燕尾坎+水墊塘組合消能工的挑坎體型優(yōu)化研究

李金鍵,龔漢忠,鄒君韜,馬旭東,楊慶*

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都,610065;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,成都,610065;3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司重慶分公司,重慶,401121)

0 引言

位于窄深河谷中已建和在建的高水頭、大流量水電工程(如烏東德、溪洛渡、白鶴灘等)泄洪消能和防沖問題突出,工程上常常在下游修建二道壩及混凝土襯砌的水墊塘對高拱壩下跌水流進(jìn)行消能,以保證大壩及下游建筑物的安全穩(wěn)定[1]。烏東德水電站泄洪消能建筑物具有規(guī)模大、布置難度高,挖除覆蓋層后壩址消能區(qū)天然水墊深厚等特點(diǎn),通過壩身布置挑跌流孔口,壩下設(shè)置“護(hù)岸不護(hù)底”的水墊塘進(jìn)行消能,泄洪期間能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。拉西瓦水電站水墊塘具有容積較小,水深較淺的特點(diǎn),經(jīng)研究及工程實(shí)踐表明,反拱水墊塘更適用于河谷狹窄、岸坡陡峻、坡腳地應(yīng)力較高的地形地質(zhì)條件,以及沖擊動(dòng)水壓力大、入塘水舌難以形成充分?jǐn)U散水力條件的高拱壩泄洪消能[3]。

目前,對于基巖抗沖流速小、天然水深淺的狹窄河道,通過設(shè)置水墊塘進(jìn)行泄洪洞泄洪消能的研究較少。本文采用1∶1建模,使用Flow-3D數(shù)值模擬軟件,對比不同體型下燕尾坎+水墊塘組合消能工的消能效果。

1 工程概況

某水利工程泄洪洞全長593.34m,采用WES實(shí)用堰,泄洪洞長418.86m,洞寬8.5m,采用挑流消能。校核洪水流量為1250.0m3/s,校核水位為831.77m,對應(yīng)下游水位為757.30m,天然水深6.32m;設(shè)計(jì)洪水流量為873.0m3/s,設(shè)計(jì)水位為830.00m,對應(yīng)下游水位為756.10m,天然水深5.12m;消能防沖洪水流量788.0m3/s,對應(yīng)下游水位為755.80m,天然水深4.82m。

泄洪洞出口下游河谷狹窄呈“U”形,河床基巖主要為泥巖及泥質(zhì)粉砂巖,基巖層抗沖流速為1.0m/s～1.5m/s。挑流消能布置方案見圖1。

圖1 泄洪洞布置

由模型試驗(yàn)得,泄洪洞出口采用挑流消能時(shí),下游河床兩岸沖坑深度大,兩岸防護(hù)難度高,故采用人工開挖水墊塘來減少?zèng)_刷,以保障岸坡安全和節(jié)省工程投資。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方法及可靠性驗(yàn)證

數(shù)值模擬方法基于VOF(流體體積法)單相流模型和RNGk-ε方法模擬模型的水流特性。使用隱式壓力求解器,應(yīng)用GMRES方法求解離散方程?？刂品匠贪?不可壓縮流體湍流狀態(tài)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、重整化紊動(dòng)能耗散率方程及追蹤流體自由表面的流體體積函數(shù)F的輸運(yùn)方程。

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

RNGk-ε方程:

Cε1=1.42-η(1-η/η0)(1+βη3)

流體體積函數(shù)F的輸運(yùn)方程:

為保證數(shù)值計(jì)算的可靠性,本文在工程設(shè)計(jì)體型下,將消能工況流量下的水面線數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,圖2為泄洪洞泄槽段及消能段的沿程水深示意,數(shù)值模擬的沿程水深與實(shí)測值誤差在10%之內(nèi),認(rèn)為選取的紊流模型、網(wǎng)格密度合理,數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

圖2 沿程水深對比(Q=788m3/s)

2.2 計(jì)算體型及網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬體型根據(jù)泄洪洞與水墊塘銜接體型的不同分為三種。體型一為自由跌流,體型二及體型三泄洪洞出口分別設(shè)置挑角為13°及-0.9°的對稱燕尾坎,燕尾坎入口部位缺口的寬度為2.5m,出口寬6.5m,左右兩側(cè)留置的挑坎寬度為1.0m。具體體型見圖3。

(a)體型一布置

(b)體型二布置

(c)體型三布置圖3 體型布置

按原型1∶1建立三種體型的幾何實(shí)體模型,模擬范圍從實(shí)用堰進(jìn)口斷面至水墊塘出口20m。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格全部使用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格劃分,計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為224萬,上游為壓力邊界,在給定流量下,通過物理模型試驗(yàn)實(shí)測得到對應(yīng)上游水深;下游為自由出流;壁面為無滑移壁面。模型分塊及網(wǎng)格劃分見圖4。

