劉德偉，李連俠，廖華勝，李秋林

(1.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2. 密歇根州立大學(xué)，東蘭辛，密歇根州，美國)

0 引 言

在水利工程特別是引水工程中，為了沉降泥沙，提高引水水質(zhì)，減少引水設(shè)備(水泵)的磨損，需要在引水口前設(shè)置沉沙池，故而沉沙池在保障工程安全可靠方面起到重要作用。有不少學(xué)者對沉沙池進(jìn)行了研究，張軍、侍克斌等[1]對圓中球沉沙排沙池進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，并得出沉沙池中流場分布規(guī)律，還分析了其具有較好沉沙條件的原因；華福銀等[2]通過湍流模型等數(shù)值方法模擬了沉沙池中的水流流場狀態(tài)；戴文鴻[3]等在選定合理沖沙水位和沖沙流量范圍的基礎(chǔ)上，應(yīng)用一維非均勻流不平衡輸沙模型，對多種擬定沖沙方案下某水庫的沖沙過程進(jìn)行了長期模擬，據(jù)此選取合適的沖沙方案；王永桂等[4]構(gòu)建了一、二維耦合的水沙模型，以一維模型模擬錢塘江的水沙作為二維模型的輸入條件，模擬分析了沉沙池的工程效果，并探討了不同尺寸方案下沉沙池的沉沙效果；陳彩旭等[5]通過在沉沙池首部加設(shè)調(diào)流板，改進(jìn)沉沙池工作段的水流流場，以提高泥沙的沉積效率，從而縮短了沉沙池過渡段的距離；田艷等[6]則利用數(shù)值模擬，對廂式沉沙池的進(jìn)口優(yōu)化進(jìn)行了研究，得出通過設(shè)置整流橫梁等措施，能較大改善沉沙池出口水流流態(tài)。

基于這些研究，本文以某水電站沉沙池為例，通過模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬對比，相互驗(yàn)證了該工程中沉沙池的實(shí)用性和可靠性，為后續(xù)壩身式?jīng)_沙池的設(shè)計(jì)及研究提供一定指導(dǎo)。

1 模型試驗(yàn)研究

該水電站主要永久性水工建筑物，即首部擋泄水建筑物、發(fā)電引水隧洞、電站廠房及其變電站等均按4級建筑物設(shè)計(jì)，次要永久建筑物及臨時(shí)建筑則按5級建筑物設(shè)計(jì)。

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供方案對該工程進(jìn)行模型試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎谜龖B(tài)模型，按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，幾何比尺為1∶10。模型采用有機(jī)玻璃制作，有機(jī)玻璃糙率為0.008～0.009，換算至原型糙率為0.013～0.015，能滿足阻力相似要求。工程模型見圖1，分別由庫區(qū)、攔污柵、尾水引渠、壩內(nèi)沉沙池和發(fā)電引水隧

洞組成。沉沙池長46 m，寬15 m，除支道繼續(xù)向右延伸匯入沖沙主廊道外，沉沙池底部下方布置了46 m長的三條沖沙廊道，沉沙池末端布置了一薄壁取水堰(堰頂高程為1 665.70 m)，阻攔池內(nèi)泥沙進(jìn)入引水洞內(nèi)，從而取用表層清水。圖2為工程模型局部圖。

圖1 模型試驗(yàn)全景(模型比尺1∶10)Fig.1 Model test panoramic(scale 1∶10)

圖2 工程模型局部圖Fig.2 Partial figure of engineering model

1.1 初步試驗(yàn)

首先對原方案中各工況進(jìn)行了初步試驗(yàn)，旨在發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)上的不足，試驗(yàn)結(jié)果表明：從河道取水的工況和從某電站尾水取水的工況，攔污柵前的河道水流沿?cái)r沙導(dǎo)墻流至沖沙閘，受到阻攔后產(chǎn)生回流，而后經(jīng)過攔污柵涌入引水渠，下游側(cè)攔污柵水面跌落明顯，左側(cè)水面低于右側(cè)，并伴有水翅現(xiàn)象；引渠內(nèi)水流經(jīng)弧形導(dǎo)墻作用經(jīng)過整流柵進(jìn)入沉沙池，過柵水流明顯不對稱，且柵前柵后水面跌落較明顯；沉沙池出口及取水堰水面較為均勻，流態(tài)良好，引水隧洞內(nèi)水面橫向分布均勻，沿程變化緩慢。

