導(dǎo)流放空洞改建工程下游消能方案研究

冷月華，何志亞，李修妍

(1.云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計研究院，云南 蒙自 661100；2.水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室(武漢大學(xué))，湖北 武漢 430072)

目前，國內(nèi)外對導(dǎo)流洞的消能方式主要分為洞外消能和洞內(nèi)消能。洞外消能包括挑流消能和消力池底流消能等[1]，洞內(nèi)消能主要是通過洞內(nèi)體型設(shè)計，使水流通過旋轉(zhuǎn)或突變實現(xiàn)消能[2]。對于導(dǎo)流洞改建工程，目前國內(nèi)外研究主要針對導(dǎo)流洞改建后需要對隧洞進行襯砌、下游消力池加固以及摻氣處理[3]。西班牙的阿爾坎塔拉壩泄水洞采用挑流消能，直接將水流挑入河床中部；泰國的色里克特壩導(dǎo)流洞改建為泄洪洞后下游采用挑流戽消能。針對傳統(tǒng)底流消能不滿足消能效果的問題，張志雁等[4]采用了設(shè)置消力墩和摻氣槽的方式對導(dǎo)流泄洪洞消能工進行優(yōu)化。在數(shù)值模擬研究中，刁奕等[5]采用三維k-ε雙方程紊流數(shù)學(xué)模型，對導(dǎo)流放空洞改建泄洪洞出口跌坎消力池的水力特性進行數(shù)值模擬研究，得出跌坎消力池的入流角度小俯角更優(yōu)的結(jié)論。

本研究針對的導(dǎo)流放空洞改建工程，利用圓鋼管代替原隧洞斷面，下游消能采用的是平臺擴散消能工，其特點是水流在管道出口處先橫向擴散，然后進入消力池借助水躍進行消能，其實質(zhì)上是射流經(jīng)過擴散后的底流消能[6]。本文采用數(shù)值模擬及模型試驗相結(jié)合的方法，對該類型消能工的水力特性進行了研究。

1 工程概況

東津水電站位于江西省修水縣，其導(dǎo)流放空洞位于大壩右岸，橫穿右岸山脊梁，距右壩肩約260 m。進口布置在引水系統(tǒng)進水口上游側(cè)約33.5 m處，出口與地面主廠房右端毗鄰，軸線與引水隧洞近平行布置。整個建筑物由進水口、洞身段、出口消能工段等組成，全長約333 m。其出口消能工段采用平臺擴散消能工，由平臺擴散段、渥奇段、陡坡段及消力池組成[6]。

在東津水電站進行第三次大壩定期檢查時，大壩安全監(jiān)察中心要求對導(dǎo)流放空洞進行改建。導(dǎo)流放空洞改建一期工程已完工，其具體施工內(nèi)容如下：在原導(dǎo)流放空洞樁號(放0+021.500 m～放0+041.5 m)處設(shè)一實心封堵體，在封堵體內(nèi)設(shè)管徑為3.0 m的壓力鋼管，出口設(shè)鋼制悶頭及卸壓排水閥DN250。導(dǎo)流放空洞改建二期工程暫未實施，其設(shè)計主要施工內(nèi)容如下：拆除洞出口弧形閘門、弧門室及出口漸變段混凝土襯砌；采用排水系統(tǒng)放空封堵體與進口閘門之間水體，卸下工作悶頭；將封堵體內(nèi)預(yù)埋管徑為3.0 m的鋼管引接至出洞口；出口設(shè)檢修球閥、工作悶頭及卸壓排水閥，并改建出口閥室；對出口消力池進行加固、改建。

導(dǎo)流放空洞二期改建工程設(shè)計方案布置圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)流放空洞改建工程設(shè)計方案布置圖(單位：m)

2 現(xiàn)狀設(shè)計方案試驗成果

模型試驗主要驗證不同庫水位(125.00～190.00 m)下，管內(nèi)不同流態(tài)(無壓流-半有壓半無壓流-有壓流)放空泄流時，鋼管泄流與現(xiàn)狀消力池消能是否匹配。下游水位按照業(yè)主單位提供的電站運行水位進行控制。

