溢洪道结构型式优化及消能效率数值模拟研究

邵 凯，潘 宇，侯绪亚，杜明松

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210017；2.南京市水利建筑工程检测中心有限公司，江苏 南京 210017；3.南京河川建设工程有限公司，江苏 南京 210017；4.江苏江博建设有限公司，江苏 南京 210017)

1 概述

水电站需要借助高水头充分利用水体的重力势能转换为动能，因此水电站溢洪道下泄流量大、流速急，如果不能合理的消耗水流能量，控制水流流速；高速下泄水流将严重威胁到溢洪道自身结构安全稳定，同时也会对下游河床造成严重冲刷，大幅影响河床冲淤平衡，破坏下游河道水动力分布。

实例工程原方案采用挑流消能的形式，在实际应用过程中，由于挑角和反弧段半径设计不合理，导致溢洪道流量相对集中，水流能量耗散不充分。因此，本文拟根据以往经验对实例工程消能结构形式进行优化，采用数值模拟计算的方法，对设计工况下的消能效率和流场分布进行模拟计算，比较优化方案的消能效率。

2 优化方案

2.1 原方案问题

原方案采用挑流消能形式，其中，右侧挑角为32°，边墙在前半段(0+356～0+389段)采用半径为234.4m的弧形导墙；后半段(0+389～0+442段)采用直导墙。右侧导墙的外缘高程为293.6m，在竖直面上向外侧扩宽10.0m。左侧导墙挑角为15°，前半段为直线段导墙，后半段(0+358～0+377段)采用半径为51.8m的弧形导墙，左侧导墙的外缘高程为283.0m，在竖直面上向外侧扩宽4.1m。因此，左右侧导墙共向外扩大14.1m，出口宽度为83.1m。

原方案下溢洪道轴线与下游河道夹角较大，部分挑射水流相对集中，且直冲对岸岩体，水流在空中的旋滚摩擦作用较弱，消能效果不理想如图1所示。

图1 原方案溢洪道消能工平面布置

2.2 方案优化

根据以往经验，以及原方案存在的问题，对原方案溢洪道消能工结构型式进行优化设计，核心思想是提高斜鼻坎的水流扩散率，降低水流集中现象。优化方案设计结果如下：

(1)优化方案一

右侧挑角为25°，边墙在前半段(0+330～0+377段)采用半径为200m的弧形导墙；后半段采用直线型导墙。右侧导墙的外缘高程为287.8m，在竖直面上向外侧扩宽16.4m。左侧导墙挑角为15°，采用半径为235m的弧形导墙，左侧导墙的外缘高程为283.0m，在竖直面上向外侧扩宽4.4m。因此，左右侧导墙共向外扩大20.8m，出口宽度为89.8m。

(2)优化方案二

右侧挑角为22°，边墙在前半段(0+330～0+350段)采用半径为160m的弧形导墙；后半段采用直线型导墙。右侧导墙的外缘高程为296.2m，在竖直面上向外侧扩宽8.0m。左侧导墙挑角为15°，采用半径为180m的弧形导墙，左侧导墙的外缘高程为283.0m，在竖直面上向外侧扩宽5.0m。因此，左右侧导墙共向外扩大13m，出口宽度为82.0m。

优化方案一和优化方案二的平面布置如图2所示。

图2 优化方案溢洪道消能工平面布置

3 三维数模建立

3.1 模型建立

本文选择地表河流计算软件中权威度较高的3D-FLOW三维数值模拟软件进行模拟计算。对研究河段进行建模分析，采用有限单元计算模块，网格划分采用三角网格，初始条件通过上游来流量、下游水位、河床糙率、紊动能传递系数等模型参数进行控制。

3.2 边界条件与初始条件

在二维数模中，边界条件主要包括进、出口边界，岸边界以及动边界等，本模型采用了如下边界条件

图6给出了t=45 s时刻不同倾角和浆液扩散方位角时的浆液压力离注浆孔距的变化曲线。对图6进行分析可知：裂隙倾角和浆液扩散方位角对浆液压力的空间分布特征产生显著影响，呈现明显的空间非线性、非均匀性特征。

(1)初始条件

对于给定的研究域，在时间t=0时有

h(x，y，t)|t=0=h0(x，y)、r(x，y，t)|t=0
=r0(x，y)、s(x，y，t)|t=0=s0(x，y)

(1)

式中，h0、r0、s0——分别为初始时刻的水位和流量分量。

(2)开边界

r=rB(t)，s=sB(t)，h=hB(t)

