鄒 鵬，劉 偉，蔣定國

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

河道型深水庫的興建，促使當(dāng)?shù)睾恿魉淮蠓忍?，蓄水量的大幅增長為人類帶來諸多便利。同時(shí)也顯著改變了天然河流的水動力特性和熱輸移模式，導(dǎo)致庫區(qū)出現(xiàn)復(fù)雜的水溫季節(jié)性分層現(xiàn)象[1]。氣溫回升期，水溫分布逐漸演化至穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)[2]，表層變溫層溫度高于底層的滯溫層，溫躍層作為二者之間的過渡層，此層水體溫度由下至上大幅度升高。根據(jù)行業(yè)規(guī)范要求，進(jìn)水口需要一定的淹沒水深，故進(jìn)水口高程通常較低，引水水溫與天然水溫差異大，進(jìn)而對下游水生態(tài)系統(tǒng)帶來負(fù)面影響[3-5]。此影響持續(xù)時(shí)間長、作用范圍廣[6-7]，溫度作為生物生存重要的環(huán)境因子，是評價(jià)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)。

因此，下泄低溫水帶來的負(fù)面影響受到廣大學(xué)者的關(guān)注，先后研發(fā)多種工程措施以減緩此負(fù)面影響。目前常見的有疊梁門[8-10]、隔水幕布[11-13]、前置擋墻等。以疊梁門為代表的工程措施，在進(jìn)水口前沿豎直方向安置疊梁鋼板，可以根據(jù)需要達(dá)到不同的擋水高程。但在運(yùn)行時(shí)遇到多種困難，如調(diào)節(jié)門板繁瑣、擋水高程調(diào)節(jié)跨度大以及流態(tài)不利等。隔水幕布施工方便，調(diào)節(jié)靈活，但由于幕布本身柔性材料的性質(zhì)，使其難以固定，在復(fù)雜水動力條件下的作用受到限制。前置擋墻即在進(jìn)水口前澆筑豎直方向的混凝土擋墻，改善效果良好，但擋水高程不可調(diào)節(jié)，限制了其應(yīng)用范圍和下泄低溫水改善效果。上述工程措施產(chǎn)生作用的原理一樣，均為引導(dǎo)上層溫度較高的水體流入進(jìn)水口并攔截下層低溫水。

改善當(dāng)前工程措施的不足，設(shè)計(jì)一種運(yùn)行靈活，能適應(yīng)一定范圍的水位變動，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定耐用的進(jìn)水口引水高程調(diào)節(jié)裝置成為必要。本文以貴州董箐水庫為例，利用ANSYS Workbench仿真平臺，建立二維數(shù)值模型，模擬4種結(jié)構(gòu)(進(jìn)口水前無工程措施、直立擋墻、弧形擋板和橡膠壩式溢流式進(jìn)水口)的運(yùn)行效果，對比分析不同結(jié)構(gòu)的下泄水溫、流速分布和結(jié)構(gòu)受力，以得出運(yùn)行效果更好的工程結(jié)構(gòu)形式，為無級調(diào)節(jié)溢流式進(jìn)水口的實(shí)際應(yīng)用提供理論技術(shù)支撐。

1 研究對象

1.1 背景資料

董箐水庫位于北盤江干流茅口以下，是北盤江水電梯級開發(fā)的最后一級，上游為光照水電站，下游為紅水河龍灘水電站，是典型的日調(diào)節(jié)水庫。董箐水電站工程等別為II等，水庫正常蓄水位490 m，死水位483 m，總庫容9.55億m3，調(diào)節(jié)庫容1.438億m3，正常蓄水位相應(yīng)庫容8.82億m3，死庫容7.39億m3。

根據(jù)水庫水溫實(shí)測資料(見圖1)，可見該水庫在氣溫回升期會出現(xiàn)明顯的水溫分層現(xiàn)象，并且表底溫差較大，最大溫差可達(dá)10.2 ℃。取水口中心線高程為460 m，處于溫躍層內(nèi)，下泄水溫也因此受到了較大程度的影響，氣溫回升期的下泄水溫明顯低于天然河流水溫，降溫期下泄水溫高于天然河流。