1.2 優(yōu)化方案

結(jié)合初步試驗(yàn)結(jié)果，對該工程進(jìn)行了如下優(yōu)化：①裁彎取直：取消了河道引水渠和某電站尾水渠交匯處的弧形導(dǎo)流墻而改為直墻連接。②加分流墩：在沉沙池進(jìn)口前水流交匯處增加了一個梯形分流墩。③增加整流池：在沉沙池首部進(jìn)口跌坎(進(jìn)口跌坎高程為1 666.2 m)前，在原設(shè)計(jì)方案1 665.6 m高程的底板下挖0.8 m的整流池以改善入池的水流流態(tài)；相應(yīng)的原右岸泄洪沖沙孔體型尺寸不變，為滿足結(jié)構(gòu)要求，右岸泄洪沖沙孔底板高程相應(yīng)地降低0.8 m，即變?yōu)?661.7 m。④改變沖沙方式：由連續(xù)沖沙方式改為定期沖沙為主，輔以連續(xù)沖沙兼放生態(tài)流量。進(jìn)口采用跌坎形式，底部設(shè)置6個沖沙孔以防止整流池內(nèi)泥沙淤積；沉沙池底板水平，其高程為1 663.0 m，兩個縱向分水墻(頂高程1 664.5 m)將沉沙池分為3個定期沖沙廊道。優(yōu)化后方案見圖3～圖4。

圖3 優(yōu)化方案整體布置圖及流速測點(diǎn)布置圖(單位：m)Fig.3 The overall layout optimization scheme and sketch map of velocity measuring

圖4 沉沙池進(jìn)口結(jié)構(gòu)圖(單位：m)Fig.4 Setting basin import structure

2 數(shù)值模擬

為了更加深入地了解沉沙池在沉沙與沖沙工況下各部位的水力學(xué)特性，保證沉沙池沉沙和沖沙效果，本文對沉沙池進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，大量的數(shù)值模擬表明[4,5,7,8]，k～ε雙方程紊流模型是模擬此類流動的有力工具。因此，本文采用RNGk～ε紊流模型，其數(shù)學(xué)模型建立過程如下。

2.1 控制方程

以標(biāo)準(zhǔn)湍流模型來封閉Reynolds方程[9]，其基本控制方程如下：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

式中：ρ和μ分別為體積分?jǐn)?shù)平均密度和分子黏性系數(shù)；P為修正壓力；Bi為單位體積的體積力；Gk為紊動能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Cμ是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk和σε分別為k和ε的紊流普朗特?cái)?shù)；μ=ρvt為紊流黏性系數(shù)，其中vt為紊流運(yùn)動黏性系數(shù)，它可由紊動能k和紊動耗散率ε求出：

(5)

以上各張量表達(dá)式中，i=1,2,3,即{xi=x,y,z},{ui=u,v,w}；j為求和下標(biāo)，方程中通用模型常數(shù)見表1。

表1 紊流數(shù)值模擬中采用的常數(shù)值Tab.1 The constant value of turbulent flow numerical simulation

計(jì)算中采用兩相流模型，自由面采用VOF模型。采用有限體積法對偏微分方程組進(jìn)行離散，數(shù)值計(jì)算采用點(diǎn)隱式高斯-賽德爾迭代方法對代數(shù)方程組進(jìn)行求解。

上述建立的離散方程中，壓力P的精確解由連續(xù)方程間接反映出來。壓力場通過動量方程影響速度場，只有正確的壓力場才能求得正解的速度場，只有正確的速度場才能滿足連續(xù)方程。在本文數(shù)值計(jì)算中選用PISO算法，通過一個預(yù)測過程和兩個校正過程，以最終得到滿足連續(xù)性方程的壓力場和速度場。

2.2 邊界條件

(1)進(jìn)口邊界：模型的上游河道與某電站尾水進(jìn)口邊界均分為水和氣兩部分：上部分為空氣進(jìn)口，采用壓力邊界條件(Pressure-inlet)；下部分為水進(jìn)口，采用均勻速度進(jìn)口(Velocity-inlet)。

(2)出口邊界：下游出口的邊界條件采用壓力邊界條件(Pressure-outlet)，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

(3)固壁邊界：近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。

2.3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算

本文模擬的區(qū)域?yàn)楹拥酪?、某電站尾水出口到沉沙池的引水渠，沉沙池主體，以及沉沙池后的發(fā)電引水隧洞，具體計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分如圖5。

