劉長(zhǎng)勇

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

豎井消能按照水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為旋流消能和跌流式消能[1]。跌流式豎井消能目前應(yīng)用的工程實(shí)例較少，相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)和研究也不多，水流跌落對(duì)底板的沖擊問題較難解決。旋流式消能工種類很多，按水流進(jìn)入旋流發(fā)生裝置的方式分，有單旋和雙旋消能(包括同向和反向)，后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]。在工程上較實(shí)用的是單向旋流消能，即設(shè)計(jì)成水流繞豎井軸旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的“旋流豎井”和水流經(jīng)豎井降落后繞水平洞軸線旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的“豎井-水平旋流”兩種泄洪洞[3]。

水平旋流式內(nèi)消能工，其引水道軸線和泄水道軸線不在同一平面內(nèi)，水流在慣性作用下，經(jīng)過(guò)起旋器改變流向，沿泄水道軸線向下游水平運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又沿環(huán)向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)繞水平洞軸線的強(qiáng)烈紊動(dòng)來(lái)消耗一部分水流能量[4]。

國(guó)外對(duì)豎井式消能泄洪洞的研究起步較早，20世紀(jì)50年代，低水頭、小泄量的豎井跌流式消能溢洪道在美國(guó)和西歐國(guó)家就被廣泛應(yīng)用，其中引水道進(jìn)口大多數(shù)為喇叭形進(jìn)口[5-7]。20世紀(jì)60年代，意大利的C.Drioli和法國(guó)的D.Jeanpierre等對(duì)旋流式豎井泄洪洞進(jìn)行了一些早期的研究，并應(yīng)用在部分泄量不大的小型水利工程的緩流引水道中，如意大利的蒙特阿金托(MonteArgento)、娜尼(Narni)、柯邦斯(Curbans)等水利工程。

1 工程概況

某水電站位于一級(jí)支流上，水電站工程以發(fā)電為主，樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、右岸泄洪兼導(dǎo)流洞、左岸溢洪洞、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)及電站廠房組成。水電站裝機(jī)容量3×18 000 kW，總庫(kù)容4.21×108m3，壩頂高程3998.50 m，最大壩高120.80 m，水庫(kù)正常蓄水位3995.60 m，校核洪水位3997.30 m。樞紐工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型工程，主要建筑物為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)建筑物為4級(jí)，因混凝土面板堆石壩壩高超過(guò)90 m，提高一級(jí)為1級(jí)建筑物。水電站泄洪兼導(dǎo)流洞布置于右岸，原設(shè)計(jì)泄洪洞以“龍?zhí)ь^”形式與導(dǎo)流洞銜接。導(dǎo)流洞室為城門型無(wú)壓洞，洞徑5.5 m×7.0 m(寬×高)，進(jìn)口底板高程為3902.00 m，洞出口底板高程為3894.60 m，洞身總長(zhǎng)為592.00 m，設(shè)計(jì)最大下泄流量為227.10 m3/s。

2 材料與方法

2.1 豎井泄洪洞初步設(shè)計(jì)體形概況

水電站豎井消能泄洪洞中泄洪洞進(jìn)水口、豎井引水道、豎井和退水洞體形尺寸如圖1所示。泄洪洞與導(dǎo)流洞結(jié)合段長(zhǎng)度為50 m。計(jì)算模型上、下游水體體形簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，為避免邊界條件影響計(jì)算結(jié)果，水體模型邊界盡量遠(yuǎn)離泄洪洞進(jìn)出口。

圖1 豎井消能泄洪洞計(jì)算模型圖(單位:m)

2.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算單元網(wǎng)格整體計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，泄洪洞進(jìn)水口、豎井引水道、旋流豎井、退水洞和導(dǎo)流洞按0.5 m尺寸剖分單元，上、下游水體適當(dāng)變疏，按1.0 m剖分，共有節(jié)點(diǎn)150 693個(gè)，單元134 845個(gè)。

2.3 邊界條件及算法設(shè)置

上游進(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口邊界，給定水位高程為3992.00 m；下游出口設(shè)為壓力出口邊界，給定水位高程為3900.62 m；起旋室頂設(shè)為空氣壓力進(jìn)口邊界，模型其他外邊界均為壁面邊界，黏性底層采用壁面函數(shù)法處理。采用有限體積法，迭代方式為隱格式迭代求解，壓力速度耦合采用適用于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流的PISO算法，離散格式采用QUICK格式，使用VOF法捕捉自由水面，利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，實(shí)現(xiàn)豎井泄洪洞的三維數(shù)值模擬。

3 初步設(shè)計(jì)體型計(jì)算及分析

3.1 初設(shè)體型的計(jì)算結(jié)果

依據(jù)該水電站豎井消能泄洪洞初步設(shè)計(jì)體形模型，設(shè)置計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.05 s，當(dāng)計(jì)算至1000步時(shí)，模型進(jìn)水口流入流量為225.9 m3/s，出水口流出流量為227.1 m3/s，進(jìn)、出水口流量相差1.2 m3/s，且流量基本恒定，說(shuō)明模型已計(jì)算收斂。三維數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)水口流量與公式計(jì)算流量231.0 m3/s相差5.1 m3/s，差別不大，不到2.3%，滿足不小于200 m3/s流量要求，計(jì)算精度也滿足要求。流態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖2所示，云圖中最小值“0”表示為水，最大值“1”表示為空氣，最小值“0”和最大值“1”之間的區(qū)域?yàn)樗涂諝獾幕旌象w，云圖對(duì)應(yīng)的數(shù)值表示空氣在混合體所占的比例，即含氣量。

