水電站排沙漏斗水沙運動規(guī)律

洪振國，田輝

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

漏斗式排沙已經成為了經濟、節(jié)水、高效泥沙處理的一種技術，并在灌溉、水電、引水工程等各領域成功應用，取得了較好的環(huán)境效益、經濟效益、社會效益[1],受到國內外學者的廣泛關注.1975年俄羅斯專家SALAKHOV[2]提出了的環(huán)流室理論，隨后芬蘭、伊朗、中國等多個國家的專家進行了排沙漏斗結構分析和優(yōu)化研究[3].1984年四川大學高速水力學國家重點實驗室和新疆農業(yè)大學水工實驗室對排沙漏斗渦流的清、渾水流場進行了試驗[4]，排沙漏斗首次在新疆迪那河總干渠工程應用.

目前，國內排沙漏斗的排沙效果、結構優(yōu)化等方面取得了較好的成果.王順久等[5]進行了排沙漏斗特性模型試驗研究及其工程應用，劉善均等[6]進行了排沙漏斗優(yōu)化及輸沙特性試驗研究.但是排沙漏斗中存在的吸氣旋渦和泥沙湍流擴散導致泥沙運動規(guī)律十分復雜，目前排沙漏斗的水沙運動規(guī)律尚不清楚.文中以燕子崖水電站為例，通過數學模型計算分析排沙漏斗水沙運動規(guī)律，并采用物理模型試驗論證數學模型計算合理性.

1 工程概況

燕子崖水電站為引水式徑流電站，裝機容量為30 MW，年利用時長為6 276 h，開發(fā)任務為單一發(fā)電.主要建筑物由大壩、引水渠道、排沙漏斗、無壓引水隧洞、前池、壓力鋼管道、電站廠房等組成[7-8].大壩壩頂全長64.700 m，最大壩高為13.945 m，排沙漏斗直徑為16 m，引水隧洞全長5 797.078 m，壓力前池長70.004 m，頂寬10 m.壓力鋼管道上游接壓力前池，管道長428.6 m；下游接水輪機.多年平均總輸沙量為104萬t，其中多年平均推移質輸沙量、懸移質多年平均輸沙量分別為17.3萬t,86.7萬t.

燕子崖水電站設計水頭為204.12 m，水流通過水輪的相對流速為3.260 m/s；多年平均水中泥沙質量濃度為1.59 kg/m3，排沙漏斗排除的泥沙最小危害粒徑為0.25 mm；泥沙顆粒級配見表1，表中d，ws，v分別為分組粒徑、泥沙質量分數、粒徑沉降速度.

表1 泥沙顆粒級配

排沙漏斗結構主要由漏斗進水涵洞、懸板、漏斗、溢流堰、排沙底孔和排沙廊道等組成[9-10]，平面結構如圖1所示.

圖1 排沙漏斗平面圖

含沙水流通過進水涵洞進入漏斗，在懸板和漏斗邊壁的約束作用下產生螺旋流；螺旋流進行水沙分離，泥沙從排沙底孔進入排沙廊道并排走，較清的水從溢流堰流入原引水渠道.排沙漏斗進水涵洞流量為16 m3/s，進水涵洞斷面尺寸為1.8 m×1.8 m，底坡i=0.005，長20 m，底板高程為1 671.594 m.漏斗按圓形結構設計，漏斗直徑為16 m，襯砌厚60 cm.溢流堰堰長20 m，堰頂高程為1 673.294 m.排沙底孔按圓形結構設計，直徑為32 cm.排沙廊道按Φ400鋼管長60 m設計，底坡為2.5%，排沙廊道的水直接排至漾弓江.側槽明渠寬2.5 m，高度為3 m.

2 數學模型

2.1 控制方程

采用流體體積模型(VOF)方法耦合和雷諾應力模型(RSM)計算排沙漏斗清水流場，控制方程為

(1)

式中：ρ為流體密度；t為時間；Ui為時均速度；χi為水力參數.

泥沙顆粒的運動方程為

(2)

式中：mp為泥沙顆粒質量；up為泥沙顆粒速度；g為重力加速度；ρp為泥沙顆粒密度；FD為懸移質泥沙顆粒在水流中受到的阻力；Fp為水平方向壓強梯度力；FV為虛擬質量力.

