卞 旭

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330200)

1 工程背景

某水電站是一座以發(fā)電為主，兼具其他功能的小型徑流式水電站。其設(shè)計(jì)庫(kù)容為1800萬(wàn)m3，裝機(jī)總?cè)萘繛?2400kW。水電站主要由混凝土重力壩、溢流壩、導(dǎo)流泄洪洞、引水系統(tǒng)和電站廠(chǎng)房構(gòu)成。其中，導(dǎo)流泄洪洞位于大壩右岸山體中，在工程建設(shè)期間擔(dān)負(fù)導(dǎo)流任務(wù)，最大導(dǎo)流流量為183m3/s，在工程建成運(yùn)行期間承擔(dān)泄洪和放空任務(wù)，設(shè)計(jì)洪水流量為360.13m3/s，校核洪水流量為1167.78m3/s。

消能設(shè)計(jì)是導(dǎo)流洞改建為泄洪洞的重要內(nèi)容，同時(shí)也是影響工程安全的重要方面。目前，導(dǎo)流泄洪洞的消能方式主要有洞內(nèi)消能和洞外消能兩種[1]。其中，洞外消能主要有挑流消能和消力池底流消能等形式，雖然工程量不大，但是容易在下游造成比較大的沖坑，不利于泄水建筑物的整體安全。洞內(nèi)消能主要是通過(guò)洞內(nèi)體型設(shè)計(jì)，使水流通過(guò)旋轉(zhuǎn)或突變實(shí)現(xiàn)消能，具有消能率高、體型布置靈活的優(yōu)勢(shì)[2- 4]。但是，某水電站水頭高度較大，如果采用單一的內(nèi)消能方式，會(huì)出現(xiàn)洞內(nèi)流速過(guò)大、消能率不足的問(wèn)題?；诖?，文章基于分級(jí)消能思路，提出射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工，并通過(guò)數(shù)值模擬的方式驗(yàn)證其合理性和可行性。

2 射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工

根據(jù)西安理工大學(xué)鄧淯宸等的研究成果[5]，結(jié)合該水電站的工程實(shí)際，提出射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工的分級(jí)消能工程設(shè)計(jì)思路。整個(gè)消能工由射流段、豎井段和旋流洞段三大部分組成，具體的工程設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工體型設(shè)計(jì)示意圖

射流段的體型設(shè)計(jì)主要包括進(jìn)水口、收縮段和消能段三部分[4]。其中，進(jìn)水口的洞徑按照校核洪水條件下的流量和流速進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)計(jì)一定的冗余量，最后確定為9.6m；進(jìn)水口的曲線(xiàn)為頂面和兩面收縮的橢圓曲線(xiàn)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)分別為9.6m和3.2m。收縮段是射流段的設(shè)計(jì)核心，其體型對(duì)消能率和水流流態(tài)有著重要影響。通過(guò)對(duì)比各種不同體型，最終選定收縮阻塞體型；收縮段的收縮比按0.435計(jì)算，孔口直徑為6.3m，收縮段的長(zhǎng)度為7.8m。消能段的長(zhǎng)度按照洞徑的5倍計(jì)算，最終選定為60.0m。

豎井段是上游的射流消能段和下游的旋流消能段之間的連接段，其體型設(shè)計(jì)也十分重要。根據(jù)設(shè)計(jì)泄洪流量計(jì)算，豎井段的直徑設(shè)計(jì)為14m，長(zhǎng)度為108m。收縮后的直徑為9.6m，收縮段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為4.2m。

旋流洞段主要由旋流段、阻塞段、擴(kuò)散段及退水洞段四部分組成，退水洞段即原來(lái)的導(dǎo)流洞。其中，旋流段的洞徑設(shè)計(jì)為10.8m。阻塞段的主要作用是增壓減速，防止在與起旋器交接的部位出現(xiàn)負(fù)壓，該段的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為10.2m，孔徑為3.75m。擴(kuò)散段以及退水洞段均按照無(wú)壓隧洞設(shè)計(jì)。起旋器的進(jìn)口直徑設(shè)計(jì)為5.7m，采用1/4橢圓曲線(xiàn)與旋流洞相切連接，另一側(cè)與豎井段偏心相交，其偏心距離設(shè)定為4.1m。在旋流段上方設(shè)有通氣孔，主要作用是對(duì)水流摻氣，避免水流的空化和空蝕破壞。通氣孔的直徑設(shè)計(jì)為3.2m，通氣孔的位置為偏心設(shè)計(jì)，距離旋流洞中心1.08m。排氣孔的作用是排除擴(kuò)散段和退水洞水流中的空氣，共設(shè)計(jì)有5個(gè)排氣孔，前4個(gè)排氣孔的間距為12m，第4個(gè)與最后一個(gè)的間距為15m，總間距為51m。