圖1 一年內(nèi)壩前垂向水溫情況

1.2 計(jì)算條件設(shè)置

自3月開始，壩下水溫與天然情況出現(xiàn)較大溫差，其中4月～6月的壩下水溫與天然情況溫差最大。故本文以3月～6月為計(jì)算時(shí)段，取3月～5月電站進(jìn)水口流量為543.58 m3/s(折算為進(jìn)水口流速1.89 m/s)，6月電站進(jìn)水口的引水流量為558.72 m3/s(折算為進(jìn)水口流速1.94 m/s)。

本文對4種進(jìn)水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，分別為進(jìn)口水前無工程措施、直立擋墻、弧形擋板和橡膠壩式溢流式進(jìn)水口。進(jìn)水口前38.15 m設(shè)置的3種工程措施擋水高程均為470 m；計(jì)算區(qū)域取垂向高度135.5 m，進(jìn)水口入口以右500 m，進(jìn)水口長20 m，進(jìn)水口高9 m。綜合考慮計(jì)算精度和速度，對4種工況的幾何模型簡化為二維模型，進(jìn)水口結(jié)構(gòu)局部簡化如圖2所示。

圖2 計(jì)算結(jié)構(gòu)局部簡化示意

2 研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

流體流動的連續(xù)方程、動量方程、能量方程及狀態(tài)方程為

(1)

(2)

(3)

ρ=(1.020 276 92×10-3+6.777 372 62×10-8×T-9.053 458 43×T2+8.643 721 85×10-11×T3-6.422 661 88×10-13×T4+1.051 644 34×10-18×T7-1.048 688 27×10-20×T8)×9.8×105

k-ε紊流模型為

(4)

2.2 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS WorkBench 16.2 Fluent中的Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，設(shè)置Element Size為0.5m，設(shè)置Behavior為Hard，對進(jìn)水口邊界進(jìn)行加密，邊界Element Size為0.1m，設(shè)置Behavior為Hard。不同工況進(jìn)水口的局部網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 局部網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及計(jì)算參數(shù)

進(jìn)口邊界設(shè)置為壓力進(jìn)口，出口邊界條件設(shè)置為速度出口，水庫庫底和壁面設(shè)置為無滑移絕熱壁面，表面采用剛蓋假定。k-epsilon Model選擇Realizable，Near-Wall Treatmen選擇Scalable Wall Functions，C2-Epsiloon設(shè)為1.9，TKE Prandtl設(shè)為1，TDR Prandtl設(shè)為1.2，采用中心差分格式和二階迎風(fēng)格式相結(jié)合的離散方法，離散后的代數(shù)方程采用PISO算法求解。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)測試，采用瞬態(tài)計(jì)算，時(shí)間步長設(shè)為0.5 s，共設(shè)置60個時(shí)間步，每個時(shí)間步長內(nèi)迭代計(jì)算500步可達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

2.4 UDF編寫

為模擬4種結(jié)構(gòu)的下泄水溫，需要自定義入口邊界條件、初始溫度場、水的密度和粘滯系數(shù)隨溫度變化的函數(shù)。自定義函數(shù)UDF采用C語言來編寫，在Define宏中進(jìn)行定義。通過數(shù)學(xué)方法擬合水溫分布趨勢線，得到水溫沿水深分布方程，將其編寫到入口邊界條件和初始溫度場中；根據(jù)已經(jīng)得到驗(yàn)證的水密度和粘滯系數(shù)隨溫度變化的公式，編寫到水體物理屬性中。

2.5 結(jié)構(gòu)受力計(jì)算設(shè)置

以水平引流臺和垂向擋水結(jié)構(gòu)為整體進(jìn)行受力計(jì)算，提取流體對工程結(jié)構(gòu)邊界上的力，再進(jìn)行矢量合成得到流體對結(jié)構(gòu)的合力。為計(jì)算動水作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，選擇單向流固耦合計(jì)算方法(即忽略固體區(qū)域應(yīng)變對流體計(jì)算區(qū)域的影響)，采用Fluent+Static Structural體系進(jìn)行計(jì)算，將流體計(jì)算結(jié)構(gòu)加載在固體受力分析模塊上，計(jì)算固體區(qū)域的應(yīng)力。將3種工程措施的固體材料設(shè)為線彈性材料，不考慮自重影響，材料密度設(shè)為1 000 kg/m3，Physics Type設(shè)為Structural，固定端設(shè)在結(jié)構(gòu)與壩體相接處。