2.2 計算方法

數學模型計算采用有限體積法離散控制方程，采用SIMPLEC算法求解壓力-速度的耦合.壓力插值格式為Presto格式，采用二階迎風格式對流項離散，對時間項采用二階隱式格式離散.采用幾何重建格式構建自由水面，采用五階Runge-Kutta變步長積分法進行泥沙運動軌跡模擬，排沙漏斗含泥沙量根據泥沙顆粒的運動方程確定.

2.3 邊界條件

進水涵洞入口為水流進口邊界，根據斷面面積和流量求解速度大小.溢流堰出口、漏斗頂部邊界和排沙底孔出口等邊界為大氣壓邊界條件，采用壁面函數法得到壁面近鄰控制體的流速與耗散率等.泥沙從進水涵洞入口斷面進入計算區(qū)域，入口斷面的泥沙分布均勻，速度等于水流進口速度.排沙漏斗進水涵洞高0.225 m,寬0.225 m；排沙漏斗直徑為2 m、徑向底坡為90%；排沙底孔直徑為6.25 cm；其他參數、排沙漏斗數學模型結構圖與模型試驗的物理模型結構圖一致.

2.4 網格劃分

采用八結點六面體結構網格單元剖分計算區(qū)域，采用三角形非結構網格單元剖分漏斗與進水涵洞連接部位，共生成網格單元2.7×105個，在漏斗中心軸附近的網格單元較密集.

3 物理模型試驗

排沙漏斗物理模型采用有機玻璃制作，模型試驗流量由90°直角三角堰測量，流速測試采用聲學多普勒流速儀(ADV)測量三維流速；含沙量采用自制的虹吸式采樣器采集渾水，然后用烘干法測量.

排沙漏斗物理模型按照重力相似準則設計，由進水涵洞、漏斗、排沙底孔、懸板組成.物理模型比尺為1∶8，排沙漏斗直徑和徑向底坡、排沙底孔直徑與數學模型的一致.排沙漏斗進口流量為15.6 L/s，泥沙質量濃度為1.59 kg/m3，排沙漏斗主要用于排除粒徑大于0.25 mm的泥沙，物理模型沙使用粉煤灰篩分得到.

測試斷面布置如圖2所示，流速測試斷面選擇2個垂直斷面，分別命名為斷面A，B；每個測試斷面布置5條間距為16 cm的水平測線，其中懸板與最上面的水平測線距離為6 cm，每條水平測線從距離漏斗室中心軸20 cm的徑向位置開始往外每隔10 cm布設1個測點，最遠的水平測點其徑向位置半徑為60 cm.

圖2 測試斷面布置示意圖

4 結果分析

經過排沙漏斗數學模型計算和物理模型試驗，得到斷面A和B上的水流切向流速分布，如圖3所示，圖中r，vt分別為徑向位置半徑、切向速度.

圖3 斷面A和B上的水流切向速度分布

由圖3得到斷面A和B上的水流切向流速運動規(guī)律，見表2.由表中運動規(guī)律可知：切向流速總體呈現中間小、兩頭大的特點，在排沙底孔位置產生空氣漏斗，空氣漏斗周圍產生強迫渦流.強迫渦流具有高排沙能力，在徑向位置半徑較大區(qū)域里，在漏斗圓形邊壁的約束下，促使水體產生一個強迫渦.

表2 斷面A和B上的水流切向流速運動規(guī)律

由圖3得到斷面A和B上的切向流速數學模型計算值和物理試驗值，見表3，表中vtt，vtc分別為切向速度試驗值與計算值.由表可知切向速度數學模型計算值與物理試驗值相差較小，因此物理模型試驗驗證了由數學模型計算切向速度是可行的.

表3 斷面A和B上的切向流速數學模型計算值和物理試驗值

經過排沙漏斗數學模型計算和物理模型試驗，得到斷面A和B上的徑向流速分布，如圖4所示，圖中vr為徑向速度.圖中正值表示徑向流速指向漏斗中心軸，即向內；負值表示向外.

