水電站沉沙池水沙運動規(guī)律的分析

武玲俠

(千陽工業(yè)園區(qū)管理委員會，陜西 寶雞 721100)

0 引言

我國的河川徑流是水資源的總要部分，其中大約有5萬多條流域面積大于100 km2的河流。雖然水資源比較豐富，但很多河流中都會攜帶大量的泥沙，這些泥沙會對河流的資源利用造成很大問題[1-4]。為了進(jìn)一步有效的利用河流資源，如何減小泥沙含量問題顯得尤為重要，因此需要通過一些方法處理河流，減小河流中泥沙含量，提高河水資源的利用率。

使用沉沙池是目前處理河流常見手段之一[5-7]，沉沙池可減小水流流速，減小河流攜帶泥沙的能力，可有效降低河流中泥沙含量。我國有許多學(xué)者對沉沙池進(jìn)行了研究分析，李琳等[8]研究了新異型向流沉沙池的泥沙沉降特性，得到了新異型向流沉沙池的泥沙截除率。鐘小彥等[9]對沉沙池進(jìn)行數(shù)值模擬并與物理模型相結(jié)合，得到了沿程與全年平均泥沙沉積率的關(guān)系。劉進(jìn)等[10]使用數(shù)值模擬和物理模型試驗研究沉沙池首部擴散段的排沙情況，并確定了最優(yōu)排沙方案。李云勛等[11]通過數(shù)學(xué)模型對沉沙池的淤積特性進(jìn)行研究，并闡述了計算方法和計算原理。

由上述研究現(xiàn)狀可知，目前我國對沉沙池的研究成果十分豐富，但未研究沉沙池中的水沙運動規(guī)律。本文通過某有限元軟件模擬沉沙池內(nèi)的水流流速和泥沙含量變化，并結(jié)合物理模型試驗驗證數(shù)值模擬的可行性，對實際工程提供理論依據(jù)與參考價值。

1 工程概況

某水電站是高水頭徑流式水電站，以發(fā)電為主要任務(wù)。水電站主要由電站廠房、進(jìn)水口、沉沙池、壓力管道、引水渠道等建筑物構(gòu)成。水電站的引水流量為1.71 m3/s，設(shè)計水頭為400 m，裝機容量為5 000 kW，河道近5 a平均泥沙總量為2.3 t，推移質(zhì)沙量為0.4萬 t，懸移質(zhì)沙量為1.9萬 t。河水泥沙情況見表1。

沉沙池主要組成成分包括：引水明渠、首部擴散段、池身、出水室、沖沙閘、沖沙泄水道。引水明渠寬 2 m，首部擴散段長7 m，與引水明渠連接部分寬2 m，與池身連接部分寬7 m，坡度為0.093 3，高程由1 347.942變至1 346.822。池身寬7 m，長40 m。出水室和沖沙閘長6.5 m，正向沖沙，側(cè)向進(jìn)水。沖沙道入口的平板沖沙閘門寬1 m，長1 m。沖沙泄水道寬1.2 m，長18 m，坡度為1%。

表1 河水泥沙

2 數(shù)值模擬

使用某有限元軟件對水流泥沙運動規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。首先使用二維水流紊流模型，離散時使用控制體積法，差分格式選用上風(fēng)差分。在對流量方程進(jìn)行離散時，差分格式為有限分析五點格式。在網(wǎng)格劃分時，使用交錯網(wǎng)格技術(shù)，然后根據(jù)三對角矩陣和高斯一塞德爾迭代求解方程組。

2.1 控制方程

水流連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

紊動能方程：

(3)

紊動能耗散率方程：

(4)

式中：ui代表沿著i方向上的速度分量，i=1,2。xi和xj分別代表沿i和j方向的坐標(biāo)，i、j=1,2；fi代表沿i方向的質(zhì)量力；p和vi分別代表壓力和水的運動粘性系數(shù)，其中下標(biāo)i代表沿i方向的運動粘性系數(shù)。uj為沿j方向的速度分量，k和vt分別為固體壁面紊動動能和渦粘系數(shù)，σk為1.0。Pr和ε分別為紊動能生成率和固體壁面紊動耗散率。σε，Cε1，Cε2均為常數(shù)，分別為1.3、1.44、1.92。

2.2 邊界條件

沉沙池入口處的平均流速由橫截面面尺寸和流量計算，在垂直方向上來流速度表現(xiàn)為對數(shù)分布。流場在出口和固壁分別按照靜水壓力分布和無滑移的邊界條件，在計算固壁處的摩阻流速時，使用壁面函數(shù)法。由于流場的表面為自由水面，因此可平面對稱處理速度和紊動動能，以此求得紊動能耗散率。沉沙池的模型結(jié)構(gòu)見圖1，其他參數(shù)與圖1相同。