圖4 模型及網(wǎng)格劃分

3 水力特性分析

3.1 水墊塘流態(tài)及水舌形態(tài)

大量實(shí)驗(yàn)表明水墊塘內(nèi)的典型流態(tài)為斜向淹沒沖擊射流和淹沒水躍的混合流態(tài)[4],消能工況下,體型一出流水舌斜向?qū)_水墊塘,水舌落點(diǎn)集中,入流水舌會(huì)迅速下潛至水墊塘底部,對水墊塘底板產(chǎn)生巨大的沖擊壓力,并在尾坎部位上涌,形成大的表面旋滾區(qū),具有明顯的淹沒水躍特征。體型二相比于體型一,增設(shè)燕尾坎之后水舌縱向拉伸明顯,水舌落點(diǎn)范圍增大,泄洪洞與水墊塘之間的銜接流態(tài)顯著改善,體型三減小燕尾坎出口挑角,調(diào)整水舌落點(diǎn)位置,使水墊塘中后段流態(tài)進(jìn)一步改善,水流平順。體型二相比于體型三,挑坎半徑更小,流量集中于燕尾坎缺口處,由于邊墻與中部臨空面造成的壓力差,使水舌近點(diǎn)相較體型一更近[5],同時(shí)流經(jīng)燕尾坎兩側(cè)的流量較少,水舌落點(diǎn)平面呈現(xiàn)“Y”字形。體型三燕尾坎與燕尾坎缺口處過流分布均勻,水舌落點(diǎn)平面呈現(xiàn)“Y”字形。落點(diǎn)平面示意見圖5。水舌落點(diǎn)及特征值示意見圖6、圖7。

圖5 Q=788.0m3/s流態(tài)對比

圖6 Q=788.0m3/s水舌平面落點(diǎn)對比

圖7 水舌特性示意

水舌落點(diǎn)分布范圍及形態(tài)特性見表1,可知當(dāng)流量增大時(shí),各個(gè)體型挑射距離均有增大。在泄洪洞出口增加燕尾坎后水舌沿縱向拉伸明顯,水舌落水面積與水墊接觸交界線周長都顯著增大,體型二相較體型一落水面積增大71.06%,接觸周長增加363.83%;體型三相較體型一落水面積增大49.98%,接觸周長增加214.56%。

表1 水舌特性統(tǒng)計(jì)

3.2 紊動(dòng)能耗散率分布特征

研究和計(jì)算表明,想要增大水墊塘的消能效率,必須設(shè)法增加強(qiáng)紊動(dòng)剪切層區(qū)的范圍,其中強(qiáng)紊動(dòng)剪切層區(qū)位于主流區(qū)與各宏觀漩渦區(qū)的交界區(qū)域,主流在該區(qū)通過強(qiáng)烈紊動(dòng)剪切和擴(kuò)散作用使其有效機(jī)械能(動(dòng)能)不斷地被消剎,因此該區(qū)域是射流有效機(jī)械能消剎的主區(qū)域[6],這部分能量中,由紊流脈動(dòng)消耗的能量最多,因此考慮使用紊動(dòng)能及紊動(dòng)能耗散率沿程分布來衡量各體型間消能效果。圖8給出1250m3/s流量下沿水流方向一定間隔處的紊動(dòng)能分布,明顯看到紊動(dòng)能較大的位置顏色較淺,分布于水舌與水墊塘內(nèi)消能水體剪切劇烈的區(qū)域,此區(qū)域內(nèi)水體紊動(dòng)、剪切劇烈,流速梯度大,消能效率高。隨著水舌流速逐漸均勻,紊動(dòng)能也逐漸減小。

(b)體型二

(c)體型三圖8 Q為1250m3/s紊動(dòng)能分布示意

水舌形態(tài)受挑坎影響較大。體型一中水舌的橫剖面呈現(xiàn)“口”字形,體型二、三呈現(xiàn)“T”字形。

紊動(dòng)能耗散率特征斷面分布見圖9,對比紊動(dòng)能沿程分布,兩者分布規(guī)律相似,均位于水舌與水墊塘內(nèi)水體接觸部分的外緣。說明此區(qū)域內(nèi)紊動(dòng)能耗散損失較大,是水墊塘中進(jìn)行消能的主要區(qū)域,而此部分的消能效果與水舌的特征厚度(越薄流速梯度越大,消能效果越好)、水舌與消能水體的接觸面積等呈現(xiàn)密切聯(lián)系。取流量集中且水舌最厚的水平面寬度為水舌特征寬度,由表2、表3可知,體型二、三相比于體型一的特征水舌寬度都有明顯減小,在流量1250.0m3/s及788.0m3/s下,體型二特征水舌寬度相比于體型一分別減小72.90%、54.84%;體型三特征水舌寬度相比于體型一分別減小22.43%、50.87%。

