某水电站泄洪闸消力池水力特性模型试验与数值仿真分析研究

孙益松，叶柏阳，周松松

(1.江苏淮源工程建设监理有限公司， 江苏 淮安 223005；2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

水电站泄洪闸作为重要的水利调控设施，其泄流状态关乎水电站安全运营，但不可忽视上游水位具有较大势能，即使经泄洪闸后亦会对下游水工结构设施造成冲击磨损，影响水利工程使用寿命，因而考虑在泄洪闸下游建设消力池，开展消力池设计对消能作用具有重要意义[1- 3]。国内外已有诸多专家与学者开展了消力池等水工结构的水力特性研究，基于水工模型试验研究，获得水工结构在室内模拟实验过程中的破坏过程，为水利设计提供重要参考[4- 6]。当然，在工程现场安装监测传感器，以实测数据推导水利工程未来运营状况，进而评价消力池等水利结构安全状态[7]。数值仿真作为一种研究复杂工况的高效率手段，以实际水工模型为基础，再在数值仿真软件中反演[8]，对比试验结果，为准确获取水利工程水力特性提供重要对比性参考。

1 工程概况与模型试验

1.1 工程概况

某水电站为河流梯级电站中第五级，电站装机容量为15万kW，其中水工建筑设置有泄洪闸、导墙以及坝体，导墙分为左右两侧，与19个区段坝体连接，水电站蓄水位稳定在233～243m之间，泄洪闸设计高程较坝体顶部高程低6m，最大泄流量设计为31580m3/s，设有平面弧型钢闸门作为泄流闸过水断面导流设施，直径约为2.6m，多孔式设计，以减少淤沙沉积至水闸入口处，闸门启闭采用液压程序控制，保证闸门开度合理精确，泄洪闸轴线上共有12个孔，单孔间隔为6m，闸墩以混凝土浇筑形成，闸墩承重平台半径为8m；导墙设置在左右侧，厚度约为1.1m，墙底部在表面标高以下3.4m；19个坝体区段顶部高程为216m，坝轴线长度为90m，下游坝坡坡度为1∶3，在坝身设有挑坎，以弧形角跌坎形式设计，角度为45°；另泄洪闸下游设有底流消力池设施，宽度为80m，池底高程为207.5m，当上游洪水位发生变化时，下游消能池所面临的水头压差变幅亦较大，对消能池进行重设计有助于降低泄洪闸水流对水工结构冲击磨损效应。

地区内工程地质构造主要有褶皱与局部破碎带断层，均分布在水电站左右岸坡，褶皱延伸长度约为1.3km，断层带靠近消力池左导墙，但其破碎带方向与消力池相反，故其对水工结构稳定性影响较低。消力池所在工程场地表面为第四系人工活动填土层，厚度约为2.5m，经设计部门钻孔得知，该土层颗粒松散性较大，需对其夯实加固；下方土层为粉质壤土，分布范围较广，基本遍及水电站大坝以及消力池等水工建筑，其中导墙所在持力层即为该土层，强度中等，含水量测定为32%。基岩为弱风化片麻岩，岩体完整性较好，现场取样表面无显著孔隙，室内测试其强度较高，以水为流体介质测定的渗透系数较低，达10-19m/s，是水电站引水隧洞以及泄洪闸闸室基础、闸墩等基岩层。考虑到消力池在泄洪过程中降低水力能量的冲击作用，需重新设计消力池布置方案，以满足不同频率洪水位下泄洪消能需求。

1.2 模型试验

为保证泄洪闸消能池设计能够适应泄洪闸泄流特性，文章设计开展水工模型试验，所建设的水工模型包括坝体、蓄水库、回水渠等，按照模型长度比尺参数为80，枢纽建筑用抗冲击有机玻璃制作，挡墙等水工建筑保护设施均以水泥砂浆抹面，上下游河床均按照实际工程铺设岩土体覆盖层，由于实际工程覆盖层颗粒粒径磨圆度较高、硬度较强，因而模型试验中统一按照中值粒径选取，图1为模型试验布置图。