3 消能效果的試驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

水力學(xué)問(wèn)題往往比較復(fù)雜，影響因素眾多，采用物理模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究和分析，對(duì)解決相關(guān)問(wèn)題具有重要的幫助[5]。因此，研究中通過(guò)物理模型試驗(yàn)的方式對(duì)提出的射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工的消能效果進(jìn)行分析和驗(yàn)證。鑒于本次研究的水流主要受到自身重力作用的影響，且流態(tài)主要位于阻力平方區(qū)，因此采用重力相似性準(zhǔn)則進(jìn)行模擬。結(jié)合研究的實(shí)際條件，采用1∶60的幾何比尺進(jìn)行模型制作[6]。鑒于原型混凝土和有機(jī)玻璃的糙率分別為0.015和0.016，采用有機(jī)玻璃作為制作材料，不僅可以更好地?cái)M合原型的糙率，還方便觀測(cè)水流的流態(tài)[7]。

模型試驗(yàn)中的壓強(qiáng)采用壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過(guò)多功能檢測(cè)系統(tǒng)記錄合格存儲(chǔ)[8]。壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)主要設(shè)置在消能裝置的射流段、起旋器以及旋流洞段，共設(shè)置測(cè)壓點(diǎn)185個(gè)。試驗(yàn)中的流速采用KY- 1流速儀進(jìn)行測(cè)量，共設(shè)置了19個(gè)流速測(cè)量斷面。由于本次研究中的設(shè)計(jì)流量小于0.1m3/s，因此采用薄壁三角堰進(jìn)行測(cè)量。旋流角的大小利用量角器測(cè)量，鑒于旋流洞內(nèi)存在十分強(qiáng)烈的紊動(dòng)效應(yīng)，應(yīng)取多次測(cè)量的均值，以減小測(cè)量誤差。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1流速試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)模型試驗(yàn)過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)，整理獲得如圖2和圖3所示的射流消能段和旋流消能段的流速矢量分布圖。由圖2、圖3可知，射流消能段進(jìn)口部位的流速分布比較有規(guī)律，進(jìn)入射流消能洞之后在前端洞壁兩側(cè)部位形成了一些小尺度的漩渦和回流。在尾水段，水流的流速開(kāi)始減小并按照流速方向波動(dòng)進(jìn)入豎井。射流段的流速在20～21m/s之間，最大流速為24m/s，射流段的流速梯度較大，是射流消能的主體部分。在旋流段，水流形成了一定的漩渦，且漩渦會(huì)隨著氣水的擴(kuò)散而發(fā)展[9- 10]。

圖2 射流消能段流速矢量圖

圖3 旋流消能段流速矢量圖

3.2.2壁面壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用壁面壓強(qiáng)的試驗(yàn)結(jié)果，繪制出如圖4和圖5所示的射流段和旋流段的壁面壓強(qiáng)分布圖。由圖4、圖5可知，射流段的壓強(qiáng)最小值一般為440～490kPa，且均位于射流段的頂部；旋流段的下空腔部位存在一定的負(fù)壓，空腔與水流交接部位之后的壁面壓強(qiáng)迅速增加，同時(shí)上壁面的壓強(qiáng)略小于下壁面的壓強(qiáng)，說(shuō)明重力對(duì)該段的壁面壓強(qiáng)的影響比較有限。

圖4 射流消能段壁面壓強(qiáng)分布圖

圖5 旋流消能段壁面壓強(qiáng)分布圖

3.2.3紊動(dòng)能試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)模型各段的紊動(dòng)能進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得如圖6和圖7所示的紊動(dòng)能云圖。由圖6、圖7可知，在射流消能段，進(jìn)口的紊動(dòng)能強(qiáng)度較小，射流主流和洞內(nèi)水體的交匯部位的紊動(dòng)能最大，最大值達(dá)到了12.1m2/s2，說(shuō)明該部位的水流紊動(dòng)作用最為強(qiáng)烈，是消能的主要部分。同時(shí)，隨著水流向下游流動(dòng)，水流的紊動(dòng)能逐漸減小，在水流到達(dá)尾水段部位時(shí)，紊動(dòng)能基本保持穩(wěn)定。從旋流消能段來(lái)看，其紊動(dòng)能基本在1.3～9.2m2/s2之間變動(dòng)，其最大值位于空腔與水流的交界部位，說(shuō)明氣水交界面部位的紊動(dòng)作用最為強(qiáng)烈[11- 12]。

圖6 射流消能段紊動(dòng)能云圖

圖7 旋流消能段紊動(dòng)能云圖

3.2.4消能率計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)的射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工的總消能率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。由計(jì)算結(jié)果可知，在不同工況下，消能工的總消能率在71.3%～82.3%之間，且上游水位越高，消能效果越明顯。從消能率來(lái)看，文章設(shè)計(jì)的消能工具有良好的消能效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。

表1 消能率計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)射流段和旋流段水流的流速梯度較大，是消能的主體部分，其余部分的流速比較穩(wěn)定。

(2)從紊動(dòng)能云圖來(lái)看，射流段和旋流段水流的紊動(dòng)能較大，是消能的主體部分，其余部分的紊動(dòng)能較小，說(shuō)明水流比較穩(wěn)定。

(3)射流-旋流梯級(jí)內(nèi)消能工的總消能率在71.3%至82.3%之間，且上游水位越高，消能效果越明顯。從消能率來(lái)看，文章設(shè)計(jì)的消能工具有良好的消能效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。