旋流豎井泄洪洞在青山?jīng)_工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

朱濤 李桂青

隨著近年來高山峽谷地區(qū)中小型水利樞紐工程的開發(fā)，泄洪建筑物布置的難題越來越突出。由于在高山峽谷地區(qū)修建岸邊溢洪道的投資限制，或者壩身泄洪影響下游峽谷邊坡穩(wěn)定，應(yīng)用傳統(tǒng)的外部消能方式很難兼顧工程的經(jīng)濟(jì)和安全，故在水庫泄洪量不大的情況下，采用旋流豎井消能不失為一種好的選擇。

貴州省青山?jīng)_水利樞紐工程根據(jù)工程自身特點(diǎn)和地質(zhì)地形條件，在大壩右岸布置旋流豎井泄洪洞，經(jīng)計(jì)算，豎井泄洪流態(tài)穩(wěn)定，消能效果良好，避免了邊坡大開挖，取得了良好的工程效益。

1 工程概況

青山?jīng)_水利樞紐工程位于貴州省銅仁市，工程主要任務(wù)為城鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉。擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高83.9 m，總庫容1 287萬m3。工程主要建筑物包括：攔河壩、右岸旋流豎井泄洪洞、引水及放空洞（兼做導(dǎo)流洞）、引水隧洞及揚(yáng)水泵站等。本工程的工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，旋流豎井泄洪洞的建筑物級(jí)別為3級(jí)。

工程設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為100年一遇，校核洪水重現(xiàn)期為2 000年一遇。正常蓄水位443.5 m；設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）444.72 m，相應(yīng)下泄流量為244.0 m3/s；校核洪水位（P=0.05%）445.27 m，相應(yīng)下泄流量為416.0 m3/s。

溢洪道右側(cè)邊坡開挖范圍內(nèi)原始地形坡度為20°～40°，地表覆蓋第四系全新統(tǒng)坡殘積（Q4dl+el）碎石土，地層巖性為寒武系下統(tǒng)杷榔組三段（∈1p3）砂質(zhì)頁巖，為較軟巖，抗風(fēng)化能力弱，遇水易崩解。自然邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，右岸山體構(gòu)造以節(jié)理裂隙為主，巖層產(chǎn)狀傾向坡外偏下游，傾角21°～30°。右岸邊坡發(fā)育次生軟弱夾層R1，產(chǎn)狀與節(jié)理裂隙一致，抗剪斷參數(shù)較低。

2 旋流豎井泄洪洞布置及體型設(shè)計(jì)

樞紐左岸不具備布置泄洪建筑物的條件，故泄洪建筑物布置在樞紐右岸邊坡。豎井旋流泄洪洞建筑物由引渠段（側(cè)槽）、渦室段、豎井段、明流洞段等組成。引渠段包括進(jìn)水側(cè)堰、調(diào)整段，斜坡段，為庫水與渦室段的連接部分；渦室段是水流形成穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)流的必要措施，由連接段與渦室組成；豎井段為水流消能主要措施，包括連接漸變段、標(biāo)準(zhǔn)段、壓坡段；明流洞段為消能后水流下泄建筑物。其關(guān)鍵特征參數(shù)如下：

（1）引渠段從側(cè)堰進(jìn)水，水流經(jīng)調(diào)整段平穩(wěn)后，在斜坡段流速加大，進(jìn)入渦室段。引渠段總長(zhǎng)165.4 m。

（2）渦室連接段為U型槽，底寬6.5～5.7 m，底坡為1∶10，頂部高程446.40 m；為了使水流順利形成旋流，連接段左側(cè)采用1/4橢圓曲線連接；渦室段為圓柱形，內(nèi)徑11.0 m，渦室頂部高程446.40 m，底部高程429.40 m，總高17.00 m。

（3）豎井段由連接漸變段、標(biāo)準(zhǔn)段、壓坡段組成，高度范圍429.40～370.00 m。漸變段直徑為11.0～8.0 m，高度10.0 m；標(biāo)準(zhǔn)段豎井直徑8.0 m，高49.4 m，其中豎井底部消力井深8.0 m；壓坡段斷面為矩形，長(zhǎng)21.4 m。

（4）明流洞設(shè)計(jì)斷面為城門洞型，寬6.5 m，高8.5 m，頂拱中心角120°，設(shè)計(jì)底坡i=1%。

豎井泄洪洞平面剖面示意圖如圖1所示。

3 旋流豎井結(jié)構(gòu)尺寸的確定

旋流豎井結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算主要包括豎井直徑計(jì)算、渦室直徑計(jì)算、豎井漸變段高度計(jì)算、引水道與渦室連接段的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算。計(jì)算公式詳見《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第7卷《泄水與過壩建筑物》。