2.1 模型制作

水工模型制作遵循《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程[SL155-2012]》[7]。模型制作范圍為導(dǎo)流放空洞口以上進水口段約30 m，下游尾水渠段約40 m。模型總長約386 m。模型幾何比尺λL=40。導(dǎo)流放空洞上游進水段、洞身段、出口消能工段及下游出水渠段均采用有機玻璃制作。

2.2 模型試驗成果

根據(jù)試驗成果，現(xiàn)狀設(shè)計方案導(dǎo)流放空洞敞泄時，實測下泄流量均大于設(shè)計計算下泄流量，泄流能力滿足設(shè)計要求。

特征水位下放空泄洪時沿程水深及消力池流速變化規(guī)律如下：當庫水位位于125.00～129.84 m之間時，導(dǎo)流放空洞內(nèi)水流呈無壓流態(tài)，管內(nèi)流態(tài)平順。當庫水位位于129.84～133.32 m之間時，導(dǎo)流放空洞洞內(nèi)為半有壓半無壓流，洞內(nèi)水流呈小波浪式前進，洞頂余幅在0.96～2.20 m之間變化，水流較平順。導(dǎo)流放空洞出口水深為0.80～1.80 m，流速為7.19～8.58 m/s。鋼管出口挑射水流于樁號0+223.000 m附近與消力池斜坡段相遇，此處流速達7.84 m/s。在樁號0+234.780 m附近處的消力池斜坡段形成水躍，水躍長度約為10.00～14.12 m。消力池平坡段流速在0.16～0.25 m/s之間變化，池內(nèi)水深約6.05 m，水面平穩(wěn)。尾坎段出口流速約1.11～1.94 m/s，與下游河道水流平穩(wěn)銜接。消力池內(nèi)消能充分。

當庫水位高于133.32 m后洞內(nèi)為有壓流。水流出導(dǎo)流放空洞后，鋼管出口挑射水流于樁號0+226.600～0+228.000 m間與消力池斜坡段相遇，之后6 m處流速達23.62 m/s。水流在消力池斜坡段形成水躍，躍首水深在1.8～2.4 m變化。收縮斷面出現(xiàn)在樁號0+242.780～0+244.680 m間，該處底部主流水深達到最小值0.8～1.2 m，流速約為13.0 m/s。水流在反弧段因消力墩作用在樁號0+245.980～0+247.180 m間向上抬升，流速在10.26～13.50 m/s變化。部分水流在消力墩后產(chǎn)生漩滾，最大回流流速達5.86 m/s。水流經(jīng)消力池水平段流速明顯減小，流速在1.42～2.72 m/s間變化。池內(nèi)最大水深約8.20 m，現(xiàn)狀消力池邊墻高度滿足要求。水流在尾坎頂部底部流速約為2.90～3.57 m/s之間變化。水流越過尾坎后，形成一弱水躍，底部流速在3.36～5.00 m/s之間變化，而后水面回升，與下游水流平順銜接。各特征水位下沿程流態(tài)如圖2所示。

由試驗結(jié)果分析可知，現(xiàn)狀設(shè)計方案泄流能力滿足要求。導(dǎo)流放空洞出口均為自由出流，消力池與各特征水位下的泄流匹配度較好、消能效果較好。但洞內(nèi)有壓流狀態(tài)泄流時，鋼管出口水流擴散，在消力池斜坡段出現(xiàn)的沖擊流速最大值達到23.62 m/s。對現(xiàn)狀消力池斜坡段底板抗沖提出了較高要求。考慮到導(dǎo)流放空洞尚有一定的泄流能力富余，現(xiàn)狀消力池布置基本能滿足防沖消能要求，擬將導(dǎo)流放空洞出口適當延長，充分利用富余的泄流能力，形成稍有淹沒的泄流，減少現(xiàn)狀設(shè)計方案有壓流泄洪時對消力池斜坡段底板的沖擊。

