导流放空洞改建工程下游消能方案研究

冷月华，何志亚，李修妍

(1.云南省红河州水利水电勘察设计研究院，云南 蒙自 661100；2.水资源与水电工程科学国家重点实验室(武汉大学)，湖北 武汉 430072)

目前，国内外对导流洞的消能方式主要分为洞外消能和洞内消能。洞外消能包括挑流消能和消力池底流消能等[1]，洞内消能主要是通过洞内体型设计，使水流通过旋转或突变实现消能[2]。对于导流洞改建工程，目前国内外研究主要针对导流洞改建后需要对隧洞进行衬砌、下游消力池加固以及掺气处理[3]。西班牙的阿尔坎塔拉坝泄水洞采用挑流消能，直接将水流挑入河床中部；泰国的色里克特坝导流洞改建为泄洪洞后下游采用挑流戽消能。针对传统底流消能不满足消能效果的问题，张志雁等[4]采用了设置消力墩和掺气槽的方式对导流泄洪洞消能工进行优化。在数值模拟研究中，刁奕等[5]采用三维k-ε双方程紊流数学模型，对导流放空洞改建泄洪洞出口跌坎消力池的水力特性进行数值模拟研究，得出跌坎消力池的入流角度小俯角更优的结论。

本研究针对的导流放空洞改建工程，利用圆钢管代替原隧洞断面，下游消能采用的是平台扩散消能工，其特点是水流在管道出口处先横向扩散，然后进入消力池借助水跃进行消能，其实质上是射流经过扩散后的底流消能[6]。本文采用数值模拟及模型试验相结合的方法，对该类型消能工的水力特性进行了研究。

1 工程概况

东津水电站位于江西省修水县，其导流放空洞位于大坝右岸，横穿右岸山脊梁，距右坝肩约260 m。进口布置在引水系统进水口上游侧约33.5 m处，出口与地面主厂房右端毗邻，轴线与引水隧洞近平行布置。整个建筑物由进水口、洞身段、出口消能工段等组成，全长约333 m。其出口消能工段采用平台扩散消能工，由平台扩散段、渥奇段、陡坡段及消力池组成[6]。

在东津水电站进行第三次大坝定期检查时，大坝安全监察中心要求对导流放空洞进行改建。导流放空洞改建一期工程已完工，其具体施工内容如下：在原导流放空洞桩号(放0+021.500 m～放0+041.5 m)处设一实心封堵体，在封堵体内设管径为3.0 m的压力钢管，出口设钢制闷头及卸压排水阀DN250。导流放空洞改建二期工程暂未实施，其设计主要施工内容如下：拆除洞出口弧形闸门、弧门室及出口渐变段混凝土衬砌；采用排水系统放空封堵体与进口闸门之间水体，卸下工作闷头；将封堵体内预埋管径为3.0 m的钢管引接至出洞口；出口设检修球阀、工作闷头及卸压排水阀，并改建出口阀室；对出口消力池进行加固、改建。

导流放空洞二期改建工程设计方案布置图如图1所示。

图1 导流放空洞改建工程设计方案布置图(单位：m)

2 现状设计方案试验成果

模型试验主要验证不同库水位(125.00～190.00 m)下，管内不同流态(无压流-半有压半无压流-有压流)放空泄流时，钢管泄流与现状消力池消能是否匹配。下游水位按照业主单位提供的电站运行水位进行控制。

2.1 模型制作

水工模型制作遵循《水工(常规)模型试验规程[SL155-2012]》[7]。模型制作范围为导流放空洞口以上进水口段约30 m，下游尾水渠段约40 m。模型总长约386 m。模型几何比尺λL=40。导流放空洞上游进水段、洞身段、出口消能工段及下游出水渠段均采用有机玻璃制作。