表2 流量1250m3/s時(shí)水墊塘不同紊動(dòng)能耗散率下的消能體體積

表3 流量788.0m3/s時(shí)水墊塘不同紊動(dòng)能耗散率下的消能體體積

圖9 特征斷面紊動(dòng)能耗散率分布比較

表2、表3為水墊塘不同紊動(dòng)能耗散率下的消能體體積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),圖10為不同工況下紊動(dòng)能耗散率大于等于20J/kg·s時(shí)的消能體示意圖。將上述消能體體積按紊動(dòng)能耗散率作為權(quán)重,分段積分可得紊動(dòng)能耗散率為20J/kg·s時(shí)的等效消能體體積,三種體型下,流量為1250m3/s時(shí)水墊塘等效消能體體積分別為5662.04m3、9749.66m3、8796.67m3。流量為788m3/s時(shí)水墊塘等效消能體體積分別為2346.60m3、6897.79m3、7034.71m3?？芍?dāng)流量為1250m3/s時(shí),體型二等效消能體體積最大,消能效果最好;當(dāng)流量為788m3/s時(shí),體型二、三各項(xiàng)指標(biāo)接近,消能效果體型三略好于體型二。

圖10 DTKE為20J/Kg·s時(shí)等值面示意

3.3 水墊塘沖擊壓強(qiáng)分布

沖擊動(dòng)壓是水墊塘底板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要指標(biāo)之一。常用公式(1)計(jì)算挑射水舌對水墊塘底板的沖擊動(dòng)壓[7]。

(1)

式中,Pmax為水墊塘射流區(qū)域的最大時(shí)均壓強(qiáng);H為水墊水深,取18m;γ為水的容重。

圖11給出了流量為1250.0m3/s及788.0m3/s下底板沖擊動(dòng)壓水頭分布。工況一水墊塘底板最大壓強(qiáng)為15.11m水柱,位于樁號Y0+519.78m中軸線處;工況二水墊塘底板最大壓強(qiáng)為11.95m水柱,位于樁號Y0+531.02m中軸線處;工況三水墊塘底板最大壓強(qiáng)為10.75m水柱,位于樁號Y0+531.02m中軸線處;工況四水墊塘底板最大壓強(qiáng)為6.31m水柱,位于樁號Y0+530.85m中軸線處;工況五水墊塘底板最大壓強(qiáng)為10.78m水柱,位于樁號Y0+530.80m中軸線處;工況六水墊塘底板最大壓強(qiáng)為8.64m水柱,位于樁號Y0+530.73m中軸線處。沖擊動(dòng)壓水頭峰值統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 水墊塘底板沖擊壓強(qiáng)統(tǒng)計(jì)

圖11 底板沖擊壓強(qiáng)水頭分布

比較三種體型可知體型一的底板壓強(qiáng)在沖擊區(qū)處明顯高于增加燕尾坎的其他兩種體型,是由于挑射水舌集中,底板受到的沖擊相對較大。

流量為1250m3/s時(shí),體型二、三的沖擊壓強(qiáng)水頭峰值比體型一分別減少28.86%、28.66%;流量為788m3/s時(shí),體型二、三的沖擊動(dòng)壓峰值比體型一分別減少47.20%、27.70%,主要是由于設(shè)置燕尾坎后,水舌沿縱向拉伸充分,水舌與水墊塘內(nèi)水體接觸面積更大,參與消能的水體體積更大,使主流流速迅速降低,從而減小了底板的沖擊動(dòng)壓。

流量為1250m3/s時(shí),體型二流量集中于水舌落點(diǎn)的首部及尾部,故沖擊壓強(qiáng)水頭出現(xiàn)形似馬鞍的形態(tài)。

4 結(jié)論

基于數(shù)值模型試驗(yàn)得出以下結(jié)論:

(1)通過設(shè)置燕尾坎,能夠使出挑水流獲得更好的縱向拉伸。從而增加水舌與消能水體間的接觸面積,使得水墊塘內(nèi)水體紊動(dòng)更劇烈,消能更充分,從而減小底板沖擊壓強(qiáng)水頭。

(2)通過比較溢洪出流水舌形態(tài)可知,水舌的特征水舌厚度越小,水舌與水墊塘接觸部分面積越大時(shí),消能效果越好。

(3)經(jīng)過流態(tài)、消能效果、沖擊動(dòng)壓等多種因素綜合考慮,體型三較優(yōu),可為相似工程提供參考。