3 數(shù)值模擬方案及成果

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本文利用FLUENT軟件進行數(shù)學(xué)建模及計算，采用標準紊流模型，采用有限體積法作為方程的離散方法，VOF法追蹤自由表面，選取適用于非穩(wěn)態(tài)的PISO算法進行求解。

為更好擬合模型邊界，加快收斂速度，提高網(wǎng)格精準度，模擬區(qū)域采用混合網(wǎng)格進行劃分。導(dǎo)流放空洞出口處、切割形成的不規(guī)則體采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。上游水庫、洞身段、消力池等使用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m，有效網(wǎng)格數(shù)約124萬。

本次計算區(qū)域邊界條件：采用壓力進口和壓力出口邊界(Pressure)，進口庫水位165.00 m，進口流速為0.061 m/s。導(dǎo)流放空洞及下游消能設(shè)施固體壁面采用無滑移壁面邊界(Wall)，湍流近壁的粘性底層采用壁函數(shù)法來處理。消力池頂部邊界以及下游出口區(qū)域頂部邊界設(shè)置壓力邊界，壓強為大氣壓。

3.2 數(shù)值模擬方案

經(jīng)過試驗中不斷探索，擬將現(xiàn)有布置下的鋼管出口延長至樁號0+243.480 m處，出口底部高程118.32 m(優(yōu)化方案一)；擬將現(xiàn)有布置下的鋼管出口延長至樁號0+239.980 m處，出口底部高程119.70 m(優(yōu)化方案二)。布置簡圖如圖3、圖4所示。

圖3 導(dǎo)流放空洞優(yōu)化方案一布置示意簡圖

圖4 導(dǎo)流放空洞優(yōu)化方案二布置示意簡圖

3.3 數(shù)值模擬可靠性驗證

現(xiàn)將現(xiàn)狀設(shè)計方案的數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗數(shù)據(jù)進行對比，以驗證數(shù)值計算方法的合理性，為后續(xù)研究提供條件和依據(jù)。由圖5所示，數(shù)值計算與模型試驗幾個典型斷面的流速誤差最大約6.1%，水力參數(shù)整體吻合度較高，分布規(guī)律基本一致。

圖5 現(xiàn)狀設(shè)計方案物模與數(shù)模流速水深對比圖

3.4 數(shù)值模擬成果分析

上游庫水位控制在165 m放空泄流時，優(yōu)化方案上游水庫水流平穩(wěn)，洞身段未見氣泡進入。洞內(nèi)呈有壓流態(tài)，流態(tài)良好。優(yōu)化方案導(dǎo)流放空洞出口均形成淹沒出流。水流越過消能墩后，下部水流斜向升至消力池表面。消力池內(nèi)水流漩滾發(fā)育，氣泡豐富。水流越過消力池尾坎后水面再次跌落，形成一弱水躍。水流與下游河道水流平順銜接，流向下游。數(shù)值模擬流態(tài)如圖6、圖7所示。

圖6 優(yōu)化方案數(shù)值模擬流態(tài)側(cè)視圖

圖7 優(yōu)化方案數(shù)值模擬流態(tài)俯視圖

各優(yōu)化方案典型斷面流速水面線如表1所示。

表1 優(yōu)化方案流速水面線表

優(yōu)化方案下消力池斜坡段最大流速分別為18.5 m/s和16.39 m/s，池內(nèi)最大臨底流速分別為14.14 m/s和14.50 m/s?？紤]到趾墩長期安全運行，以及優(yōu)化方案一相對于優(yōu)化方案二在無壓流下更易形成悶頭，無法自由下泄，故將優(yōu)化方案二作為推薦方案開展物理模型試驗進行驗證。