圖2 初步設(shè)計(jì)體形豎井消能泄洪洞流態(tài)計(jì)算結(jié)果云圖

由計(jì)算結(jié)果可以看出，水流在進(jìn)入豎井前，基本為水氣分離狀態(tài)；水流進(jìn)入豎井后，在豎井邊壁附近形成水氣混合體，從上游到下游混合體含氣量逐漸變小。

流速計(jì)算結(jié)果如圖3所示，由計(jì)算結(jié)果可以看出，水流在進(jìn)入豎井前，流速在20～24 m/s之間，水流在導(dǎo)流洞內(nèi)的流速?gòu)纳嫌蔚较掠沃饾u減小，在距豎井出口約20 m處平均流速降為25 m/s，在導(dǎo)流洞末端流速約15 m/s。

圖3 初步設(shè)計(jì)體形豎井消能泄洪洞流速計(jì)算結(jié)果矢量圖

壓力計(jì)算結(jié)果如圖4所示，由計(jì)算結(jié)果可以看出，水流在泄洪洞工作閘門以前、豎井進(jìn)水口部位以及豎井消力池底部壓力較大，其他部位壓力均較小。豎井進(jìn)水口部位最大壓力約220 kPa，豎井消力池底部壓力最大值約280 kPa，在豎井和出水口交接處的頂部有最大值約-61.2 kPa的負(fù)壓。

圖4 初步設(shè)計(jì)體形豎井消能泄洪洞壓力計(jì)算結(jié)果云圖

流線計(jì)算結(jié)果如圖5所示，由計(jì)算結(jié)果可以看出，由進(jìn)水口進(jìn)入豎井的水體，其上表部在豎井內(nèi)旋轉(zhuǎn)約兩圈，底部在豎井內(nèi)旋轉(zhuǎn)約一圈。

圖5 初步設(shè)計(jì)體形豎井消能泄洪洞流線計(jì)算結(jié)果

3.2 最優(yōu)下挖消力池深度的確定

在豎井消能泄洪洞結(jié)構(gòu)中，消能豎井的下挖消力池深度對(duì)豎井出水口的流態(tài)和流速有很大影響。若下挖消力池深度過(guò)小、水墊較淺，會(huì)使水流未完全摻合便進(jìn)入出水口，消能率較低；若下挖消力池深度過(guò)大、水墊較深，會(huì)使消力池內(nèi)的水流不能產(chǎn)生較高的旋轉(zhuǎn)流速，消力池內(nèi)只有豎直向流速水流相摻合，消能率也較低。只有當(dāng)下挖消力池深度適中其消能率最高，此時(shí)的深度為最優(yōu)消力池深度。但最優(yōu)下挖消力池深度的設(shè)計(jì)，沒有可參考的資料和經(jīng)驗(yàn)，只能通過(guò)大量的試算來(lái)確定。

經(jīng)過(guò)對(duì)該水電站豎井消能泄洪洞不同豎井下挖消力池深度的模型計(jì)算分析，可以得出不同消力池深度計(jì)算的進(jìn)水口流量均為225.9 m3/s，說(shuō)明消力池深度對(duì)泄量影響，均能滿足泄量要求。消力池深度對(duì)下游導(dǎo)流洞的流態(tài)影響較大，當(dāng)消力池深度在3.0～3.5 m時(shí)，導(dǎo)流洞內(nèi)上部為空氣、下部為摻氣量較小的水氣混合體，流態(tài)較好；當(dāng)消力池深度3.0 m或3.5 m時(shí)，導(dǎo)流洞全斷面均為摻氣量較大的水氣混合體，流態(tài)較差。豎井消能率為原龍?zhí)ь^計(jì)算流速減去數(shù)值模擬計(jì)算流速，之差除以數(shù)值模擬計(jì)算流速。

不同消力池深度計(jì)算的豎井出水口流速和豎井消能率見表1，豎井出水口流速和消能率隨消力池深度的變化規(guī)律分別如圖6和圖7所示。由計(jì)算>結(jié)果可以看出，下挖消力池深度對(duì)豎井出水口流速和豎井消能率影響較大，當(dāng)消力池深度為3.0 m時(shí)，出水口流速最小、消能率最大，但流速分布不均勻；當(dāng)消力池深度為3.5 m時(shí)，出水口流速較小、消能率較高，且流速分布比較均勻。

表1 不同消力池深度計(jì)算的豎井出水口流速和豎井消能率

圖6 出水口流速隨消力池深度變化圖

圖7 豎井消能率隨消力池深度變化圖

4 結(jié) 論

(1)初步設(shè)計(jì)體形流量計(jì)算結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果相差很小，滿足原設(shè)計(jì)泄量要求，選定工作閘門孔口尺寸合適。

(2)水流經(jīng)豎井旋流消能后，在豎井出水口部位摻氣量比較大，能夠達(dá)到防空蝕的目的，但高摻氣量使下游導(dǎo)流洞內(nèi)為全斷面有壓流，且水流比較混亂。

(3)在豎井出水口部位水流最大流速約28.6 m/s，出口流速仍較大；與“龍?zhí)ь^”式泄洪洞最大流速33.8 m/s相比，消能率約為30%，消能率較低。

(4)水體在豎井內(nèi)產(chǎn)生的壓力值均較小，水壓力不是決定體形選擇的決定性因素。

(5)初步設(shè)計(jì)體形能夠使豎井進(jìn)水口水流起旋，并在豎井內(nèi)旋轉(zhuǎn)比較充分。

綜上所述，豎井消能泄洪洞初步設(shè)計(jì)體形滿足泄量要求，水體在豎井內(nèi)旋轉(zhuǎn)較充分，能達(dá)到摻氣防空蝕的目的，且豎井內(nèi)水壓較小，但也存在豎井出水口流速較大、消能率較低、流態(tài)較差和負(fù)壓較大的問題，應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)體形做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便更好地判斷豎井消能泄洪洞在本工程的適用性。