2.2 模型试验成果

根据试验成果，现状设计方案导流放空洞敞泄时，实测下泄流量均大于设计计算下泄流量，泄流能力满足设计要求。

特征水位下放空泄洪时沿程水深及消力池流速变化规律如下：当库水位位于125.00～129.84 m之间时，导流放空洞内水流呈无压流态，管内流态平顺。当库水位位于129.84～133.32 m之间时，导流放空洞洞内为半有压半无压流，洞内水流呈小波浪式前进，洞顶余幅在0.96～2.20 m之间变化，水流较平顺。导流放空洞出口水深为0.80～1.80 m，流速为7.19～8.58 m/s。钢管出口挑射水流于桩号0+223.000 m附近与消力池斜坡段相遇，此处流速达7.84 m/s。在桩号0+234.780 m附近处的消力池斜坡段形成水跃，水跃长度约为10.00～14.12 m。消力池平坡段流速在0.16～0.25 m/s之间变化，池内水深约6.05 m，水面平稳。尾坎段出口流速约1.11～1.94 m/s，与下游河道水流平稳衔接。消力池内消能充分。

当库水位高于133.32 m后洞内为有压流。水流出导流放空洞后，钢管出口挑射水流于桩号0+226.600～0+228.000 m间与消力池斜坡段相遇，之后6 m处流速达23.62 m/s。水流在消力池斜坡段形成水跃，跃首水深在1.8～2.4 m变化。收缩断面出现在桩号0+242.780～0+244.680 m间，该处底部主流水深达到最小值0.8～1.2 m，流速约为13.0 m/s。水流在反弧段因消力墩作用在桩号0+245.980～0+247.180 m间向上抬升，流速在10.26～13.50 m/s变化。部分水流在消力墩后产生漩滚，最大回流流速达5.86 m/s。水流经消力池水平段流速明显减小，流速在1.42～2.72 m/s间变化。池内最大水深约8.20 m，现状消力池边墙高度满足要求。水流在尾坎顶部底部流速约为2.90～3.57 m/s之间变化。水流越过尾坎后，形成一弱水跃，底部流速在3.36～5.00 m/s之间变化，而后水面回升，与下游水流平顺衔接。各特征水位下沿程流态如图2所示。

由试验结果分析可知，现状设计方案泄流能力满足要求。导流放空洞出口均为自由出流，消力池与各特征水位下的泄流匹配度较好、消能效果较好。但洞内有压流状态泄流时，钢管出口水流扩散，在消力池斜坡段出现的冲击流速最大值达到23.62 m/s。对现状消力池斜坡段底板抗冲提出了较高要求。考虑到导流放空洞尚有一定的泄流能力富余，现状消力池布置基本能满足防冲消能要求，拟将导流放空洞出口适当延长，充分利用富余的泄流能力，形成稍有淹没的泄流，减少现状设计方案有压流泄洪时对消力池斜坡段底板的冲击。

3 数值模拟方案及成果

3.1 模型建立与网格划分

本文利用FLUENT软件进行数学建模及计算，采用标准紊流模型，采用有限体积法作为方程的离散方法，VOF法追踪自由表面，选取适用于非稳态的PISO算法进行求解。

为更好拟合模型边界，加快收敛速度，提高网格精准度，模拟区域采用混合网格进行划分。导流放空洞出口处、切割形成的不规则体采用非结构化网格进行划分。上游水库、洞身段、消力池等使用结构化正交网格划分，网格尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m，有效网格数约124万。

本次计算区域边界条件：采用压力进口和压力出口边界(Pressure)，进口库水位165.00 m，进口流速为0.061 m/s。导流放空洞及下游消能设施固体壁面采用无滑移壁面边界(Wall)，湍流近壁的粘性底层采用壁函数法来处理。消力池顶部边界以及下游出口区域顶部边界设置压力边界，压强为大气压。

3.2 数值模拟方案

经过试验中不断探索，拟将现有布置下的钢管出口延长至桩号0+243.480 m处，出口底部高程118.32 m(优化方案一)；拟将现有布置下的钢管出口延长至桩号0+239.980 m处，出口底部高程119.70 m(优化方案二)。布置简图如图3、图4所示。

图3 导流放空洞优化方案一布置示意简图

图4 导流放空洞优化方案二布置示意简图

3.3 数值模拟可靠性验证

现将现状设计方案的数值模拟结果与物理模型试验数据进行对比，以验证数值计算方法的合理性，为后续研究提供条件和依据。由图5所示，数值计算与模型试验几个典型断面的流速误差最大约6.1%，水力参数整体吻合度较高，分布规律基本一致。

