无级调节溢流式进水口结构优化设计

邹 鹏，刘 伟，蒋定国

(三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

河道型深水库的兴建，促使当地河流水位大幅度抬升，蓄水量的大幅增长为人类带来诸多便利。同时也显著改变了天然河流的水动力特性和热输移模式，导致库区出现复杂的水温季节性分层现象[1]。气温回升期，水温分布逐渐演化至稳定分层结构[2]，表层变温层温度高于底层的滞温层，温跃层作为二者之间的过渡层，此层水体温度由下至上大幅度升高。根据行业规范要求，进水口需要一定的淹没水深，故进水口高程通常较低，引水水温与天然水温差异大，进而对下游水生态系统带来负面影响[3-5]。此影响持续时间长、作用范围广[6-7]，温度作为生物生存重要的环境因子，是评价生态环境的重要指标。

因此，下泄低温水带来的负面影响受到广大学者的关注，先后研发多种工程措施以减缓此负面影响。目前常见的有叠梁门[8-10]、隔水幕布[11-13]、前置挡墙等。以叠梁门为代表的工程措施，在进水口前沿竖直方向安置叠梁钢板，可以根据需要达到不同的挡水高程。但在运行时遇到多种困难，如调节门板繁琐、挡水高程调节跨度大以及流态不利等。隔水幕布施工方便，调节灵活，但由于幕布本身柔性材料的性质，使其难以固定，在复杂水动力条件下的作用受到限制。前置挡墙即在进水口前浇筑竖直方向的混凝土挡墙，改善效果良好，但挡水高程不可调节，限制了其应用范围和下泄低温水改善效果。上述工程措施产生作用的原理一样，均为引导上层温度较高的水体流入进水口并拦截下层低温水。

改善当前工程措施的不足，设计一种运行灵活，能适应一定范围的水位变动，结构稳定耐用的进水口引水高程调节装置成为必要。本文以贵州董箐水库为例，利用ANSYS Workbench仿真平台，建立二维数值模型，模拟4种结构(进口水前无工程措施、直立挡墙、弧形挡板和橡胶坝式溢流式进水口)的运行效果，对比分析不同结构的下泄水温、流速分布和结构受力，以得出运行效果更好的工程结构形式，为无级调节溢流式进水口的实际应用提供理论技术支撑。

1 研究对象

1.1 背景资料

董箐水库位于北盘江干流茅口以下，是北盘江水电梯级开发的最后一级，上游为光照水电站，下游为红水河龙滩水电站，是典型的日调节水库。董箐水电站工程等别为II等，水库正常蓄水位490 m，死水位483 m，总库容9.55亿m3，调节库容1.438亿m3，正常蓄水位相应库容8.82亿m3，死库容7.39亿m3。

根据水库水温实测资料(见图1)，可见该水库在气温回升期会出现明显的水温分层现象，并且表底温差较大，最大温差可达10.2 ℃。取水口中心线高程为460 m，处于温跃层内，下泄水温也因此受到了较大程度的影响，气温回升期的下泄水温明显低于天然河流水温，降温期下泄水温高于天然河流。

图1 一年内坝前垂向水温情况

1.2 计算条件设置

自3月开始，坝下水温与天然情况出现较大温差，其中4月～6月的坝下水温与天然情况温差最大。故本文以3月～6月为计算时段，取3月～5月电站进水口流量为543.58 m3/s(折算为进水口流速1.89 m/s)，6月电站进水口的引水流量为558.72 m3/s(折算为进水口流速1.94 m/s)。

本文对4种进水口结构进行数值计算分析，分别为进口水前无工程措施、直立挡墙、弧形挡板和橡胶坝式溢流式进水口。进水口前38.15 m设置的3种工程措施挡水高程均为470 m；计算区域取垂向高度135.5 m，进水口入口以右500 m，进水口长20 m，进水口高9 m。综合考虑计算精度和速度，对4种工况的几何模型简化为二维模型，进水口结构局部简化如图2所示。

图2 计算结构局部简化示意

2 研究方法

2.1 数学模型

流体流动的连续方程、动量方程、能量方程及状态方程为

(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紊流模型为

(4)