3 計(jì)算分析

3.1 下泄水溫

根據(jù)選擇的計(jì)算時(shí)段3月～6月，模擬水溫分層現(xiàn)象和下泄水溫，計(jì)算并對比4種結(jié)構(gòu)的下泄水溫。4種進(jìn)水口結(jié)構(gòu)5月的水溫分布如圖4所示?？拷M(jìn)水口時(shí)，水溫結(jié)構(gòu)受到進(jìn)水口前流場的影響，產(chǎn)生一定變形。

圖4 5月4種進(jìn)水口結(jié)構(gòu)前水溫分布

計(jì)算各工況的下泄水溫如表1所示。由表1可知，采用工程措施后下泄水溫得到改善，但與天然水溫仍然存在差距。3種工程措施在6月改善效果最好，直立擋墻下泄水溫與天然水溫的溫差為-0.88 ℃，比不采用工程措施高2.79 ℃；弧形擋板下泄水溫與天然水溫的溫差為+0.02 ℃，比不采用工程措施高3.7 ℃；橡膠壩式下泄水溫與天然水溫的溫差為-0.03 ℃，比不采用工程措施高3.64 ℃。3種工程措施均能有效地改善下泄水溫，且改善效果相近。

表1 無工程措施和直立擋墻下泄水溫 ℃

3.2 流速分布

3月4種進(jìn)水口結(jié)構(gòu)局部流速等值線如圖5所示。從整體流體區(qū)域來觀察，4種進(jìn)水口結(jié)構(gòu)流場變化規(guī)律相同。進(jìn)水口主要的取水區(qū)域是以進(jìn)水口中心為圓心的半圓形狀分布，與進(jìn)水口距離越近，垂向速度變化越劇烈，與進(jìn)水口距離越遠(yuǎn)，垂向速度分布越均勻。

圖5 3月四種進(jìn)水口結(jié)構(gòu)局部流速等值線示意

不采用工程措施時(shí)，進(jìn)水口主要取水范圍包括進(jìn)水口中心線上下30 m以內(nèi)的水體；采用工程措施后，主要取水區(qū)域發(fā)生較大變化。具體為進(jìn)水口底板以下的水體幾乎靜止，主要取水區(qū)域集中在擋墻以上，470 m高程以上的水體流速最快，墻頂有最大流速為1.3 m/s。即采取工程措施后，主要取水范圍的高程明顯上升。

直立擋墻和弧形擋板結(jié)構(gòu)附近存在不同程度的漩渦。引流平臺外伸端設(shè)有直立擋墻的情況下，擋墻背后漩渦高度最高有近20 m，長度與引流平臺長度相當(dāng)，漩渦外邊緣輪廓大致為1/4橢圓，漩渦外最高流速1.42 m/s。直立擋墻背后的漩渦相當(dāng)于一個下墊層，縮小了過流斷面高度，使得漩渦上的水體流速提高。選用弧形擋板的情況下，其背后漩渦長度與直立擋墻相近，漩渦高度控制在擋板高度15 m；漩渦外側(cè)流速最高為1.29 m/s，漩渦內(nèi)部流速較小。橡膠壩結(jié)構(gòu)附近水體流速分布均勻，過流平順，無漩渦產(chǎn)生。

3.3 結(jié)構(gòu)受力及應(yīng)力分布

3.3.1結(jié)構(gòu)受力

以水平引流臺和垂向擋水結(jié)構(gòu)為整體進(jìn)行受力計(jì)算，提取流體對工程結(jié)構(gòu)整體邊界上的力，再進(jìn)行矢量合成得到流體對固體結(jié)構(gòu)的合力，結(jié)果如表2所示。由表2可知，3種工程措施受到的合力方向基本一致，弧形擋板受到的合力最小，直立擋墻受到的合力最大。橡膠壩式合力比直立擋墻小12 218.19 N，橡膠壩式合力比弧形擋板小1 510.63 N。

