旋流竖井泄洪洞在青山冲工程设计中的应用

朱涛 李桂青

随着近年来高山峡谷地区中小型水利枢纽工程的开发，泄洪建筑物布置的难题越来越突出。由于在高山峡谷地区修建岸边溢洪道的投资限制，或者坝身泄洪影响下游峡谷边坡稳定，应用传统的外部消能方式很难兼顾工程的经济和安全，故在水库泄洪量不大的情况下，采用旋流竖井消能不失为一种好的选择。

贵州省青山冲水利枢纽工程根据工程自身特点和地质地形条件，在大坝右岸布置旋流竖井泄洪洞，经计算，竖井泄洪流态稳定，消能效果良好，避免了边坡大开挖，取得了良好的工程效益。

1 工程概况

青山冲水利枢纽工程位于贵州省铜仁市，工程主要任务为城镇供水和农业灌溉。挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，最大坝高83.9 m，总库容1 287万m3。工程主要建筑物包括：拦河坝、右岸旋流竖井泄洪洞、引水及放空洞（兼做导流洞）、引水隧洞及扬水泵站等。本工程的工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，旋流竖井泄洪洞的建筑物级别为3级。

工程设计洪水重现期为100年一遇，校核洪水重现期为2 000年一遇。正常蓄水位443.5 m；设计洪水位（P=1%）444.72 m，相应下泄流量为244.0 m3/s；校核洪水位（P=0.05%）445.27 m，相应下泄流量为416.0 m3/s。

溢洪道右侧边坡开挖范围内原始地形坡度为20°～40°，地表覆盖第四系全新统坡残积（Q4dl+el）碎石土，地层岩性为寒武系下统杷榔组三段（∈1p3）砂质页岩，为较软岩，抗风化能力弱，遇水易崩解。自然边坡处于稳定状态，右岸山体构造以节理裂隙为主，岩层产状倾向坡外偏下游，倾角21°～30°。右岸边坡发育次生软弱夹层R1，产状与节理裂隙一致，抗剪断参数较低。

2 旋流竖井泄洪洞布置及体型设计

枢纽左岸不具备布置泄洪建筑物的条件，故泄洪建筑物布置在枢纽右岸边坡。竖井旋流泄洪洞建筑物由引渠段（侧槽）、涡室段、竖井段、明流洞段等组成。引渠段包括进水侧堰、调整段，斜坡段，为库水与涡室段的连接部分；涡室段是水流形成稳定旋转流的必要措施，由连接段与涡室组成；竖井段为水流消能主要措施，包括连接渐变段、标准段、压坡段；明流洞段为消能后水流下泄建筑物。其关键特征参数如下：

（1）引渠段从侧堰进水，水流经调整段平稳后，在斜坡段流速加大，进入涡室段。引渠段总长165.4 m。

（2）涡室连接段为U型槽，底宽6.5～5.7 m，底坡为1∶10，顶部高程446.40 m；为了使水流顺利形成旋流，连接段左侧采用1/4椭圆曲线连接；涡室段为圆柱形，内径11.0 m，涡室顶部高程446.40 m，底部高程429.40 m，总高17.00 m。

（3）竖井段由连接渐变段、标准段、压坡段组成，高度范围429.40～370.00 m。渐变段直径为11.0～8.0 m，高度10.0 m；标准段竖井直径8.0 m，高49.4 m，其中竖井底部消力井深8.0 m；压坡段断面为矩形，长21.4 m。

（4）明流洞设计断面为城门洞型，宽6.5 m，高8.5 m，顶拱中心角120°，设计底坡i=1%。

竖井泄洪洞平面剖面示意图如图1所示。

3 旋流竖井结构尺寸的确定

旋流竖井结构尺寸计算主要包括竖井直径计算、涡室直径计算、竖井渐变段高度计算、引水道与涡室连接段的结构尺寸计算。计算公式详见《水工设计手册》第7卷《泄水与过坝建筑物》。

图1 竖井泄洪洞平面示意图

经计算：竖井直径取D=8.0 m；涡室直径取Dw=11.0 m；竖井渐变段高度取Ls=10.0 m。

引水道与涡室连接段采用1/4椭圆，取值：长半轴a=18.5 m；短半轴b=10.5 m。

隧洞内水位不超过直墙段，水面以上净空面积满足规范要求。

4 水力学数值模拟计算

为保证竖井旋流计算的精确性，采用FLOW 3D软件中的VOF法计算竖井消能。VOF（The Volume of Fluid）法是求解不可压缩、黏性、瞬变和具有自由面流动的一种数值方法，适用于两种或多种互不穿透流体间界面的跟踪计算。计算区域采用矩形网格，堰顶附近网格尺寸0.3 m，其余部位网格尺寸0.3～1.0 m不等，网格总数约156万。模型如图2所示。

图2 数值模拟三维图

4.1 旋流竖井泄洪洞过流能力

本工程为竖井式泄洪洞，无闸门控制，泄流为自由出流。对泄流能力的数值模拟结果表明，库水位为设计水位444.72 m（100年一遇设计）时，数值模拟的泄流量367.03 m3/s，比设计值244.0 m3/s大123.03 m3/s，大了33.5%；库水位为校核水位445.27 m（2 000年一遇校核洪水）时，数值模拟的泄流量444.93 m3/s，比设计值416.0 m3/s大6.5%。泄流能力均满足设计流量要求。

4.2 旋流竖井泄洪洞流态

小流量工况下竖井内水流能顺利起旋，设计水位和校核水位工况下水流流态稳定。各水位工况下，水流均能在竖井内形成旋流，消能效果较好，下游侧平直段水位稳定。

从图3～6可以看出，在校核水位工况下：（1）引水渠内水流平顺无涡流，随着底坡增大，水流流速逐渐加大；（2）经过引水渠后，涡室段水流顺利起旋，水流贴壁旋流，中间形成空腔；（3）竖井上部水流形成三维旋转运动，不同高程截面水流旋转方向均为顺时针，随着高程的降低，水流流速逐渐加大，水流主要集中于竖井的壁面并沿壁面旋转，在竖井内部形成了一定范围的空腔；（4）竖井下部随着高程的降低和底部水垫的顶托，降低直至某一高程，空腔消失，水流翻滚消能，并从压坡段流出；（5）水流在压坡段末端由有压流变成无压流，在明流洞内流态稳定，流速逐步降低，水深加深，且有较大净空。

图3 收缩段水流流态（校核水位工况）

图4 竖井内不同高程截面流速云图（校核水位工况）

4.3 结构尺寸的验证

旋流竖井在计算结构尺寸的前提下进行水力学数值模拟，流态稳定，消能效果良好，引渠段和明流洞内水流最大流速与水力学公式计算相近，选定尺寸合理，计算结果可靠。

图5 竖井内流速云图（校核水位工况）

图6 明流洞内流速云图（校核水位工况）

5 结语

（1）旋流竖井消能是一种新型的消能措施，应用于高山峡谷地区的中小泄量水利工程的泄洪建筑物，有利于工程布置和节省投资，有一定的技术优势。

（2）青山冲水利枢纽工程在已有工程经验的基础上，结合工程实际情况，布置了旋流竖井泄洪洞，通过数值模拟计算验证了其良好的消能效果，减少了边坡扰动、节省了投资，为工程设计提供了依据，也促进了旋流竖井消能技术在国内水利工程中的应用。

（3）青山冲水利枢纽工程对于竖井内的水流流态、建筑物结构稳定等仍需进一步研究。