2.2 网格划分

利用ANSYS WorkBench 16.2 Fluent中的Mesh进行网格划分工作。采用非结构化网格，设置Element Size为0.5m，设置Behavior为Hard，对进水口边界进行加密，边界Element Size为0.1m，设置Behavior为Hard。不同工况进水口的局部网格划分如图3所示。

图3 局部网格划分

2.3 边界条件及计算参数

进口边界设置为压力进口，出口边界条件设置为速度出口，水库库底和壁面设置为无滑移绝热壁面，表面采用刚盖假定。k-epsilon Model选择Realizable，Near-Wall Treatmen选择Scalable Wall Functions，C2-Epsiloon设为1.9，TKE Prandtl设为1，TDR Prandtl设为1.2，采用中心差分格式和二阶迎风格式相结合的离散方法，离散后的代数方程采用PISO算法求解。根据预试验测试，采用瞬态计算，时间步长设为0.5 s，共设置60个时间步，每个时间步长内迭代计算500步可达到稳态。

2.4 UDF编写

为模拟4种结构的下泄水温，需要自定义入口边界条件、初始温度场、水的密度和粘滞系数随温度变化的函数。自定义函数UDF采用C语言来编写，在Define宏中进行定义。通过数学方法拟合水温分布趋势线，得到水温沿水深分布方程，将其编写到入口边界条件和初始温度场中；根据已经得到验证的水密度和粘滞系数随温度变化的公式，编写到水体物理属性中。

2.5 结构受力计算设置

以水平引流台和垂向挡水结构为整体进行受力计算，提取流体对工程结构边界上的力，再进行矢量合成得到流体对结构的合力。为计算动水作用下结构的应力分布，选择单向流固耦合计算方法(即忽略固体区域应变对流体计算区域的影响)，采用Fluent+Static Structural体系进行计算，将流体计算结构加载在固体受力分析模块上，计算固体区域的应力。将3种工程措施的固体材料设为线弹性材料，不考虑自重影响，材料密度设为1 000 kg/m3，Physics Type设为Structural，固定端设在结构与坝体相接处。

3 计算分析

3.1 下泄水温

根据选择的计算时段3月～6月，模拟水温分层现象和下泄水温，计算并对比4种结构的下泄水温。4种进水口结构5月的水温分布如图4所示。靠近进水口时，水温结构受到进水口前流场的影响，产生一定变形。

图4 5月4种进水口结构前水温分布

计算各工况的下泄水温如表1所示。由表1可知，采用工程措施后下泄水温得到改善，但与天然水温仍然存在差距。3种工程措施在6月改善效果最好，直立挡墙下泄水温与天然水温的温差为-0.88 ℃，比不采用工程措施高2.79 ℃；弧形挡板下泄水温与天然水温的温差为+0.02 ℃，比不采用工程措施高3.7 ℃；橡胶坝式下泄水温与天然水温的温差为-0.03 ℃，比不采用工程措施高3.64 ℃。3种工程措施均能有效地改善下泄水温，且改善效果相近。

表1 无工程措施和直立挡墙下泄水温 ℃

3.2 流速分布

3月4种进水口结构局部流速等值线如图5所示。从整体流体区域来观察，4种进水口结构流场变化规律相同。进水口主要的取水区域是以进水口中心为圆心的半圆形状分布，与进水口距离越近，垂向速度变化越剧烈，与进水口距离越远，垂向速度分布越均匀。

图5 3月四种进水口结构局部流速等值线示意

不采用工程措施时，进水口主要取水范围包括进水口中心线上下30 m以内的水体；采用工程措施后，主要取水区域发生较大变化。具体为进水口底板以下的水体几乎静止，主要取水区域集中在挡墙以上，470 m高程以上的水体流速最快，墙顶有最大流速为1.3 m/s。即采取工程措施后，主要取水范围的高程明显上升。

