+49m處，高程同樣為209.5m，另尾坎坡度與A方案一致，但高程為214m；A、B方案均無(wú)消力坎；C方案：跌坎布設(shè)在樁號(hào)0+49m處，池中設(shè)計(jì)有消力坎，坡度為1∶1，高程為214m，尾坎坡度為1∶1.25，高程為211m；原設(shè)計(jì)方案：跌坎布設(shè)在樁號(hào)0+49m處，池中設(shè)計(jì)有直墻坎，坡度為1∶1，高程為211.5m，尾坎坡度為1∶1.25，高程為211m。4個(gè)消力池設(shè)計(jì)方案幾何平面圖如圖2所示，以上述不同設(shè)計(jì)方案開(kāi)展對(duì)比分析。

圖2 消力池設(shè)計(jì)方案幾何平面圖(單位:m)

2 數(shù)值仿真理論

文章流場(chǎng)仿真模擬利用RNG雙參數(shù)方程開(kāi)展計(jì)算，流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)服從下式[9- 11]：

(1)

而根據(jù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)量守恒，有下式：

(2)

以雙參數(shù)湍流模型表述流體湍動(dòng)狀態(tài)，其方程表達(dá)式為

(3)

(4)

其求解依照紊流動(dòng)黏度系數(shù)及Prandtl參數(shù)，方程求解為

(5)

(6)

其中

(7)

(8)

式中，σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε—試驗(yàn)常數(shù)參數(shù)；YM—?jiǎng)恿繀?shù)常數(shù)項(xiàng)；Gk、Gb—流場(chǎng)湍動(dòng)能；μeff—有效黏度系數(shù)；Sk、Sε—與k、ε流場(chǎng)參數(shù)有關(guān)的常數(shù)項(xiàng)；αk、αε—Prandtl參數(shù)；ui、uj—流速；p—壓強(qiáng)；μ、μt—靜力、動(dòng)力黏度系數(shù)；k、ε—流場(chǎng)參數(shù)。

自由液面處理假定在流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中服從質(zhì)量流狀態(tài)，其參數(shù)方程表述為

(9)

式中，I—紊流強(qiáng)度；Re—雷諾數(shù)。

(10)

結(jié)合有限元離散插分迭代求解理論，結(jié)合動(dòng)量運(yùn)動(dòng)與流場(chǎng)參數(shù)方程，得到有限元求解迭代離散方程

(11)

修定迭代獲得的流場(chǎng)特征參數(shù)，修正表達(dá)式為

(12)

式中，u′、v′、p′—修正后的流速與壓力值。

3 模型試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)對(duì)比分析

3.1 仿真模型與研究工況

限于篇幅與數(shù)值仿真計(jì)算量較大，文章以A～C三個(gè)方案開(kāi)展計(jì)算分析，利用AutoCAD按照各個(gè)設(shè)計(jì)方案建立三維幾何模型，總長(zhǎng)度約為300m，包括泄洪閘室以及消力池等重要水利設(shè)施，其中泄洪閘按照5孔式設(shè)計(jì)，模型如圖3所示，另設(shè)定X、Y、Z正方向分別指向下游、模型橫向垂直方向、模型向上豎向。模型共劃分網(wǎng)格138682個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)132689個(gè)，上、下游水為邊界條件分別為237.2、222.5m。

圖3 數(shù)值模型圖

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

3.2.1壓強(qiáng)特征

圖4為4種設(shè)計(jì)方案與原設(shè)計(jì)方案消力池底部壓強(qiáng)分布特征云圖，從圖中可看出，4個(gè)方案在泄洪泄流口壓強(qiáng)均較小，其中B方案入口處壓強(qiáng)僅為7.5kPa，相比原設(shè)計(jì)方案泄洪閘水流出口處最低壓強(qiáng)降低了53.1%，究其原因，均是由于4種方案均在泄洪閘水流出口、消力池進(jìn)水端前設(shè)置有跌坎，一定程度降低了閘室出口壓強(qiáng)。進(jìn)入消力池后，A～C三個(gè)方案均在消力坎前端產(chǎn)生最大壓強(qiáng)值，其中A方案最大壓強(qiáng)達(dá)218.3kPa，原設(shè)計(jì)方案中由于并未設(shè)置消力坎，故而池中部并未出現(xiàn)壓強(qiáng)最大值，而是出現(xiàn)在尾坎。從消力坎布設(shè)來(lái)說(shuō)，泄洪閘下泄水流在遇見(jiàn)消力坎后，水流狀態(tài)并未發(fā)生紊流或渦旋現(xiàn)象，整體還較為穩(wěn)定，且最大壓強(qiáng)均分散在消力坎前對(duì)應(yīng)的多孔水閘出流處，并未出現(xiàn)壓強(qiáng)集中現(xiàn)象，這有利于消力池安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。

