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(jì)研究院，云南 蒙自 661100；2.水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢大學(xué))，湖北 武漢 430072)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(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[2]。對(duì)于導(dǎo)流洞改建工程，目前國(guó)內(nèi)外研究主要針對(duì)導(dǎo)流洞改建后需要對(duì)隧洞進(jìn)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(guó)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(duì)傳統(tǒng)底流消能不滿足消能效果的問(wèn)題，張志雁等[4]采用了設(shè)置消力墩和摻氣槽的方式對(duì)導(dǎo)流泄洪洞消能工進(jìn)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(duì)導(dǎo)流放空洞改建泄洪洞出口跌坎消力池的水力特性進(jìn)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(duì)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(tái)擴(kuò)散消能工，其特點(diǎn)是水流在管道出口處先橫向擴(kuò)散，然后進(jìn)入消力池借助水躍進(jìn)行消能，其實(shí)質(zhì)上是射流經(jīng)過(guò)擴(kuò)散后的底流消能[6]。本文采用數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)該類型消能工的水力特性進(jìn)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(jìn)口布置在引水系統(tǒng)進(jìn)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(gè)建筑物由進(jìn)水口、洞身段、出口消能工段等組成，全長(zhǎng)約333 m。其出口消能工段采用平臺(tái)擴(kuò)散消能工，由平臺(tái)擴(kuò)散段、渥奇段、陡坡段及消力池組成[6]。

在東津水電站進(jìn)行第三次大壩定期檢查時(shí)，大壩安全監(jiān)察中心要求對(duì)導(dǎo)流放空洞進(jìn)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(hào)(放0+021.500 m～放0+041.5 m)處設(shè)一實(shí)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(shí)施，其設(shè)計(jì)主要施工內(nèi)容如下：拆除洞出口弧形閘門(mén)、弧門(mén)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(jìn)口閘門(mén)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(duì)出口消力池進(jìn)行加固、改建。

導(dǎo)流放空洞二期改建工程設(shè)計(jì)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(jì)方案布置圖(單位：m)

2 現(xiàn)狀設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果

模型試驗(yàn)主要驗(yàn)證不同庫(kù)水位(125.00～190.00 m)下，管內(nèi)不同流態(tài)(無(wú)壓流-半有壓半無(wú)壓流-有壓流)放空泄流時(shí)，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(yùn)行水位進(jìn)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(yàn)規(guī)程[SL155-2012]》[7]。模型制作范圍為導(dǎo)流放空洞口以上進(jìn)水口段約30 m，下游尾水渠段約40 m。模型總長(zhǎng)約386 m。模型幾何比尺λL=40。導(dǎo)流放空洞上游進(jìn)水段、洞身段、出口消能工段及下游出水渠段均采用有機(jī)玻璃制作。

2.2 模型試驗(yàn)成果

根據(jù)試驗(yàn)成果，現(xiàn)狀設(shè)計(jì)方案導(dǎo)流放空洞敞泄時(shí)，實(shí)測(cè)下泄流量均大于設(shè)計(jì)計(jì)算下泄流量，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

特征水位下放空泄洪時(shí)沿程水深及消力池流速變化規(guī)律如下：當(dāng)庫(kù)水位位于125.00～129.84 m之間時(shí)，導(dǎo)流放空洞內(nèi)水流呈無(wú)壓流態(tài)，管內(nèi)流態(tài)平順。當(dāng)庫(kù)水位位于129.84～133.32 m之間時(shí)，導(dǎo)流放空洞洞內(nèi)為半有壓半無(wú)壓流，洞內(nèi)水流呈小波浪式前進(jìn)，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(hào)0+223.000 m附近與消力池斜坡段相遇，此處流速達(dá)7.84 m/s。在樁號(hào)0+234.780 m附近處的消力池斜坡段形成水躍，水躍長(zhǎng)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(dāng)庫(kù)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(hào)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(dá)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(hào)0+242.780～0+244.680 m間，該處底部主流水深達(dá)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(hào)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(dá)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(guò)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(yàn)結(jié)果分析可知，現(xiàn)狀設(shè)計(jì)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(shí)，鋼管出口水流擴(kuò)散，在消力池斜坡段出現(xiàn)的沖擊流速最大值達(dá)到23.62 m/s。對(duì)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(dāng)延長(zhǎng)，充分利用富余的泄流能力，形成稍有淹沒(méi)的泄流，減少現(xiàn)狀設(shè)計(jì)方案有壓流泄洪時(shí)對(duì)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(jìn)行數(shù)學(xué)建模及計(jì)算，采用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)度，模擬區(qū)域采用混合網(wǎng)格進(jìn)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(jìn)行劃分。上游水庫(kù)、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(wàn)。

