沙灣水電站泄洪渠防護工程數(shù)值模擬計算分析

吳倩倩，劉 華，2，王宇亮，袁勁松，張 穎

（1.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；2.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都 610065；3.中國水電建設集團圣達水電有限公司，四川 樂山 614000；4.中國水利水電第七工程局，四川 成都610065）

1 工程概況

大渡河沙灣電站樞紐工程位于四川省樂山市沙灣區(qū)葫蘆鎮(zhèn)境內(nèi),電站采用一級混合開發(fā)方式,為河床式加長尾水渠開發(fā)方案。壩頂高程435 m,最大壩高28 m,壩頂全長247.70 m,壩軸線長699.86 m,筑壩壅水15.5 m,廠后接長約9 km的尾水渠（邊墻頂部高程按100 年一遇洪水設計）,尾水渠利用落差14.5 m。沙灣電站樞紐主體工程包括左岸非溢流面板壩、儲門槽壩段、10 孔寬14 m的泄洪（沖砂）閘、電站主副廠房、廠房后接長約9 km的電站尾水渠、右岸接頭壩、庫區(qū)防洪堤等建筑物,工程等別為大型二等工程。

沙灣電站自2010 年正式發(fā)電以來,年均發(fā)電量約20 億kW·h,為國家西部用電發(fā)揮了一定的保障作用。電站運行到現(xiàn)在,河道邊界條件、水流流態(tài)等發(fā)生了較大變化：下游河床高程總體下降,左岸泄洪閘后防沖槽發(fā)生沉降,海漫基礎暴露、末端形成跌水,下游河道形成沖坑,見圖1。若不進行除險加固,會逐步加劇下游河床的淘刷,繼而危及海漫、消力池、甚至大壩的安全。2020 年4 月,電站采取臨時應急防護措施,在河道下游樁號0+450.00 處修筑二道堰,汛后發(fā)現(xiàn)臨時堰體在右端（臨近尾水渠左堤）約有60 m被沖毀,形成一深凹河槽。為減輕電站下游河道沖刷以保護建筑物的安全,經(jīng)分析提出在下游修建鋼筋混凝土的防沖尾坎優(yōu)化方案［1-2］。

圖1 現(xiàn)場圖

為分析工程實際問題的原因并探究合適的工程措施,以沙灣電站泄洪渠首為研究對象,建立包括10 孔泄洪沖砂閘、消力池、下游1120 m河道及采取的工程防護措施的計算模型,對原泄洪渠、臨時方案和永久方案分別開展數(shù)值模擬計算：①原泄洪渠：原河道內(nèi)不采取任何工程措施。②臨時方案：在樁號約0+450.00處設二道堰,設計堰頂高程414.5 m,堰頂寬6 m。③永久方案：在原二道堰后100m處設置一道鋼筋混凝土防沖墻尾坎,斷面示意圖見圖2。中間底部高程408.0 m,左右兩側呈逐漸加高設置（坡度為1∶2）,第一級兩側加高至412 m,第二級兩側加高至414 m,之后兩岸沿合適坡度與岸坡418 m高程連接；回填上游河床至411.5 m；拆除應急防護工程。

圖2 防沖尾坎剖面（高程：m，尺寸：cm）

本文選用RNG 雙方程紊流模型［3-4］,VOF方法對上述模型分別開展模擬計算,計算工況為5000 m3/s流量 （10 孔全開敞泄分界流量）和 7940 m3/s（P=10%）流量,從水力學角度分析原泄洪渠和臨時方案的水力特性及問題的原因,進一步探究永久方案的可行性［5-7］。

2 數(shù)學模型

2.1 控制方程

本文采用RNG 兩方程紊流模型計算,能夠更好地處理消力池中形成水躍時伴有的漩渦和回流問題。本文采用的RNGk-ε紊流模型的基本方程為［8］：

式中：ρ為體積分數(shù)平均的密度；為分子粘性系數(shù)；p為修正壓力；t為紊流粘性系數(shù)為經(jīng)驗常數(shù),取C=0.09；σk、σε分別為k和ε的紊流普朗特數(shù),取σk=1.0,σε=1.3；C1ε、C2ε為ε的方程常數(shù),取C1ε=1.44,C2ε=1.92；G為由平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項,

2.2 模型設計及網(wǎng)格劃分

模型計算范圍為壩前50 m到壩后1367 m,壩后范圍包括閘室、消能段、海漫段及下游河床,根據(jù)地形圖數(shù)據(jù)簡化模擬下游河道。原泄洪渠方案三維模型見圖3,臨時方案模型（壩0+450處修建二道堰）與永久方案模型（壩0+550處修建永久方案）模型細節(jié)見圖4［9］。