4 推薦方案模型試驗

推薦方案導(dǎo)流放空洞敞泄時，出口延長形成淹沒流，但實測下泄流量均大于設(shè)計計算下泄流量，該方案下泄流能力滿足設(shè)計要求(見圖8)。

圖8 推薦方案消力池段流態(tài)圖

特征水位下放空泄洪時沿程水位及消力池流速變化規(guī)律如下：當庫水位位于125.00～129.88 m之間時，導(dǎo)流放空洞內(nèi)水流呈無壓流態(tài)順著管道流向下游消力池，管內(nèi)流態(tài)平順。出口處呈淹沒狀態(tài)，消力池內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)。當庫水位位于129.88～131.92 m之間時，導(dǎo)流放空洞洞內(nèi)為半有壓半無壓流，洞內(nèi)水流較平順，有一定的洞頂余幅。導(dǎo)放洞口呈淹沒出流，出口處水深為3.67 m，流速為9.17 m/s。消能墩墩頂流速為4.93 m/s，消力池中軸線墩間處流速為2.35 m/s。消力池內(nèi)水流平順，平坡段水深約6.88 m，流速約為2.55 m/s。主流越過尾坎后水深約為2.48 m，流速約為1.89 m/s，消能充分。

當庫水位高于131.92 m后導(dǎo)流放空洞洞內(nèi)為有壓流。導(dǎo)流放空洞出口(0+239.98 m)形成淹沒出流，出口處水深約為3.58～4.16 m，底部流速為14.22～14.86 m/s；消能墩(0+248.780 m)墩頂流速為14.22～14.86 m/s，消力池中軸線墩間處流速為5.21～8.60 m/s，墩底流速為4.31～4.93 m/s。水流越過消能墩后，下部主流在樁號0+256.180～0+262.380 m處形成最大臨底流速，其值約為13.45 m/s。水流經(jīng)消力池水平段流速減小為3.78 m/s。池內(nèi)最大水深約9.00 m，現(xiàn)狀消力池邊墻高度滿足要求。水流在尾坎處底部流速約為1.45 m/s。水流越過尾坎后，在樁號0+287.400～0+289.000 m形成一弱水躍，底部流速為7.86 m/s，而后與下游水流平順銜接。

與現(xiàn)狀設(shè)計方案相比，有壓流狀態(tài)泄流時，消力池斜坡段最大流速由23.62 m/s降為14.86 m/s；池內(nèi)最大臨底流速由5.76 m/s升至13.34 m/s；尾坎后流速由1.99 m/s升至3.09 m/s；池內(nèi)消能充分，有壓流下消能率達88%以上。推薦方案能滿足業(yè)主及設(shè)計單位要求，可作為工程實施推薦方案。

5 結(jié) 語

本文針對東津電站導(dǎo)流放空洞二期改建工程采用FLUENT軟件數(shù)值模擬以及物理模型試驗相結(jié)合的方法，對導(dǎo)流放空洞改建后下游消能防沖設(shè)施是否匹配進行了模擬及驗證。論文取得的主要成果如下：

1)現(xiàn)狀設(shè)計方案模型試驗表明：現(xiàn)狀設(shè)計方案泄流能力滿足要求，導(dǎo)流放空洞出口均為自由出流，消力池與各特征水位下的泄流匹配度較好、消能效果較好。但洞內(nèi)有壓流狀態(tài)泄流時，在消力池斜坡段出現(xiàn)的沖擊流速最大值達到23.62 m/s。

2)現(xiàn)狀設(shè)計方案數(shù)值模擬和物理模型成果吻合良好，數(shù)模結(jié)果可靠。針對導(dǎo)流洞出口延長的優(yōu)化方案進行的數(shù)值模擬結(jié)果表明：導(dǎo)流放空洞優(yōu)化方案二可降低消力池斜坡段流速，消能效果較好，同時其泄流能力也能滿足要求。

3)優(yōu)化方案二的物理模型試驗成果表明：該方案消力池斜坡段最大流速為14.86 m/s；池內(nèi)消能充分，有壓流下消能率達88%以上。該方案可利用現(xiàn)有下游消能建筑物，既滿足消能防沖要求，又無需對下游消能設(shè)施進行較大改建，能降低改建工程量及工程造價，可作為工程實施推薦方案。