圖5 模擬區(qū)域及整體網(wǎng)格劃分Fig.5 Simulation area and grids

3 模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 沉沙工況結(jié)果分析

3.1.1 水流流態(tài)

圖6為沉沙工況下沉沙池系統(tǒng)各典型部位水流流態(tài)?？梢钥闯?，過攔污柵后的水流平順，水面橫向分布均勻，過柵水流跌落減小，流態(tài)較好；沉沙池池首整流池內(nèi)水流流態(tài)得到了極大的改善；水流在河道取水段內(nèi)過渡良好，沿程水面存在起伏不大的菱形波浪；沉沙池前端匯流處水流較湍急，在兩道擋坎前均有壅水及弱水躍現(xiàn)象，沉沙池進(jìn)口斷面水面分布左右均勻；沉沙池內(nèi)水流流速平緩，斷面流速分布均勻，可有效提高沉沙效率；沉沙池出口取水堰處水面沒有跌落和出口處水面相平，水流平順地進(jìn)入引水隧洞，沉沙池后水面線與引水隧洞內(nèi)水面銜接光滑。

圖6 沉沙工況各典型部位水流流態(tài)Fig.6 The flow regime of the typical parts in desilting condition

3.1.2 水流流速

模型進(jìn)口流量采用三角形薄壁堰進(jìn)行測量，水位采用測針測量，流速用LS-401型微型旋槳式流速儀測讀，測點(diǎn)布置情況如下：

沉沙工況：沉沙池進(jìn)口擋水坎坎上與沉沙池出口水平方向分左、中、右，共6個測量點(diǎn)。2、4和6號孔口出口共3個測點(diǎn)，①②③支廊道沉沙也進(jìn)口后10、20、30 m位置共9個測點(diǎn)；

沖沙工況：沉沙池進(jìn)口前2 m處3個測點(diǎn)、2號、4號和6號孔口出口共3個測點(diǎn)、①②③支廊道末端及沖沙主廊道A、B、C共6個測點(diǎn)。

具體施測位置見圖4。表2為沉沙工況沉沙池布測點(diǎn)模型試驗(yàn)測量的水流流速與數(shù)值模擬計(jì)算的水流流速。對比模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，計(jì)算所得流速與試驗(yàn)值吻合較好，均在允許誤差范圍內(nèi)。

表2 沉沙工況流速模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.2 The velocity result of model test and numericalcalculation in desilting condition

注：括號內(nèi)為數(shù)值計(jì)算結(jié)果，下同。

圖7為正常水位數(shù)值計(jì)算水面線，圖8～圖10分別為沉沙池進(jìn)口，進(jìn)口20及40 m處的斷面流速(標(biāo)量)分布圖。可以看出，由于正常工況下沖沙閘門關(guān)閉及取水堰作用，下游水位較高，在沉沙池進(jìn)口處沖沙孔上下流水位差較小，因而流速較小，均小于2.0 m/s；由圖9和圖10可以看出：在沉沙池進(jìn)口20 m處水流已達(dá)到穩(wěn)定，沉沙池中1 664 m高程以下水流流速基本小于0.4 m/s，底層流速較小，有利于沉沙；水面流速較大，但不大于1.0 m/s(淤積流速為1.2 m/s)；通過對比分析可以得出，模型試驗(yàn)量測流速與數(shù)值模擬計(jì)算流速比較吻合，數(shù)值模擬所得的流場分布情況符合水力學(xué)規(guī)律，且與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖7 沉沙工況數(shù)值模擬水面線圖Fig.7 Surface line of the numerical simulation in desilting condition

圖8 沉沙工況沉沙池進(jìn)口斷面流速分布Fig.8 Velocity distribution of setting basin import in desilting condition

圖9 沉沙池進(jìn)口20 m處斷面流速分布Fig.9 Velocity distribution of setting basin in 20 m in desilting condition

圖10 沉沙池進(jìn)口40 m處斷面流速分布Fig.10 Velocity distribution of setting basin in 40 m in desilting condition

3.2 沖沙工況結(jié)果分析

3.2.1 水流流態(tài)

本次沖沙試驗(yàn)?zāi)M用沙為粉煤灰，假定沉沙池內(nèi)泥沙淤積高度為1 m，即淤積高程為1 664.0 m時(shí)開始沖沙，圖11(a)，圖11(b)沖沙前后沉沙池內(nèi)泥沙淤積狀態(tài)。

試驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)，后置閘門開啟的同時(shí)閘門內(nèi)側(cè)處的沉積物受池內(nèi)水壓力作用被迅速沖出，池內(nèi)水位降至淤積高程，接著靠近沉沙池進(jìn)口處沉積的泥沙被水流沖動并帶走，在沉積沙層中間沖出一個輸沙槽，泥沙從上游到下游依次被沖走。由圖11(b)可以看出沖沙結(jié)束后，大部分泥沙被沖出沉沙池，該沖沙系統(tǒng)可滿足工程要求。

圖11 沖沙工況模型試驗(yàn)Fig.11 Model test in flushing condition

3.2.2 水流流速

沖沙工況下水流在沉沙池進(jìn)口擋水坎前流速較小，且由于本工況是由某電站方向單獨(dú)引水，水流在擋坎前總體呈左大右小分布；水流流過6個沖沙底孔，經(jīng)斜坡流速加大；水流在沖沙過程中沿程水流流速不斷減小，可以在池內(nèi)分水導(dǎo)墻長度的一半到結(jié)束處增設(shè)結(jié)構(gòu)貼角(結(jié)構(gòu)貼角沿水流方向由零到全貼角)改善沖沙時(shí)流速減慢的情況，以期達(dá)到更好的沖沙效果。模型試驗(yàn)測量流速與數(shù)值計(jì)算流速的具體流速見表3，對比表中流速數(shù)據(jù)，易得出數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

表3 沖沙工況流速模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.3 The velocity result of model test and numericalcalculation in flushing condition

在沖沙工況下由于沖沙底孔上、下游水位差較大，水流經(jīng)過沖沙孔后流速可達(dá)到3.80 m/s，可有效沖走沉沙，受邊界條件影響，水流流速呈中間大兩邊小分布(圖12)；由圖14～圖15可以看出：中間廊道水流流速大于兩邊廊道流速，沖沙廊道沿程水流流速均大于抗沖流速2.5 m/s，不會造成泥沙淤積，進(jìn)而驗(yàn)證優(yōu)化方案合理可行，能滿足工程要求。

圖12 沖沙工況沉沙池進(jìn)口處斷面流速分布Fig.12 Velocity distribution of sand basin in flushing condition

圖13 沖沙工況沉沙池進(jìn)口20 m處斷面流速分布Fig.13 Velocity distribution of setting basin in 20 m in flushing condition

圖14 沖沙工況沉沙池進(jìn)口40 m處斷面流速分布Fig.14 Velocity distribution of setting basin in 40 m in flushing condition

4 結(jié)論與建議

本文在某水電站沉沙池水力學(xué)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Fluent軟件對電站的定期沖沙系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，對沉沙池的流速、流場進(jìn)行了具體的研究，得出了以下結(jié)論。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，原設(shè)計(jì)方案連續(xù)沖沙方式不能有效地將沉沙池內(nèi)淤積的泥沙沖走，易造成沖沙廊道堵塞，從而使沖沙系統(tǒng)功能喪失；修改方案由連續(xù)沖沙方式改為定期沖沙為主，輔以連續(xù)沖沙兼放生態(tài)水流，運(yùn)行相對安全可靠，廊道內(nèi)各指標(biāo)均能夠滿足運(yùn)行期間的沉沙、沖沙要求。

取消沉沙池進(jìn)口的引渠弧形導(dǎo)墻并增加分流墩，以此調(diào)整沉沙池前流態(tài)；沉沙池前增加兩道擋水坎使進(jìn)池流速降低均化，有利于沉沙。

沉沙工況下入池水流流速較小，在沉沙池進(jìn)口后20 m左右流速基本穩(wěn)定，且流速都在1.0 m/s以下，底層流速小于0.4 m/s，有利于泥沙的沉降，建議在沉沙池首部跌坎上方設(shè)置攔污柵，以起到攔污和一定的整流作用。

在沖沙工況下水流經(jīng)過沖沙孔后流速可達(dá)到3.80 m/s，可有效沖走沉沙，中間廊道水流流速大于兩邊廊道流速，沖沙廊道沿程水流流速均大于2.5 m/s，不會造成泥沙淤積，進(jìn)而驗(yàn)證優(yōu)化方案合理可行，能滿足工程要求。

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