圖4 斷面A和B上的水流徑向速度分布

由圖4得到斷面A和B上的水流徑向流速運動規(guī)律，見表4.由表中運動規(guī)律可知：徑向流速整體上隨徑向位置半徑增大而先小后大，方向由內到外，在漏斗排沙底孔位置存在向內的、較大的徑向流速，快速地把內側區(qū)域底的泥沙運移至排沙底孔.

表4 斷面A和B上的水流徑向流速運動規(guī)律

由圖4得到斷面A和B上的徑向流速數學模型計算值和物理試驗值，見表5，表中vrt，vrc分別為徑向速度試驗值與計算值.由表可知徑向速度數學模型計算值與物理試驗值相差較小，因此物理模型試驗驗證了由數學模型計算徑向速度是可行的.

表5 斷面A和B上的徑向流速數學模型計算值和物理試驗值

經過排沙漏斗數學模型計算和物理模型試驗，得到斷面A和B上的軸向流速va分布，如圖5所示.圖中正值表示向上，負值表示向下.

圖5 斷面A和B上的水流軸向速度分布

由圖5得到斷面A和B上的水流軸向流速運動規(guī)律，見表6.由表中運動規(guī)律可知，軸向速度值隨徑向位置半徑增大作上下波動而波幅逐漸減小，軸向流速波動變化較為強烈并形成一個勢渦，在漏斗圓形邊壁的約束下促使水體產生一個強迫渦流.強迫渦流具有高排沙能力，將漏斗排沙底孔附近的泥沙快速運移至排沙底孔，通過與排沙底孔連接的排沙廊道排走泥沙.

表6 斷面A和B上的水流軸向流速運動規(guī)律

由圖5得到斷面A和B上的軸向流速數學模型計算值和物理試驗值，見表7.表中vat，vac分別為徑向速度試驗值與計算值.由表可知軸向速度數學模型計算值與物理試驗值相差較小，因此物理模型試驗驗證了由數學模型計算軸向速度是可行的.

表7 斷面A和B上的軸向流速數學模型計算值和物理試驗值

經過排沙漏斗數學模型計算和物理模型試驗，得到斷面A和B上的垂向含沙量分布，如圖6所示，圖中h，ω分別為相對水深、泥沙質量濃度.

圖6 斷面A和B上的垂向含沙量分布

由圖6得到斷面A和B上的垂向含泥沙量分布規(guī)律，見表8.由表8的分布規(guī)律可知，漏斗內含泥沙量整體垂向分布為“上小下大”型分布，含泥沙量在近底部附近較高，底部附近形成較高含泥沙水流，懸板使漏斗在排沙底孔軸線上充分發(fā)展，使排沙底孔過水斷面減小，排沙漏斗具有截沙率高、耗水率低的優(yōu)點.

表8 斷面A和B上的垂向含泥沙量分布規(guī)律

由圖7得到斷面A和B上的垂直向含沙量數學模型計算值和物理試驗值，見表9，表中ωt，ωc分別為泥沙質量濃度試驗值與計算值.

表9 斷面A和B上的垂向含沙量數學模型計算值和物理試驗值

由表9可知，垂向含泥沙量數學模型計算值與物理試驗值相差較小，因此物理模型試驗驗證了由數學模型計算垂向含泥沙量是可行的.

5 結 論

1) 排沙漏斗切向流速總體呈現中間小、兩頭大的特點；徑向流速隨徑向位置半徑增大而先小后大，方向由內到外；軸向速度值隨徑向位置半徑增大作上下波動而波幅逐漸減小.在漏斗圓形邊壁的約束下，水體產生一個強迫渦流；強迫渦流具有高排沙能力，將漏斗排沙底孔附近的泥沙快速運移至排沙底孔，通過與排沙底孔連接的排沙廊道排走泥沙.

2) 排沙漏斗內含泥沙量整體垂向分布為“上小下大”型，含泥沙量在近底部附近較高，形成含泥沙量較高的水流.懸板使漏斗在排沙底孔軸線上充分發(fā)展，使排沙底孔過水斷面減小.排沙漏斗具有截沙率高、耗水率低的優(yōu)點.

3) 排沙漏斗切向、軸向、徑向流速，以及含泥沙量數學模型計算值與物理試驗值相差較小，因此物理模型試驗驗證了由數學模型計算是可行的.