本次計(jì)算區(qū)域邊界條件：采用壓力進(jìn)口和壓力出口邊界(Pressure)，進(jìn)口庫(kù)水位165.00 m，進(jìn)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(wú)滑移壁面邊界(Wall)，湍流近壁的粘性底層采用壁函數(shù)法來(lái)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(qiáng)為大氣壓。

3.2 數(shù)值模擬方案

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)中不斷探索，擬將現(xiàn)有布置下的鋼管出口延長(zhǎng)至樁號(hào)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(zhǎng)至樁號(hào)0+239.980 m處，出口底部高程119.70 m(優(yōu)化方案二)。布置簡(jiǎn)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(jiǎn)圖

圖4 導(dǎo)流放空洞優(yōu)化方案二布置示意簡(jiǎn)圖

3.3 數(shù)值模擬可靠性驗(yàn)證

現(xiàn)將現(xiàn)狀設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)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(jì)算與模型試驗(yàn)幾個(gè)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(jì)方案物模與數(shù)模流速水深對(duì)比圖

3.4 數(shù)值模擬成果分析

上游庫(kù)水位控制在165 m放空泄流時(shí)，優(yōu)化方案上游水庫(kù)水流平穩(wěn)，洞身段未見(jiàn)氣泡進(jìn)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(méi)出流。水流越過(guò)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(guò)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。考慮到趾墩長(zhǎng)期安全運(yùn)行，以及優(yōu)化方案一相對(duì)于優(yōu)化方案二在無(wú)壓流下更易形成悶頭，無(wú)法自由下泄，故將優(yōu)化方案二作為推薦方案開(kāi)展物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 推薦方案模型試驗(yàn)

推薦方案導(dǎo)流放空洞敞泄時(shí)，出口延長(zhǎng)形成淹沒(méi)流，但實(shí)測(cè)下泄流量均大于設(shè)計(jì)計(jì)算下泄流量，該方案下泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)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(shí)沿程水位及消力池流速變化規(guī)律如下：當(dāng)庫(kù)水位位于125.00～129.88 m之間時(shí)，導(dǎo)流放空洞內(nèi)水流呈無(wú)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(méi)狀態(tài)，消力池內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)。當(dāng)庫(kù)水位位于129.88～131.92 m之間時(shí)，導(dǎo)流放空洞洞內(nèi)為半有壓半無(wú)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(méi)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(guò)尾坎后水深約為2.48 m，流速約為1.89 m/s，消能充分。

當(dāng)庫(kù)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(méi)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(guò)消能墩后，下部主流在樁號(hào)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(guò)尾坎后，在樁號(hào)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(jì)方案相比，有壓流狀態(tài)泄流時(shí)，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(dá)88%以上。推薦方案能滿足業(yè)主及設(shè)計(jì)單位要求，可作為工程實(shí)施推薦方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)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(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)導(dǎo)流放空洞改建后下游消能防沖設(shè)施是否匹配進(jìn)行了模擬及驗(yàn)證。論文取得的主要成果如下：

1)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)表明：現(xiàn)狀設(shè)計(jì)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(shí)，在消力池斜坡段出現(xiàn)的沖擊流速最大值達(dá)到23.62 m/s。

2)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)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(duì)導(dǎo)流洞出口延長(zhǎng)的優(yōu)化方案進(jìn)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(shí)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(yàn)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(dá)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(wú)需對(duì)下游消能設(shè)施進(jìn)行較大改建，能降低改建工程量及工程造價(jià)，可作為工程實(shí)施推薦方案。