(2)

式中，rB、sB——分别为已知流量过程线，hB为已知水位过程线。

3.3 模拟范围及网格划分

本文采用设计工况，即上游来流为9450m3/s，入口处水位为355.50m进行数值模拟计算。

本工程的模拟范围从上游水流进口至下游挑流出口。计算网格采用三角网格与四边形网格组合计算的形式。共有16226个网格节点及9968个网格。工程模拟范围与计算网格划分如图3所示。

4 数值模拟结果分析

4.1 挑距分析

在原方案、优化方案一和优化方案二下，流态和挑距分布如图4—5所示。

图3 工程模拟范围与计算网格划分

图4 各方案流态分析

图5 各方案挑距分析

(1)挑舌向左侧倾斜趋势明显。水舌厚度和外缘高程从左至右增大，在右侧由于边墙的扩散和阻挡作用水舌厚度最大，入水水流呈扇形，挑距中间最大。

(2)在优化方案工况一下，挑舌跟原方案的分布类似，有向左侧倾斜的趋势，但倾斜程度要小于原方案。同时挑舌水流在左侧有局部凹陷的趋势。

(3)在优化方案工况二下，水舌基本呈左右平衡趋势，右出口和中心线水舌高度比较接近，下游主流向中心线偏下游侧流动。

(4)各方案下挑距参数见表1。由表1可见，优化方案二工况下，各侧挑距相对均匀。

表1 各方案下挑距参数

4.2 流速与流场分布

各方案平面流速和流态分布分析如图6所示，断面流速分布分析如图7所示，分析可知：

图6 各方案平面流速和流态分布分析

(1)在原方案下，水舌下方的水体形成了明显的回流区域，流态分布较为散乱。回流区域内流速平均值在4.1m/s左右。同时，流速极值区域主要分布在挑舌水流中心线处，平均流速在23.0m/s左右。

(2)在优化方案一工况下，消能段的流速平面、立面分布与原方案基本一致。与原方案相比，回流区域规模略有增大，且流速极值区域也主要分布在挑舌水流中心线处，平均流速在23.2m/s左右

(3)在优化方案二工况下，回流区域范围明显缩小，且回流区域平均流速也在4.1m/s左右；流速极值区域略微偏移至右岸导墙侧，即实际河道下游侧。同时，挑舌落点位置有天然的凹陷坑，地势较低，更有利于水流的扩散和能量耗散。

进一步分析可知，优化方案二工况下，挑舌极值区域平均流速为23.2m/s，与原方案和优化方案一基本一致。

(4)经计算，原方案、优化方案一和优化方案二下，消能效率分别为73.36%、73.92%和74.09%。优化方案二的消能效率最好。

4.3 底板压力分布

各方案底板压力分布如图8所示，分析可知：

(1)原方案在反弧段起点压力值达到161kPa，且在局部区域(挑坎处)出现了负压，空化数为0.25，容易出现气蚀情况。

(2)在优化方案一工况下，反弧段起点压力值也较大，达到140kPa，但是相对原方案有所缓解。同时，挑坎处空化数增大至0.27，仍低于0.30的临界值，存在出现气蚀的可能。

(3)在优化方案一工况下，反弧段起点压力值最小，约为105kPa，同时挑坎处平均流速约为29.66m/s，空化数增大至0.32，出现气蚀现象的可能性进一步降低。

5 结论

为进一步研究水电站溢洪道消能结构的水力特性，并为了优化某实例水电站的消能效率。本文借助3D-FLOW三维数值模拟软件，基于以往水电站设计建设经验，以及原方案存在的问题，对原方案溢洪道消能工结构型式进行优化设计，并对三组方案的挑距、流速分布、底板压力分布进行了计算、分析，结果显示：

图7 各方案断面流速分布分析

图8 各方案底板压力分布

(1)三组方案的挑距参数较为相似，其中优化方案二的各侧挑距相对均匀，水流集中性较弱，水体分散度较高，利于水流能量耗散。

(2)三组方案挑舌水流平均流速基本一致，差别十分微弱，但优化方案二的流速极值区域略微偏移至右岸导墙侧，即实际河道下游侧。同时，挑舌落点位置有天然的凹陷坑，地势较低，更有利于水流的扩散和能量耗散。

(3)三组方案下，消能效率分别为73.36%、73.92%和74.09%。优化方案二的消能效率最好。

(4)优化方案二的反弧段起点、挑坎处无负压，出现空蚀可能最小。

综上，选择优化方案二为推荐方案。