表2 各工程措施單位寬度受力

3.3.2等效應(yīng)力分布

忽略自重，僅考慮水流對固體結(jié)構(gòu)作用力的情況下，計(jì)算等效應(yīng)力分布如圖6所示。直立擋墻在其左下角有最大應(yīng)力值16.31 kPa，其墻體所受應(yīng)力在2.61 kPa左右，平臺的最大應(yīng)力在固定端的上緣為1.73 MPa；弧形擋板在右下端和平臺固定端上緣有最大應(yīng)力值1.10 MPa，平臺上應(yīng)力在1.36 kPa左右；橡膠壩式，橡膠壩上無應(yīng)力最大值，應(yīng)力分布均勻，整體應(yīng)力在4.38 kPa左右，固定端上有應(yīng)力最大值1.05 MPa。

圖6 6月3種工程措施斷面應(yīng)力分布

綜上所述，從所受合力大小、應(yīng)力分布和應(yīng)力極值來看，橡膠壩式溢流式進(jìn)水口是最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，弧形擋板和直立擋墻較差。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮4種進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的下泄水溫、流速分布和結(jié)構(gòu)受力，橡膠壩式溢流式進(jìn)水口是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。但橡膠壩的最大擋水高度有一定限制，最高在15 m左右。若以橡膠壩為調(diào)節(jié)裝置且配合弧形擋板使用，可以增高橡膠壩式的最大擋水高度，同時(shí)優(yōu)化弧形擋板的受力實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

橡膠壩有充氣式和充水式，建議選用充水式，穩(wěn)定性更高。采用充水式橡膠壩，橡膠壩用高強(qiáng)度合成纖維織物做受力骨架，內(nèi)外涂敷橡膠作保護(hù)層，加工成膠布，再將其錨固于底板上成封閉狀的壩袋，通過充排管路用水將其充脹形成的袋式擋水壩。該工程措施造價(jià)低，施工期短的特點(diǎn)。壩體為柔性軟殼結(jié)構(gòu)，能抵抗地震、波浪等沖擊。另外，該工程措施維修少，管理方便，橡膠壩袋的使用壽命一般為15～25 a。可提高整個裝置的使用壽命。隔水幕布采用不透水無紡?fù)凉げ贾瞥?。無紡?fù)凉げ季哂袃?yōu)秀的過濾、隔離、加固防護(hù)作用，抗拉強(qiáng)度高。由此結(jié)構(gòu)，以柔性幕墻方式阻止低溫水從側(cè)面進(jìn)入到進(jìn)水口，而且可以過濾沙土?？跒榛炷翆?shí)體結(jié)構(gòu)。具有很好的耐久性，可以承載整個裝置的壓力。通過布置在壩體進(jìn)水口適當(dāng)?shù)奈恢?，在春夏季水溫分層明顯對下游產(chǎn)生不利影響時(shí)，通過水泵向水袋中充水，使得水袋膨脹，進(jìn)而推動擋水板轉(zhuǎn)動，在擋水板和隔水幕布的作用下，進(jìn)水口引水高程上升至表溫層相應(yīng)高程，有效地提高下泄水溫。

5 結(jié) 語

本文以貴州董箐水電站為例，利用ANSYS Workbench仿真平臺，建立二維數(shù)值模型，分析了進(jìn)水口前無工程措施、設(shè)置直立擋墻、弧形擋板和橡膠壩4種進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的下泄水溫、進(jìn)水口附近的流速分布和結(jié)構(gòu)受力。結(jié)果表明：①設(shè)置工程措施后，較無工程措施下泄水溫均有明顯改善，設(shè)置橡膠壩改善效果最好，弧形擋板次之，直立擋墻最差；②進(jìn)水口附近的流速分布以設(shè)置橡膠壩工況最優(yōu)，弧形擋板工況較好，直立擋墻工況最差；③結(jié)構(gòu)受力以橡膠壩應(yīng)力分布最均勻，結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，直立擋墻工況受力最大。通過對比分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定了一種新型無級調(diào)節(jié)溢流擋板結(jié)構(gòu)形式，為改善下泄低溫水的影響提供了技術(shù)支撐。