直立挡墙和弧形挡板结构附近存在不同程度的漩涡。引流平台外伸端设有直立挡墙的情况下，挡墙背后漩涡高度最高有近20 m，长度与引流平台长度相当，漩涡外边缘轮廓大致为1/4椭圆，漩涡外最高流速1.42 m/s。直立挡墙背后的漩涡相当于一个下垫层，缩小了过流断面高度，使得漩涡上的水体流速提高。选用弧形挡板的情况下，其背后漩涡长度与直立挡墙相近，漩涡高度控制在挡板高度15 m；漩涡外侧流速最高为1.29 m/s，漩涡内部流速较小。橡胶坝结构附近水体流速分布均匀，过流平顺，无漩涡产生。

3.3 结构受力及应力分布

3.3.1结构受力

以水平引流台和垂向挡水结构为整体进行受力计算，提取流体对工程结构整体边界上的力，再进行矢量合成得到流体对固体结构的合力，结果如表2所示。由表2可知，3种工程措施受到的合力方向基本一致，弧形挡板受到的合力最小，直立挡墙受到的合力最大。橡胶坝式合力比直立挡墙小12 218.19 N，橡胶坝式合力比弧形挡板小1 510.63 N。

表2 各工程措施单位宽度受力

3.3.2等效应力分布

忽略自重，仅考虑水流对固体结构作用力的情况下，计算等效应力分布如图6所示。直立挡墙在其左下角有最大应力值16.31 kPa，其墙体所受应力在2.61 kPa左右，平台的最大应力在固定端的上缘为1.73 MPa；弧形挡板在右下端和平台固定端上缘有最大应力值1.10 MPa，平台上应力在1.36 kPa左右；橡胶坝式，橡胶坝上无应力最大值，应力分布均匀，整体应力在4.38 kPa左右，固定端上有应力最大值1.05 MPa。

图6 6月3种工程措施断面应力分布

综上所述，从所受合力大小、应力分布和应力极值来看，橡胶坝式溢流式进水口是最优化的结构，弧形挡板和直立挡墙较差。

4 结构优化设计

综合考虑4种进水口结构的下泄水温、流速分布和结构受力，橡胶坝式溢流式进水口是最优的结构。但橡胶坝的最大挡水高度有一定限制，最高在15 m左右。若以橡胶坝为调节装置且配合弧形挡板使用，可以增高橡胶坝式的最大挡水高度，同时优化弧形挡板的受力实现无级调节，结构如图7所示。

图7 优化设计方案

橡胶坝有充气式和充水式，建议选用充水式，稳定性更高。采用充水式橡胶坝，橡胶坝用高强度合成纤维织物做受力骨架，内外涂敷橡胶作保护层，加工成胶布，再将其锚固于底板上成封闭状的坝袋，通过充排管路用水将其充胀形成的袋式挡水坝。该工程措施造价低，施工期短的特点。坝体为柔性软壳结构，能抵抗地震、波浪等冲击。另外，该工程措施维修少，管理方便，橡胶坝袋的使用寿命一般为15～25 a。可提高整个装置的使用寿命。隔水幕布采用不透水无纺土工布制成。无纺土工布具有优秀的过滤、隔离、加固防护作用，抗拉强度高。由此结构，以柔性幕墙方式阻止低温水从侧面进入到进水口，而且可以过滤沙土。卡口为混凝土实体结构。具有很好的耐久性，可以承载整个装置的压力。通过布置在坝体进水口适当的位置，在春夏季水温分层明显对下游产生不利影响时，通过水泵向水袋中充水，使得水袋膨胀，进而推动挡水板转动，在挡水板和隔水幕布的作用下，进水口引水高程上升至表温层相应高程，有效地提高下泄水温。

5 结 语

本文以贵州董箐水电站为例，利用ANSYS Workbench仿真平台，建立二维数值模型，分析了进水口前无工程措施、设置直立挡墙、弧形挡板和橡胶坝4种进水口结构的下泄水温、进水口附近的流速分布和结构受力。结果表明：①设置工程措施后，较无工程措施下泄水温均有明显改善，设置橡胶坝改善效果最好，弧形挡板次之，直立挡墙最差；②进水口附近的流速分布以设置橡胶坝工况最优，弧形挡板工况较好，直立挡墙工况最差；③结构受力以橡胶坝应力分布最均匀，结构最为稳定，直立挡墙工况受力最大。通过对比分析，结构优化设计确定了一种新型无级调节溢流挡板结构形式，为改善下泄低温水的影响提供了技术支撑。