圖4 消力池壓強(qiáng)分布特征云圖

3.2.2流速特征

圖5為各設(shè)計(jì)方案下消力池內(nèi)中心截面流速矢量分布云圖，由圖5中可知，消力池中最大流速均為20m/s左右，且分布在閘室出口與消力池進(jìn)口前端；方案A～C池內(nèi)消力坎前端出現(xiàn)水躍現(xiàn)象，且消力坎越靠近上游閘室，水流越易于逆流回閘室，另一方面消力坎布設(shè)高程愈高，坎前水流底部穩(wěn)定性愈大，表明消力坎的存在能顯著降低消力池內(nèi)活躍水流；從水躍層流速分布來(lái)看，中部流速最大，B方案中坎前中部流速高達(dá)20.3m/s，而下部流速較低，相比中間層與水流表面，要低1～2個(gè)量級(jí)，流速最低值均出現(xiàn)在該區(qū)域，分析是由于水流沖擊消力坎，回流至底部后能量耗散較多，流速降低至谷值。原設(shè)計(jì)方案中無(wú)消力坎設(shè)置，在池內(nèi)下游段流速分布較大，高達(dá)17.3m/s，而A～C方案池內(nèi)下游段流速相比前者分別降低了76.3%、60.4%、60.5%，即池內(nèi)設(shè)置消力坎能降低下游水工設(shè)施受泄流沖擊影響。

圖5 消力池內(nèi)流速矢量分布云圖

3.2.3水面線特征

圖6為各設(shè)計(jì)工況下消力池剖面上水面線分布特征，反映了水氣二相場(chǎng)占比，從泄洪閘室至消力坎前端，水面線逐漸下滑，通過(guò)消力坎后水面線有所爬升，但是在池內(nèi)消力坎后又下降，直至尾坎出現(xiàn)小幅上升；當(dāng)池內(nèi)無(wú)消力坎時(shí)，即原設(shè)計(jì)方案中僅出現(xiàn)一次水面線的升降變化。從消力坎前水面線爬升來(lái)看，當(dāng)同一高程下的消力坎，B方案愈靠近上游閘室時(shí)，其水面線上升愈高，最大高度達(dá)21.5m，C方案中消力池布設(shè)高程較高，但其坎后水面線爬升并不顯著，坎后水面線最大高度相比B方案降低了19.6%，表明消力坎布設(shè)高程應(yīng)在合理范圍內(nèi)，過(guò)高或過(guò)低均會(huì)影響其性能。對(duì)比無(wú)消力坎設(shè)計(jì)方案，有消力坎的池內(nèi)中部出現(xiàn)水面線的二次變化，但在末端出口處水面線較為穩(wěn)定，無(wú)消力坎設(shè)計(jì)方案在水流出口處受束縛作用較弱，水流活躍性高于A～C方案。

圖6 消力池剖面上水面線分布特征

3.3 模型結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對(duì)比

文章選取典型工況開(kāi)展數(shù)值結(jié)果與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，以C方案與原設(shè)計(jì)方案為分析對(duì)象，圖7為兩種試驗(yàn)結(jié)果局部流態(tài)特征對(duì)比。從圖7中可看出，數(shù)值結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果具有相似性，C方案中模型試驗(yàn)水躍現(xiàn)象為遠(yuǎn)驅(qū)式特征，其躍起高度高于對(duì)比方案中，數(shù)值結(jié)果與模型結(jié)果均是如此。圖7(c)為B方案的數(shù)值結(jié)果與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果水面線特征對(duì)比，通過(guò)B方案的水面線二次下降變化在模型試驗(yàn)中實(shí)測(cè)結(jié)果也可看出，在高程120.06m處，模型試驗(yàn)測(cè)定水面線高程為22.5m，而在高程150.05m處時(shí)高程相比降低了26.7%，不論是從變化趨勢(shì)亦或是水面線量值來(lái)看，數(shù)值結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果均吻合。

圖7 模型試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(左、右圖分別為模型試驗(yàn)、數(shù)值仿真試驗(yàn)結(jié)果)

圖8為C方案與原設(shè)計(jì)方案的出口處各深度的流速變化，沿水面至池底的流速整體呈先增后減的變化，流速以池中部為最大，達(dá)0.72m/s，出口池底部流速最低，相比峰值流速，降低了41.7%。兩方案的模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果基本相近，C方案中僅池中部峰值流速所處水深發(fā)生一定變化，但誤差較低，其他深度的流速值基本接近，吻合度較高。原設(shè)計(jì)方案中沿水面至池底的流速整體亦為先增后減，但該方案池中部峰值流速相比C方案要高38.9%，且水面線以下各深度的流速均高于C方案，在池中部至池底部區(qū)段內(nèi)流速降幅僅為13%。從出口處流速對(duì)比可知，相比原設(shè)計(jì)無(wú)消力坎方案，有消力坎的C方案經(jīng)消力池后水流沖擊能量降低，對(duì)下游水工建筑結(jié)構(gòu)沖擊磨損效應(yīng)較低。

圖8 消力池出口處流速各深度上變化

4 結(jié)論

(1)有消力坎方案池中無(wú)壓力集中，跌坎可降低壓強(qiáng)，有、無(wú)消力坎方案最大壓強(qiáng)分別位于坎前端、尾坎，無(wú)消力坎壓強(qiáng)較高。

(2)各方案池內(nèi)最大流速均約為20m/s，消力坎越靠近上游閘室，越易于逆流；A～C方案池內(nèi)下游流速相比原方案分別降低了76.3%、60.4%、60.5%。

(3)有消力坎的池內(nèi)中部水面線會(huì)出現(xiàn)二次降低，但布設(shè)高程應(yīng)在合理范圍內(nèi)，無(wú)消力坎方案在出口處受束縛作用較弱，水流較活躍。

(4)對(duì)比了模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果，流態(tài)特征中均有水躍現(xiàn)象，水面線變化與量值均吻合；有消力坎方案池中部峰值流速相比原方案要高38.9%。