沙湾水电站泄洪渠防护工程数值模拟计算分析

吴倩倩，刘 华，2，王宇亮，袁劲松，张 颖

（1.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065；3.中国水电建设集团圣达水电有限公司，四川 乐山 614000；4.中国水利水电第七工程局，四川 成都610065）

1 工程概况

大渡河沙湾电站枢纽工程位于四川省乐山市沙湾区葫芦镇境内,电站采用一级混合开发方式,为河床式加长尾水渠开发方案。坝顶高程435 m,最大坝高28 m,坝顶全长247.70 m,坝轴线长699.86 m,筑坝壅水15.5 m,厂后接长约9 km的尾水渠（边墙顶部高程按100 年一遇洪水设计）,尾水渠利用落差14.5 m。沙湾电站枢纽主体工程包括左岸非溢流面板坝、储门槽坝段、10 孔宽14 m的泄洪（冲砂）闸、电站主副厂房、厂房后接长约9 km的电站尾水渠、右岸接头坝、库区防洪堤等建筑物,工程等别为大型二等工程。

沙湾电站自2010 年正式发电以来,年均发电量约20 亿kW·h,为国家西部用电发挥了一定的保障作用。电站运行到现在,河道边界条件、水流流态等发生了较大变化：下游河床高程总体下降,左岸泄洪闸后防冲槽发生沉降,海漫基础暴露、末端形成跌水,下游河道形成冲坑,见图1。若不进行除险加固,会逐步加剧下游河床的淘刷,继而危及海漫、消力池、甚至大坝的安全。2020 年4 月,电站采取临时应急防护措施,在河道下游桩号0+450.00 处修筑二道堰,汛后发现临时堰体在右端（临近尾水渠左堤）约有60 m被冲毁,形成一深凹河槽。为减轻电站下游河道冲刷以保护建筑物的安全,经分析提出在下游修建钢筋混凝土的防冲尾坎优化方案［1-2］。

图1 现场图

为分析工程实际问题的原因并探究合适的工程措施,以沙湾电站泄洪渠首为研究对象,建立包括10 孔泄洪冲砂闸、消力池、下游1120 m河道及采取的工程防护措施的计算模型,对原泄洪渠、临时方案和永久方案分别开展数值模拟计算：①原泄洪渠：原河道内不采取任何工程措施。②临时方案：在桩号约0+450.00处设二道堰,设计堰顶高程414.5 m,堰顶宽6 m。③永久方案：在原二道堰后100m处设置一道钢筋混凝土防冲墙尾坎,断面示意图见图2。中间底部高程408.0 m,左右两侧呈逐渐加高设置（坡度为1∶2）,第一级两侧加高至412 m,第二级两侧加高至414 m,之后两岸沿合适坡度与岸坡418 m高程连接；回填上游河床至411.5 m；拆除应急防护工程。

图2 防冲尾坎剖面（高程：m，尺寸：cm）

本文选用RNG 双方程紊流模型［3-4］,VOF方法对上述模型分别开展模拟计算,计算工况为5000 m3/s流量 （10 孔全开敞泄分界流量）和 7940 m3/s（P=10%）流量,从水力学角度分析原泄洪渠和临时方案的水力特性及问题的原因,进一步探究永久方案的可行性［5-7］。

2 数学模型

2.1 控制方程

本文采用RNG 两方程紊流模型计算,能够更好地处理消力池中形成水跃时伴有的漩涡和回流问题。本文采用的RNGk-ε紊流模型的基本方程为［8］：

式中：ρ为体积分数平均的密度；为分子粘性系数；p为修正压力；t为紊流粘性系数为经验常数,取C=0.09；σk、σε分别为k和ε的紊流普朗特数,取σk=1.0,σε=1.3；C1ε、C2ε为ε的方程常数,取C1ε=1.44,C2ε=1.92；G为由平均速度梯度引起的紊动能产生项,

2.2 模型设计及网格划分

模型计算范围为坝前50 m到坝后1367 m,坝后范围包括闸室、消能段、海漫段及下游河床,根据地形图数据简化模拟下游河道。原泄洪渠方案三维模型见图3,临时方案模型（坝0+450处修建二道堰）与永久方案模型（坝0+550处修建永久方案）模型细节见图4［9］。

图3 沙湾水电站原泄洪渠方案三维模型图

图4 临时方案和永久方案的三维模型细节图

2.3 边界条件

模型试验的上游来流为恒定流。数值计算的进口条件为速度进口,限制水面高度以保持来流量；出口条件为自由出流；上下游空气边界均设为压力进口,压力值为大气压强；壁面边界条件设置为无滑移形式的固壁条件；自由水面采用VOF法进行处理,判断计算稳定的条件为进出口流量差值小于总流量的0.5%。

