溢洪道收縮段結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

焦致銳,王濤,王大川,趙斌,謝美鈴

(1.中水君信工程勘察設(shè)計(jì)有限公司,成都,610073;2.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,成都,610039)

0 引言

溢洪道是水利水電樞紐工程中的一項(xiàng)主要建筑物,對(duì)保護(hù)大壩安全起著重要作用[1]。一般包括進(jìn)水段、控制段、收縮段、泄槽段、消能段和出水段。收縮段是進(jìn)水渠與泄槽段的連接部分,其作用是減小泄槽寬度以節(jié)省泄槽土石方開(kāi)挖量和襯砌工程量[2]。傳統(tǒng)泄水建筑物的下泄水流一般為急流,易造成收縮段產(chǎn)生明顯的急流沖擊波,對(duì)收縮段及其下游的流態(tài)產(chǎn)生不利的影響[3-4]。尤其是部分開(kāi)敞式溢洪道中入水口凈寬較大,控制水流流速及流態(tài)尤為重要,由于受地形、地質(zhì)、樞紐布置、施工、運(yùn)行條件等方面的限制,要改變溢流堰和泄槽段的位置或軸線是比較困難的,只有選擇合適的收縮段形態(tài)才能改善水流條件,增加溢洪道的泄洪效率[5-7]。

本文結(jié)合工程實(shí)際,改進(jìn)設(shè)計(jì)溢洪道收縮段結(jié)構(gòu),并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析溢洪道常用直線型收縮段和改進(jìn)收縮段結(jié)構(gòu)內(nèi)水流流態(tài),說(shuō)明收縮段結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的可行性和實(shí)用性。

1 溢洪道結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

某Ⅲ等中型水庫(kù)以農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水為主,兼有防洪等綜合效益,主要建筑物級(jí)別為3級(jí),水庫(kù)總庫(kù)容1136萬(wàn)m3,水庫(kù)正常蓄水位1305.00m,設(shè)計(jì)洪水位1306.28m,校核洪水位1306.82m。水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、上壩公路組成。溢洪道位于大壩右側(cè),全長(zhǎng)451.78m,從上游至下游依次為進(jìn)水段、控制段、收縮段、泄槽、消能防沖段,采用底流消能的形式。左岸工程地質(zhì)條件良好,但該地段地形陡峭,地形坡度達(dá)35°以上,而巖體風(fēng)化強(qiáng)烈,強(qiáng)風(fēng)化層厚度大,邊坡開(kāi)挖較高,開(kāi)挖量較多,邊坡處理難度及投資較大,且溢洪道開(kāi)挖對(duì)大壩施工填筑互相干擾,不利于大壩施工控制。結(jié)合工程實(shí)際情況,改進(jìn)設(shè)計(jì)溢洪道收縮段結(jié)構(gòu)由寬淺式迅速變?yōu)檎瓬\式,改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示,旨在保證溢流流態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上有效提高斷面收縮效率,減小收縮段的開(kāi)挖量,提高工程整體施工進(jìn)度。

圖1 溢洪道收縮段結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意

改進(jìn)溢洪道收縮段斷面為矩形,入口寬淺段寬B=60m,出口窄淺段平緩段凈寬b=8m,邊墻高5m,底板厚2m,邊墻厚1.5m,表面采用50cm厚C30硅粉混凝土澆筑。采用反曲線并迅速收縮為窄淺段,寬淺段內(nèi)側(cè)邊墻轉(zhuǎn)彎半徑R1=20m,角度55°,窄淺段內(nèi)側(cè)邊墻轉(zhuǎn)彎半徑為R2=40m,角度55°。改進(jìn)收縮段尺寸標(biāo)注見(jiàn)圖2,該尺寸下的改進(jìn)收縮段占地面積為1507.5788m2,相同出入口尺寸的常用直線型收縮段占地面積為1680.8523m2,其尺寸標(biāo)注見(jiàn)圖2。改進(jìn)收縮段占地面積較常用直線型收縮段小173.2735m2,減小了收縮段的占地面積,節(jié)省土石方開(kāi)挖量和襯砌工程量。

