吳倩倩，劉 華，2，王宇亮，袁勁松，張 穎

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065；3.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)圣達(dá)水電有限公司，四川 樂(lè)山 614000；4.中國(guó)水利水電第七工程局，四川 成都610065）

1 工程概況

大渡河沙灣電站樞紐工程位于四川省樂(lè)山市沙灣區(qū)葫蘆鎮(zhèn)境內(nèi),電站采用一級(jí)混合開(kāi)發(fā)方式,為河床式加長(zhǎng)尾水渠開(kāi)發(fā)方案。壩頂高程435 m,最大壩高28 m,壩頂全長(zhǎng)247.70 m,壩軸線長(zhǎng)699.86 m,筑壩壅水15.5 m,廠后接長(zhǎng)約9 km的尾水渠（邊墻頂部高程按100 年一遇洪水設(shè)計(jì)）,尾水渠利用落差14.5 m。沙灣電站樞紐主體工程包括左岸非溢流面板壩、儲(chǔ)門(mén)槽壩段、10 孔寬14 m的泄洪（沖砂）閘、電站主副廠房、廠房后接長(zhǎng)約9 km的電站尾水渠、右岸接頭壩、庫(kù)區(qū)防洪堤等建筑物,工程等別為大型二等工程。

沙灣電站自2010 年正式發(fā)電以來(lái),年均發(fā)電量約20 億kW·h,為國(guó)家西部用電發(fā)揮了一定的保障作用。電站運(yùn)行到現(xiàn)在,河道邊界條件、水流流態(tài)等發(fā)生了較大變化：下游河床高程總體下降,左岸泄洪閘后防沖槽發(fā)生沉降,海漫基礎(chǔ)暴露、末端形成跌水,下游河道形成沖坑,見(jiàn)圖1。若不進(jìn)行除險(xiǎn)加固,會(huì)逐步加劇下游河床的淘刷,繼而危及海漫、消力池、甚至大壩的安全。2020 年4 月,電站采取臨時(shí)應(yīng)急防護(hù)措施,在河道下游樁號(hào)0+450.00 處修筑二道堰,汛后發(fā)現(xiàn)臨時(shí)堰體在右端（臨近尾水渠左堤）約有60 m被沖毀,形成一深凹河槽。為減輕電站下游河道沖刷以保護(hù)建筑物的安全,經(jīng)分析提出在下游修建鋼筋混凝土的防沖尾坎優(yōu)化方案［1-2］。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)圖

為分析工程實(shí)際問(wèn)題的原因并探究合適的工程措施,以沙灣電站泄洪渠首為研究對(duì)象,建立包括10 孔泄洪沖砂閘、消力池、下游1120 m河道及采取的工程防護(hù)措施的計(jì)算模型,對(duì)原泄洪渠、臨時(shí)方案和永久方案分別開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算：①原泄洪渠：原河道內(nèi)不采取任何工程措施。②臨時(shí)方案：在樁號(hào)約0+450.00處設(shè)二道堰,設(shè)計(jì)堰頂高程414.5 m,堰頂寬6 m。③永久方案：在原二道堰后100m處設(shè)置一道鋼筋混凝土防沖墻尾坎,斷面示意圖見(jiàn)圖2。中間底部高程408.0 m,左右兩側(cè)呈逐漸加高設(shè)置（坡度為1∶2）,第一級(jí)兩側(cè)加高至412 m,第二級(jí)兩側(cè)加高至414 m,之后兩岸沿合適坡度與岸坡418 m高程連接；回填上游河床至411.5 m；拆除應(yīng)急防護(hù)工程。

圖2 防沖尾坎剖面（高程：m，尺寸：cm）

本文選用RNG 雙方程紊流模型［3-4］,VOF方法對(duì)上述模型分別開(kāi)展模擬計(jì)算,計(jì)算工況為5000 m3/s流量 （10 孔全開(kāi)敞泄分界流量）和 7940 m3/s（P=10%）流量,從水力學(xué)角度分析原泄洪渠和臨時(shí)方案的水力特性及問(wèn)題的原因,進(jìn)一步探究永久方案的可行性［5-7］。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

本文采用RNG 兩方程紊流模型計(jì)算,能夠更好地處理消力池中形成水躍時(shí)伴有的漩渦和回流問(wèn)題。本文采用的RNGk-ε紊流模型的基本方程為［8］：

式中：ρ為體積分?jǐn)?shù)平均的密度；為分子粘性系數(shù)；p為修正壓力；t為紊流粘性系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),取C=0.09；σk、σε分別為k和ε的紊流普朗特?cái)?shù),取σk=1.0,σε=1.3；C1ε、C2ε為ε的方程常數(shù),取C1ε=1.44,C2ε=1.92；G為由平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng),

2.2 模型設(shè)計(jì)及網(wǎng)格劃分

模型計(jì)算范圍為壩前50 m到壩后1367 m,壩后范圍包括閘室、消能段、海漫段及下游河床,根據(jù)地形圖數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化模擬下游河道。原泄洪渠方案三維模型見(jiàn)圖3,臨時(shí)方案模型（壩0+450處修建二道堰）與永久方案模型（壩0+550處修建永久方案）模型細(xì)節(jié)見(jiàn)圖4［9］。