圖1 豎井泄洪洞平面示意圖

經(jīng)計(jì)算：豎井直徑取D=8.0 m；渦室直徑取Dw=11.0 m；豎井漸變段高度取Ls=10.0 m。

引水道與渦室連接段采用1/4橢圓，取值：長(zhǎng)半軸a=18.5 m；短半軸b=10.5 m。

隧洞內(nèi)水位不超過直墻段，水面以上凈空面積滿足規(guī)范要求。

4 水力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算

為保證豎井旋流計(jì)算的精確性，采用FLOW 3D軟件中的VOF法計(jì)算豎井消能。VOF（The Volume of Fluid）法是求解不可壓縮、黏性、瞬變和具有自由面流動(dòng)的一種數(shù)值方法，適用于兩種或多種互不穿透流體間界面的跟蹤計(jì)算。計(jì)算區(qū)域采用矩形網(wǎng)格，堰頂附近網(wǎng)格尺寸0.3 m，其余部位網(wǎng)格尺寸0.3～1.0 m不等，網(wǎng)格總數(shù)約156萬。模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬三維圖

4.1 旋流豎井泄洪洞過流能力

本工程為豎井式泄洪洞，無閘門控制，泄流為自由出流。對(duì)泄流能力的數(shù)值模擬結(jié)果表明，庫水位為設(shè)計(jì)水位444.72 m（100年一遇設(shè)計(jì)）時(shí)，數(shù)值模擬的泄流量367.03 m3/s，比設(shè)計(jì)值244.0 m3/s大123.03 m3/s，大了33.5%；庫水位為校核水位445.27 m（2 000年一遇校核洪水）時(shí)，數(shù)值模擬的泄流量444.93 m3/s，比設(shè)計(jì)值416.0 m3/s大6.5%。泄流能力均滿足設(shè)計(jì)流量要求。

4.2 旋流豎井泄洪洞流態(tài)

小流量工況下豎井內(nèi)水流能順利起旋，設(shè)計(jì)水位和校核水位工況下水流流態(tài)穩(wěn)定。各水位工況下，水流均能在豎井內(nèi)形成旋流，消能效果較好，下游側(cè)平直段水位穩(wěn)定。

從圖3～6可以看出，在校核水位工況下：（1）引水渠內(nèi)水流平順無渦流，隨著底坡增大，水流流速逐漸加大；（2）經(jīng)過引水渠后，渦室段水流順利起旋，水流貼壁旋流，中間形成空腔；（3）豎井上部水流形成三維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不同高程截面水流旋轉(zhuǎn)方向均為順時(shí)針，隨著高程的降低，水流流速逐漸加大，水流主要集中于豎井的壁面并沿壁面旋轉(zhuǎn)，在豎井內(nèi)部形成了一定范圍的空腔；（4）豎井下部隨著高程的降低和底部水墊的頂托，降低直至某一高程，空腔消失，水流翻滾消能，并從壓坡段流出；（5）水流在壓坡段末端由有壓流變成無壓流，在明流洞內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，流速逐步降低，水深加深，且有較大凈空。

圖3 收縮段水流流態(tài)（校核水位工況）

圖4 豎井內(nèi)不同高程截面流速云圖（校核水位工況）

4.3 結(jié)構(gòu)尺寸的驗(yàn)證

旋流豎井在計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸的前提下進(jìn)行水力學(xué)數(shù)值模擬，流態(tài)穩(wěn)定，消能效果良好，引渠段和明流洞內(nèi)水流最大流速與水力學(xué)公式計(jì)算相近，選定尺寸合理，計(jì)算結(jié)果可靠。

圖5 豎井內(nèi)流速云圖（校核水位工況）

圖6 明流洞內(nèi)流速云圖（校核水位工況）

5 結(jié)語

（1）旋流豎井消能是一種新型的消能措施，應(yīng)用于高山峽谷地區(qū)的中小泄量水利工程的泄洪建筑物，有利于工程布置和節(jié)省投資，有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（2）青山?jīng)_水利樞紐工程在已有工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際情況，布置了旋流豎井泄洪洞，通過數(shù)值模擬計(jì)算驗(yàn)證了其良好的消能效果，減少了邊坡擾動(dòng)、節(jié)省了投資，為工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也促進(jìn)了旋流豎井消能技術(shù)在國(guó)內(nèi)水利工程中的應(yīng)用。

（3）青山?jīng)_水利樞紐工程對(duì)于豎井內(nèi)的水流流態(tài)、建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等仍需進(jìn)一步研究。