图5 现状设计方案物模与数模流速水深对比图

3.4 数值模拟成果分析

上游库水位控制在165 m放空泄流时，优化方案上游水库水流平稳，洞身段未见气泡进入。洞内呈有压流态，流态良好。优化方案导流放空洞出口均形成淹没出流。水流越过消能墩后，下部水流斜向升至消力池表面。消力池内水流漩滚发育，气泡丰富。水流越过消力池尾坎后水面再次跌落，形成一弱水跃。水流与下游河道水流平顺衔接，流向下游。数值模拟流态如图6、图7所示。

图6 优化方案数值模拟流态侧视图

图7 优化方案数值模拟流态俯视图

各优化方案典型断面流速水面线如表1所示。

表1 优化方案流速水面线表

优化方案下消力池斜坡段最大流速分别为18.5 m/s和16.39 m/s，池内最大临底流速分别为14.14 m/s和14.50 m/s。考虑到趾墩长期安全运行，以及优化方案一相对于优化方案二在无压流下更易形成闷头，无法自由下泄，故将优化方案二作为推荐方案开展物理模型试验进行验证。

4 推荐方案模型试验

推荐方案导流放空洞敞泄时，出口延长形成淹没流，但实测下泄流量均大于设计计算下泄流量，该方案下泄流能力满足设计要求(见图8)。

图8 推荐方案消力池段流态图

特征水位下放空泄洪时沿程水位及消力池流速变化规律如下：当库水位位于125.00～129.88 m之间时，导流放空洞内水流呈无压流态顺着管道流向下游消力池，管内流态平顺。出口处呈淹没状态，消力池内流态平稳。当库水位位于129.88～131.92 m之间时，导流放空洞洞内为半有压半无压流，洞内水流较平顺，有一定的洞顶余幅。导放洞口呈淹没出流，出口处水深为3.67 m，流速为9.17 m/s。消能墩墩顶流速为4.93 m/s，消力池中轴线墩间处流速为2.35 m/s。消力池内水流平顺，平坡段水深约6.88 m，流速约为2.55 m/s。主流越过尾坎后水深约为2.48 m，流速约为1.89 m/s，消能充分。

当库水位高于131.92 m后导流放空洞洞内为有压流。导流放空洞出口(0+239.98 m)形成淹没出流，出口处水深约为3.58～4.16 m，底部流速为14.22～14.86 m/s；消能墩(0+248.780 m)墩顶流速为14.22～14.86 m/s，消力池中轴线墩间处流速为5.21～8.60 m/s，墩底流速为4.31～4.93 m/s。水流越过消能墩后，下部主流在桩号0+256.180～0+262.380 m处形成最大临底流速，其值约为13.45 m/s。水流经消力池水平段流速减小为3.78 m/s。池内最大水深约9.00 m，现状消力池边墙高度满足要求。水流在尾坎处底部流速约为1.45 m/s。水流越过尾坎后，在桩号0+287.400～0+289.000 m形成一弱水跃，底部流速为7.86 m/s，而后与下游水流平顺衔接。

与现状设计方案相比，有压流状态泄流时，消力池斜坡段最大流速由23.62 m/s降为14.86 m/s；池内最大临底流速由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；池内消能充分，有压流下消能率达88%以上。推荐方案能满足业主及设计单位要求，可作为工程实施推荐方案。

5 结 语

本文针对东津电站导流放空洞二期改建工程采用FLUENT软件数值模拟以及物理模型试验相结合的方法，对导流放空洞改建后下游消能防冲设施是否匹配进行了模拟及验证。论文取得的主要成果如下：

1)现状设计方案模型试验表明：现状设计方案泄流能力满足要求，导流放空洞出口均为自由出流，消力池与各特征水位下的泄流匹配度较好、消能效果较好。但洞内有压流状态泄流时，在消力池斜坡段出现的冲击流速最大值达到23.62 m/s。

2)现状设计方案数值模拟和物理模型成果吻合良好，数模结果可靠。针对导流洞出口延长的优化方案进行的数值模拟结果表明：导流放空洞优化方案二可降低消力池斜坡段流速，消能效果较好，同时其泄流能力也能满足要求。

3)优化方案二的物理模型试验成果表明：该方案消力池斜坡段最大流速为14.86 m/s；池内消能充分，有压流下消能率达88%以上。该方案可利用现有下游消能建筑物，既满足消能防冲要求，又无需对下游消能设施进行较大改建，能降低改建工程量及工程造价，可作为工程实施推荐方案。