圖3 沙灣水電站原泄洪渠方案三維模型圖

圖4 臨時(shí)方案和永久方案的三維模型細(xì)節(jié)圖

2.3 邊界條件

模型試驗(yàn)的上游來(lái)流為恒定流。數(shù)值計(jì)算的進(jìn)口條件為速度進(jìn)口,限制水面高度以保持來(lái)流量；出口條件為自由出流；上下游空氣邊界均設(shè)為壓力進(jìn)口,壓力值為大氣壓強(qiáng)；壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移形式的固壁條件；自由水面采用VOF法進(jìn)行處理,判斷計(jì)算穩(wěn)定的條件為進(jìn)出口流量差值小于總流量的0.5%。

2.4 數(shù)值模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算的可靠性,對(duì)比原泄洪渠整體模型試驗(yàn)的典型斷面水位［10-12］和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表 1,兩者結(jié)果基本吻合,建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果是可靠的［13］。

表1 模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果水位對(duì)比 單位：m

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 剖面流態(tài)分析

選取泄洪渠四號(hào)閘孔中線的縱剖面進(jìn)行流態(tài)分析,流量為5000 m3/s三種方案計(jì)算模型的水體積分布見(jiàn)圖5。閘后下泄水流形成的水躍都比較穩(wěn)定；原泄洪渠閘室到消力池段水面波動(dòng)明顯；臨時(shí)方案閘室下游水流紊動(dòng)較大甚至出現(xiàn)了回灌的現(xiàn)象,二道堰前產(chǎn)生壅水現(xiàn)象,堰后形成跌水,下游河床水墊??；永久方案防沖尾坎壅水效果好,流態(tài)較為平穩(wěn),尾坎上下游沒(méi)有明顯的跌水現(xiàn)象。

圖5 =5000m3/s不同方案的水體積分布圖

3.2 平面流場(chǎng)分析

三種方案計(jì)算模型在流量5000 m3/s工況的平面流場(chǎng)（高程416 m）見(jiàn)圖6。

圖6 5000m3/s工況下原泄洪渠模型的平面流場(chǎng)圖

原泄洪渠海漫與下游銜接處流場(chǎng)紊亂,流速較高,主流靠近右岸尾水渠堤；臨時(shí)方案海漫與下游河床銜接處有所改善,流速略有減小,堰前水流多處形成橫向漩渦,主流靠近右岸以較高速度沖過(guò)堰頂。兩個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果顯示,主流靠右岸,出海漫的流速大,這與泄洪渠海漫末端基礎(chǔ)被淘刷、尾水渠左堤堤腳被沖刷以及臨時(shí)方案二道堰右側(cè)被沖毀的現(xiàn)象是吻合的。

永久方案的計(jì)算結(jié)果顯示,海漫與下游河床流態(tài)分布均勻,流速明顯減小。防沖尾坎的階梯斷面布置形式,使海漫與下游的河道主流不再靠右,可減小對(duì)尾水渠左堤和下游河道的沖刷,起到保護(hù)建筑物和下游河道安全的作用。

3.3 流速分析

三種方案計(jì)算模型典型橫斷面的流速對(duì)比見(jiàn)圖7,兩種流量工況典型斷面的流速分布規(guī)律基本一致。

流量5000 m3/s的流速計(jì)算值見(jiàn)表2。閘下出流在經(jīng)過(guò)三級(jí)消力坎后,流速得到降低,消力坎消能效果明顯；進(jìn)入海漫流速逐漸增大,原泄洪渠和臨時(shí)方案海漫末端流速高達(dá)11.42 m/s、9.87 m/s,永久方案海漫的流速略有增大,為6.46 m/s；原泄洪渠和臨時(shí)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 流量為5000m3/s工況不同方案下各典型斷面的最大流速 單位：m/s

原泄洪渠的海漫末端及下游河床的流速大,對(duì)河床沖刷嚴(yán)重；臨時(shí)方案海漫出口處的流速減小不多,對(duì)河床仍有較嚴(yán)重的沖刷,且主流偏向右岸,故發(fā)生二道堰右側(cè)被沖毀60 m的現(xiàn)象,威脅尾水渠左堤的安全。

永久方案有效降低海漫及下游河道的流速,減小對(duì)河床的沖刷；采用左右兩側(cè)逐步加高的階梯布置設(shè)計(jì),將主流引導(dǎo)至河床中部,以保證尾水渠左堤的安全。

圖7 流量分別為5000 m3/s、7490 m3/s時(shí)典型斷面流速對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬計(jì)算方法,對(duì)泄洪閘、消能建筑物及下游河道建立三維模型進(jìn)行水力計(jì)算,分析原泄洪渠和臨時(shí)方案出現(xiàn)問(wèn)題的原因,探究永久方案的可行性。

（1）原泄洪渠海漫與下游河床水流紊動(dòng)劇烈,流速偏大,主流靠右岸,故發(fā)生海漫及下游河道被沖刷、尾水渠左堤面臨危險(xiǎn)的工程問(wèn)題。

（2）臨時(shí)方案海漫出口流速略減小,海漫后一定范圍內(nèi)主流偏向右岸,二道堰后形成跌水,水流紊動(dòng)較大,下游水墊層小,流速加大,導(dǎo)致洪水期二道堰右側(cè)被沖毀60 m。

（3）永久方案壅水效果好,海漫及下游河道的流速顯著降低,主流分布均勻,防沖尾坎的階梯布置將主流引導(dǎo)至河床中部,坎上下游水流銜接平順,永久方案對(duì)保護(hù)右岸尾水渠堤及下游河床的安全是可行的。

本文分析了沙灣電站泄洪渠首永久方案的合理性,計(jì)算結(jié)果可為方案提供理論依據(jù),對(duì)方案的實(shí)施有一定的參考價(jià)值。