圖3 沙灣水電站原泄洪渠方案三維模型圖

圖4 臨時方案和永久方案的三維模型細節(jié)圖

2.3 邊界條件

模型試驗的上游來流為恒定流。數(shù)值計算的進口條件為速度進口,限制水面高度以保持來流量；出口條件為自由出流；上下游空氣邊界均設為壓力進口,壓力值為大氣壓強；壁面邊界條件設置為無滑移形式的固壁條件；自由水面采用VOF法進行處理,判斷計算穩(wěn)定的條件為進出口流量差值小于總流量的0.5%。

2.4 數(shù)值模型驗證

為驗證數(shù)值模擬計算的可靠性,對比原泄洪渠整體模型試驗的典型斷面水位［10-12］和數(shù)值模擬計算結果,見表 1,兩者結果基本吻合,建立的數(shù)學模型計算結果是可靠的［13］。

表1 模型試驗結果與數(shù)值模擬計算結果水位對比 單位：m

3 計算結果與分析

3.1 剖面流態(tài)分析

選取泄洪渠四號閘孔中線的縱剖面進行流態(tài)分析,流量為5000 m3/s三種方案計算模型的水體積分布見圖5。閘后下泄水流形成的水躍都比較穩(wěn)定；原泄洪渠閘室到消力池段水面波動明顯；臨時方案閘室下游水流紊動較大甚至出現(xiàn)了回灌的現(xiàn)象,二道堰前產(chǎn)生壅水現(xiàn)象,堰后形成跌水,下游河床水墊小；永久方案防沖尾坎壅水效果好,流態(tài)較為平穩(wěn),尾坎上下游沒有明顯的跌水現(xiàn)象。

圖5 =5000m3/s不同方案的水體積分布圖

3.2 平面流場分析

三種方案計算模型在流量5000 m3/s工況的平面流場（高程416 m）見圖6。

圖6 5000m3/s工況下原泄洪渠模型的平面流場圖

原泄洪渠海漫與下游銜接處流場紊亂,流速較高,主流靠近右岸尾水渠堤；臨時方案海漫與下游河床銜接處有所改善,流速略有減小,堰前水流多處形成橫向漩渦,主流靠近右岸以較高速度沖過堰頂。兩個方案的計算結果顯示,主流靠右岸,出海漫的流速大,這與泄洪渠海漫末端基礎被淘刷、尾水渠左堤堤腳被沖刷以及臨時方案二道堰右側被沖毀的現(xiàn)象是吻合的。

永久方案的計算結果顯示,海漫與下游河床流態(tài)分布均勻,流速明顯減小。防沖尾坎的階梯斷面布置形式,使海漫與下游的河道主流不再靠右,可減小對尾水渠左堤和下游河道的沖刷,起到保護建筑物和下游河道安全的作用。

3.3 流速分析

三種方案計算模型典型橫斷面的流速對比見圖7,兩種流量工況典型斷面的流速分布規(guī)律基本一致。

流量5000 m3/s的流速計算值見表2。閘下出流在經(jīng)過三級消力坎后,流速得到降低,消力坎消能效果明顯；進入海漫流速逐漸增大,原泄洪渠和臨時方案海漫末端流速高達11.42 m/s、9.87 m/s,永久方案海漫的流速略有增大,為6.46 m/s；原泄洪渠和臨時方案下游河道的流速在9.47 m/s、10.02 m/s,永久方案下游河道的流速降至3.54 m/s。

表2 流量為5000m3/s工況不同方案下各典型斷面的最大流速 單位：m/s

原泄洪渠的海漫末端及下游河床的流速大,對河床沖刷嚴重；臨時方案海漫出口處的流速減小不多,對河床仍有較嚴重的沖刷,且主流偏向右岸,故發(fā)生二道堰右側被沖毀60 m的現(xiàn)象,威脅尾水渠左堤的安全。

永久方案有效降低海漫及下游河道的流速,減小對河床的沖刷；采用左右兩側逐步加高的階梯布置設計,將主流引導至河床中部,以保證尾水渠左堤的安全。

圖7 流量分別為5000 m3/s、7490 m3/s時典型斷面流速對比圖

4 結語

本文采用數(shù)值模擬計算方法,對泄洪閘、消能建筑物及下游河道建立三維模型進行水力計算,分析原泄洪渠和臨時方案出現(xiàn)問題的原因,探究永久方案的可行性。

（1）原泄洪渠海漫與下游河床水流紊動劇烈,流速偏大,主流靠右岸,故發(fā)生海漫及下游河道被沖刷、尾水渠左堤面臨危險的工程問題。

（2）臨時方案海漫出口流速略減小,海漫后一定范圍內(nèi)主流偏向右岸,二道堰后形成跌水,水流紊動較大,下游水墊層小,流速加大,導致洪水期二道堰右側被沖毀60 m。

（3）永久方案壅水效果好,海漫及下游河道的流速顯著降低,主流分布均勻,防沖尾坎的階梯布置將主流引導至河床中部,坎上下游水流銜接平順,永久方案對保護右岸尾水渠堤及下游河床的安全是可行的。

本文分析了沙灣電站泄洪渠首永久方案的合理性,計算結果可為方案提供理論依據(jù),對方案的實施有一定的參考價值。