2.4 数值模型验证

为验证数值模拟计算的可靠性,对比原泄洪渠整体模型试验的典型断面水位［10-12］和数值模拟计算结果,见表 1,两者结果基本吻合,建立的数学模型计算结果是可靠的［13］。

表1 模型试验结果与数值模拟计算结果水位对比 单位：m

3 计算结果与分析

3.1 剖面流态分析

选取泄洪渠四号闸孔中线的纵剖面进行流态分析,流量为5000 m3/s三种方案计算模型的水体积分布见图5。闸后下泄水流形成的水跃都比较稳定；原泄洪渠闸室到消力池段水面波动明显；临时方案闸室下游水流紊动较大甚至出现了回灌的现象,二道堰前产生壅水现象,堰后形成跌水,下游河床水垫小；永久方案防冲尾坎壅水效果好,流态较为平稳,尾坎上下游没有明显的跌水现象。

图5 =5000m3/s不同方案的水体积分布图

3.2 平面流场分析

三种方案计算模型在流量5000 m3/s工况的平面流场（高程416 m）见图6。

图6 5000m3/s工况下原泄洪渠模型的平面流场图

原泄洪渠海漫与下游衔接处流场紊乱,流速较高,主流靠近右岸尾水渠堤；临时方案海漫与下游河床衔接处有所改善,流速略有减小,堰前水流多处形成横向漩涡,主流靠近右岸以较高速度冲过堰顶。两个方案的计算结果显示,主流靠右岸,出海漫的流速大,这与泄洪渠海漫末端基础被淘刷、尾水渠左堤堤脚被冲刷以及临时方案二道堰右侧被冲毁的现象是吻合的。

永久方案的计算结果显示,海漫与下游河床流态分布均匀,流速明显减小。防冲尾坎的阶梯断面布置形式,使海漫与下游的河道主流不再靠右,可减小对尾水渠左堤和下游河道的冲刷,起到保护建筑物和下游河道安全的作用。

3.3 流速分析

三种方案计算模型典型横断面的流速对比见图7,两种流量工况典型断面的流速分布规律基本一致。

流量5000 m3/s的流速计算值见表2。闸下出流在经过三级消力坎后,流速得到降低,消力坎消能效果明显；进入海漫流速逐渐增大,原泄洪渠和临时方案海漫末端流速高达11.42 m/s、9.87 m/s,永久方案海漫的流速略有增大,为6.46 m/s；原泄洪渠和临时方案下游河道的流速在9.47 m/s、10.02 m/s,永久方案下游河道的流速降至3.54 m/s。

表2 流量为5000m3/s工况不同方案下各典型断面的最大流速 单位：m/s

原泄洪渠的海漫末端及下游河床的流速大,对河床冲刷严重；临时方案海漫出口处的流速减小不多,对河床仍有较严重的冲刷,且主流偏向右岸,故发生二道堰右侧被冲毁60 m的现象,威胁尾水渠左堤的安全。

永久方案有效降低海漫及下游河道的流速,减小对河床的冲刷；采用左右两侧逐步加高的阶梯布置设计,将主流引导至河床中部,以保证尾水渠左堤的安全。

图7 流量分别为5000 m3/s、7490 m3/s时典型断面流速对比图

4 结语

本文采用数值模拟计算方法,对泄洪闸、消能建筑物及下游河道建立三维模型进行水力计算,分析原泄洪渠和临时方案出现问题的原因,探究永久方案的可行性。

（1）原泄洪渠海漫与下游河床水流紊动剧烈,流速偏大,主流靠右岸,故发生海漫及下游河道被冲刷、尾水渠左堤面临危险的工程问题。

（2）临时方案海漫出口流速略减小,海漫后一定范围内主流偏向右岸,二道堰后形成跌水,水流紊动较大,下游水垫层小,流速加大,导致洪水期二道堰右侧被冲毁60 m。

（3）永久方案壅水效果好,海漫及下游河道的流速显著降低,主流分布均匀,防冲尾坎的阶梯布置将主流引导至河床中部,坎上下游水流衔接平顺,永久方案对保护右岸尾水渠堤及下游河床的安全是可行的。

本文分析了沙湾电站泄洪渠首永久方案的合理性,计算结果可为方案提供理论依据,对方案的实施有一定的参考价值。