图1 模型试验布置图

文章模型试验主要针对消力池设计方案开展优化研究，因而通过设计多种设计工况下泄洪闸泄流特性模型试验，获得泄流区域内流场特征参数；另为保证模型试验准确性，设计同步开展数值仿真试验，为消力池设计提供参考。A方案：跌坎布设消力池桩号0+61m处，高程209.5m，尾坎坡度为1∶1.25，高程为211m；B方案：跌坎布设在桩号0+49m处，高程同样为209.5m，另尾坎坡度与A方案一致，但高程为214m；A、B方案均无消力坎；C方案：跌坎布设在桩号0+49m处，池中设计有消力坎，坡度为1∶1，高程为214m，尾坎坡度为1∶1.25，高程为211m；原设计方案：跌坎布设在桩号0+49m处，池中设计有直墙坎，坡度为1∶1，高程为211.5m，尾坎坡度为1∶1.25，高程为211m。4个消力池设计方案几何平面图如图2所示，以上述不同设计方案开展对比分析。

图2 消力池设计方案几何平面图(单位:m)

2 数值仿真理论

文章流场仿真模拟利用RNG双参数方程开展计算，流体介质运动服从下式[9- 11]：

(1)

而根据运动过程中的动量守恒，有下式：

(2)

以双参数湍流模型表述流体湍动状态，其方程表达式为

(3)

(4)

其求解依照紊流动黏度系数及Prandtl参数，方程求解为

(5)

(6)

其中

(7)

(8)

式中，σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε—试验常数参数；YM—动量参数常数项；Gk、Gb—流场湍动能；μeff—有效黏度系数；Sk、Sε—与k、ε流场参数有关的常数项；αk、αε—Prandtl参数；ui、uj—流速；p—压强；μ、μt—静力、动力黏度系数；k、ε—流场参数。

自由液面处理假定在流体运动过程中服从质量流状态，其参数方程表述为

(9)

式中，I—紊流强度；Re—雷诺数。

(10)

结合有限元离散插分迭代求解理论，结合动量运动与流场参数方程，得到有限元求解迭代离散方程

(11)

修定迭代获得的流场特征参数，修正表达式为

(12)

式中，u′、v′、p′—修正后的流速与压力值。

3 模型试验与数值试验对比分析

3.1 仿真模型与研究工况

限于篇幅与数值仿真计算量较大，文章以A～C三个方案开展计算分析，利用AutoCAD按照各个设计方案建立三维几何模型，总长度约为300m，包括泄洪闸室以及消力池等重要水利设施，其中泄洪闸按照5孔式设计，模型如图3所示，另设定X、Y、Z正方向分别指向下游、模型横向垂直方向、模型向上竖向。模型共划分网格138682个，节点数132689个，上、下游水为边界条件分别为237.2、222.5m。

图3 数值模型图

3.2 数值结果分析

3.2.1压强特征

图4为4种设计方案与原设计方案消力池底部压强分布特征云图，从图中可看出，4个方案在泄洪泄流口压强均较小，其中B方案入口处压强仅为7.5kPa，相比原设计方案泄洪闸水流出口处最低压强降低了53.1%，究其原因，均是由于4种方案均在泄洪闸水流出口、消力池进水端前设置有跌坎，一定程度降低了闸室出口压强。进入消力池后，A～C三个方案均在消力坎前端产生最大压强值，其中A方案最大压强达218.3kPa，原设计方案中由于并未设置消力坎，故而池中部并未出现压强最大值，而是出现在尾坎。从消力坎布设来说，泄洪闸下泄水流在遇见消力坎后，水流状态并未发生紊流或涡旋现象，整体还较为稳定，且最大压强均分散在消力坎前对应的多孔水闸出流处，并未出现压强集中现象，这有利于消力池安全稳定运营。