2.3 網(wǎng)格的生成

模擬的模型采用網(wǎng)格劃分方式，節(jié)點利用坐標(biāo)網(wǎng)格創(chuàng)建，2個節(jié)點間建立直線，由邊建立面。隨后分布網(wǎng)格節(jié)點，并把網(wǎng)格建立在面上，布置320×50個非結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格于沉沙池計算區(qū)域內(nèi)。在布置網(wǎng)格時，為了更貼合實際情況，根據(jù)水流狀態(tài)布置網(wǎng)格，沉沙池內(nèi)流速平緩，所以網(wǎng)格布置較均勻，而進(jìn)口處流速較快，則網(wǎng)格布置較密集。

圖1 沉沙池平面圖

3 物理模型試驗

圖2 沉沙池測點網(wǎng)格布置

4 結(jié)果分析

圖3為沿程縱向平均流速。從圖中可知縱向平均流速總體上逐漸減小，但呈現(xiàn)出波動狀，在y=4.4 m時，平均流速有較大幅度的減小，此后波動幅度逐漸減小。波動幅度越小，說明縱向流速分布越均勻，流場分布也越均勻，意味著沉沙池可有效的使泥沙在沉沙池內(nèi)沉降。此外，數(shù)值模擬計算值與實際值相差很小，證實了使用有限元模擬縱向平均流速的可行性。

圖3 縱向平均流速

圖4為C3斷面上的橫向平均流速。從圖中可知，C3斷面的橫向流速沿x軸先增大后減小，在x=2.9時流速最大，流速為0.38 m/s。流速在沉沙池左側(cè)和右側(cè)時較小，在x=0時流速為0.22 m/s，在x=7時流速為0.2 m/s。沉沙池中心流速較快，而兩側(cè)流速較慢，內(nèi)外側(cè)流速差值較小，說明橫向流速均勻，水流在沉沙池內(nèi)充分?jǐn)U散，沉沙效果好。比較計算值和實際值可知，計算值和實際值相差較小，證實了使用有限元模擬橫向平均流速的可行性。

圖4 橫向平均流速

圖5 縱向泥沙含量分布情況

圖5為縱向泥沙含量分布情況。從圖中可以看出泥沙含量沿著縱向逐漸減小，在y=0時，泥沙含量為5.0 kg/m3，在y=40時泥沙含量最小，為1.27 kg/m3。在經(jīng)過引水渠時，水流流速較快，但經(jīng)過首部擴散段后，橫截面增大，水流斷面增大，流速逐漸降低，水流持沙能力也會降低，所以在沉沙池內(nèi)，沿著縱軸方向泥沙含量逐漸減小。泥沙含量逐漸減小，說明沉沙池能有效降低泥沙含量，使泥沙沉淀，可以提高水輪機使用壽命，降低維修費用。對比計算值和實際值可知，計算值與實際值相差較小，證實了使用有限元模擬縱向泥沙含量的可行性。

5 結(jié)語

(1)縱向平均流速總體上逐漸減小，但呈現(xiàn)出波動狀，隨著縱向位移增加波動幅度逐漸減小。波動幅度越小，說明縱向流速分布越均勻，流場分布也越均勻，意味著沉沙池可有效的使泥沙在沉沙池內(nèi)沉降。此外，數(shù)值模擬計算值與實際值相差很小，證實了使用有限元模擬縱向平均流速的可行性。

(2)C3斷面上橫向流速沿x軸先增大后減小，沉沙池中心流速較快，而兩側(cè)流速較慢，內(nèi)外側(cè)流速差值較小，說明橫向流速均勻，水流在沉沙池內(nèi)充分?jǐn)U散，沉沙效果好。比較計算值和實際值可知，計算值和實際值相差較小，證實了使用有限元模擬橫向平均流速的可行性。

(3)泥沙含量沿著縱向逐漸減小。在經(jīng)過引水渠時，水流流速較快，但經(jīng)過首部擴散段后，橫截面增大，水流斷面增大，流速逐漸降低，水流持沙能力也會降低，所以在沉沙池內(nèi)，沿著縱軸方向泥沙含量逐漸減小。泥沙含量逐漸減小，說明沉沙池能有效降低泥沙含量，使泥沙沉淀，有助于提高水輪機使用壽命，降低維修費用。對比計算值和實際值可知，計算值與實際值相差較小，證實了使用有限元模擬縱向泥沙含量的可行性。