(a)直線型收縮段 (b)改進(jìn)收縮段圖2 平面尺寸標(biāo)注示意

2 計(jì)算原理及模型

2.1 控制方程

采用Fluent軟件中的RNGκ-ε模型和速度-壓力耦合SIMPLE算法對(duì)溢洪道收縮段流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,求解采用主要方程表達(dá)式如下:

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

為了對(duì)比分析溢洪道收縮段結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)效果,分別建立直線型收縮段和改進(jìn)收縮段結(jié)構(gòu)模型。使用ICEM CFD對(duì)所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,直線型收縮段模型網(wǎng)格單元數(shù)為4114,節(jié)點(diǎn)數(shù)為2056;改進(jìn)收縮段模型網(wǎng)格單元數(shù)為3626,節(jié)點(diǎn)數(shù)為1811。劃分后的兩種收縮段結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型如圖3所示。

(a)直線型收縮段

(b)改進(jìn)收縮段圖3 網(wǎng)格模型

根據(jù)實(shí)際工程情況設(shè)置入口流速為7.87m/s,并將出口邊界條件設(shè)置為自由出流,邊墻邊界條件均設(shè)置為無(wú)滑移速度邊界[8]。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)效果分析

3.1 水流流速分析

分別對(duì)直線型收縮段和改進(jìn)收縮段結(jié)構(gòu)內(nèi)水流進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,兩種收縮段的流速分布如圖4所示。

(a)直線型收縮段

由圖4可知:(1)直線型收縮段中的水流流速在橫向上呈現(xiàn)著明顯的中間大兩邊小的趨勢(shì),沿軸向逐漸增大;改進(jìn)收縮段中的水流流速在橫向上分布較為均勻,沿軸向逐漸增大。(2)兩種收縮段的最大流速均出現(xiàn)在出口處,其中,直線型收縮段的最大流速Vmax=58.60m/s,改進(jìn)收縮段的Vmax=60.06m/s,改進(jìn)收縮段的最大流速Vmax較直線型收縮段提高了2.5%,增強(qiáng)了溢洪道的泄洪效率。

3.2 水流湍動(dòng)強(qiáng)度分析

兩種收縮段結(jié)構(gòu)內(nèi)水流湍動(dòng)強(qiáng)度分布如圖5所示。

(a)直線型收縮段

(b)改進(jìn)收縮段圖5 湍動(dòng)強(qiáng)度分布云圖

由圖5可知:(1)兩種收縮段結(jié)構(gòu)中的水流湍動(dòng)強(qiáng)度分布相似,僅在靠近出口的邊墻處發(fā)生較大湍動(dòng)強(qiáng)度。(2)兩種收縮段結(jié)構(gòu)的水流平均湍動(dòng)強(qiáng)度數(shù)值相近,其中,直線型收縮段水流平均湍動(dòng)強(qiáng)度為0.140m2/s2,改進(jìn)收縮段水流平均湍動(dòng)強(qiáng)度為0.158m2/s2。

4 結(jié)語(yǔ)

利用Fluent中的RNGκ-ε模型對(duì)兩種溢洪道收縮段結(jié)構(gòu)內(nèi)水流進(jìn)行了二維數(shù)值模擬計(jì)算,經(jīng)比較分析得到主要結(jié)論如下:

(1)溢洪道收縮段由寬淺式變?yōu)檎瓬\式的改進(jìn)結(jié)構(gòu)較直線型收縮段的面積小173.2735m2,減小了收縮段的占地面積,節(jié)省土石方開(kāi)挖量和襯砌工程量。

(2)改進(jìn)溢洪道收縮段結(jié)構(gòu)中的水流流態(tài)在橫向上分布更均勻,且提高了出口處的水流流速,提高了溢洪道的泄洪效率。

(3)兩種收縮段結(jié)構(gòu)中的水流湍動(dòng)強(qiáng)度分布相似,水流平均湍動(dòng)強(qiáng)度值相近。

(4)溢洪道收縮段由寬淺式變?yōu)檎瓬\式的改進(jìn)結(jié)構(gòu)具有占地面積小、泄洪效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),相關(guān)成果可為溢洪道工程設(shè)計(jì)提供參考。