图4 消力池压强分布特征云图

3.2.2流速特征

图5为各设计方案下消力池内中心截面流速矢量分布云图，由图5中可知，消力池中最大流速均为20m/s左右，且分布在闸室出口与消力池进口前端；方案A～C池内消力坎前端出现水跃现象，且消力坎越靠近上游闸室，水流越易于逆流回闸室，另一方面消力坎布设高程愈高，坎前水流底部稳定性愈大，表明消力坎的存在能显著降低消力池内活跃水流；从水跃层流速分布来看，中部流速最大，B方案中坎前中部流速高达20.3m/s，而下部流速较低，相比中间层与水流表面，要低1～2个量级，流速最低值均出现在该区域，分析是由于水流冲击消力坎，回流至底部后能量耗散较多，流速降低至谷值。原设计方案中无消力坎设置，在池内下游段流速分布较大，高达17.3m/s，而A～C方案池内下游段流速相比前者分别降低了76.3%、60.4%、60.5%，即池内设置消力坎能降低下游水工设施受泄流冲击影响。

图5 消力池内流速矢量分布云图

3.2.3水面线特征

图6为各设计工况下消力池剖面上水面线分布特征，反映了水气二相场占比，从泄洪闸室至消力坎前端，水面线逐渐下滑，通过消力坎后水面线有所爬升，但是在池内消力坎后又下降，直至尾坎出现小幅上升；当池内无消力坎时，即原设计方案中仅出现一次水面线的升降变化。从消力坎前水面线爬升来看，当同一高程下的消力坎，B方案愈靠近上游闸室时，其水面线上升愈高，最大高度达21.5m，C方案中消力池布设高程较高，但其坎后水面线爬升并不显著，坎后水面线最大高度相比B方案降低了19.6%，表明消力坎布设高程应在合理范围内，过高或过低均会影响其性能。对比无消力坎设计方案，有消力坎的池内中部出现水面线的二次变化，但在末端出口处水面线较为稳定，无消力坎设计方案在水流出口处受束缚作用较弱，水流活跃性高于A～C方案。

图6 消力池剖面上水面线分布特征

3.3 模型结果与数值结果对比

文章选取典型工况开展数值结果与模型实验结果对比，以C方案与原设计方案为分析对象，图7为两种试验结果局部流态特征对比。从图7中可看出，数值结果与模型试验结果具有相似性，C方案中模型试验水跃现象为远驱式特征，其跃起高度高于对比方案中，数值结果与模型结果均是如此。图7(c)为B方案的数值结果与模型实验结果水面线特征对比，通过B方案的水面线二次下降变化在模型试验中实测结果也可看出，在高程120.06m处，模型试验测定水面线高程为22.5m，而在高程150.05m处时高程相比降低了26.7%，不论是从变化趋势亦或是水面线量值来看，数值结果与模型试验结果均吻合。

图7 模型试验与仿真试验结果对比(左、右图分别为模型试验、数值仿真试验结果)

图8为C方案与原设计方案的出口处各深度的流速变化，沿水面至池底的流速整体呈先增后减的变化，流速以池中部为最大，达0.72m/s，出口池底部流速最低，相比峰值流速，降低了41.7%。两方案的模型试验结果与数值结果基本相近，C方案中仅池中部峰值流速所处水深发生一定变化，但误差较低，其他深度的流速值基本接近，吻合度较高。原设计方案中沿水面至池底的流速整体亦为先增后减，但该方案池中部峰值流速相比C方案要高38.9%，且水面线以下各深度的流速均高于C方案，在池中部至池底部区段内流速降幅仅为13%。从出口处流速对比可知，相比原设计无消力坎方案，有消力坎的C方案经消力池后水流冲击能量降低，对下游水工建筑结构冲击磨损效应较低。

图8 消力池出口处流速各深度上变化

4 结论

(1)有消力坎方案池中无压力集中，跌坎可降低压强，有、无消力坎方案最大压强分别位于坎前端、尾坎，无消力坎压强较高。

(2)各方案池内最大流速均约为20m/s，消力坎越靠近上游闸室，越易于逆流；A～C方案池内下游流速相比原方案分别降低了76.3%、60.4%、60.5%。

(3)有消力坎的池内中部水面线会出现二次降低，但布设高程应在合理范围内，无消力坎方案在出口处受束缚作用较弱，水流较活跃。

(4)对比了模型试验与数值仿真结果，流态特征中均有水跃现象，水面线变化与量值均吻合；有消力坎方案池中部峰值流速相比原方案要高38.9%。