非对称式闸站工程导流墩结构设计方案优化

温国栋，温洪海

(1.淮安市河海水利水电建筑安装工程有限公司，江苏 淮安 223001；2.江苏淮源工程建设监理有限公司，江苏 淮安 223001)

1 工程背景

某水闸主要由引水渠、前池、泵房以及排水闸等水工建筑物构成(泵站平面图如图1所示)。水闸采用3台套前置竖井式贯流泵，北向南依次编号为1#、2#和3#机组，单台机组设计流量为16.7m3/s，水闸泵站的设计流量为50m3/s，采用闸站并列设计方式，其中泵站布置在北侧，排水闸布置在南侧，为单孔净宽6m的2孔排水闸。前池斜坡的坡长为12.4m，坡度为1∶4，清污机桥的桥墩位于前池斜坡段上，设计长度为6.5m。在水闸运行时，引水水流通过前池前的L型引水渠进入前池，前池中的水流通过斜坡段进入泵站的进水流道，在上游水位较高时，水流可以在水位差的作用下由前池自排进入排水闸。由于水闸为平面不对称设计，在泵站和排水闸单独运行时，来水水流与泵站或排水闸的中心线之间存在一定的夹角，从而造成水流流态比较复杂[1- 3]。因此，在泵站和排水闸之间设计高3.5m，厚1.2m的导流墩，以改善前池流态，保证水闸的安全稳定运行。

图1 某泵站原方案设计平面图

2 计算模型的构建

2.1 计算区域

研究中利用GAMBIT三维有限元软件进行三维实体造型[4]，结合泵站枢纽的具体设计参数，确定如下计算区域：数值模拟计算区域为泵站的引水渠进口至水泵叶轮室，主要由引水渠、前池、进水流道和排水闸四部分组成，三台机组的对应进水流道由北向南依次编号为1#、2#和3#进水流道，排水闸的计算范围取到工作闸门部位。由于研究对象十分复杂，因此采用分块剖分的方式进行实体模型的网格剖分，以便对关键区域进行加密处理，其中普通区域采用六面体网格剖分，前池部分进行加密并采取适应性更强的网格四面体剖分[5]。最终获得1805640个计算网格单元，2024560个计算节点，如图2所示。

图2 分析模型示意图

2.2 边界条件

将模型的计算进口边界设定为引水渠的进口断面，并认为该部位的来水为均匀流，因此采取速度进口边界条件；由于出口断面的流速方向不定，计算中将进水流道的出口端面进行法向等直径延长，并认为出口部位为可以充分发展的流动，因此设计为自由出流边界；计算模型中四个部位的边墙和底部设定为固壁条件，利用固壁对数函数进行处理[6- 8]；计算模型的上表面为自由水面。

2.3 求解方法

本次研究中采用标准湍流模型进行前池数值模拟计算[9]。为了达到预期精度，计算过程中采用二阶迎风式求解，利用SIMPLEC算法进行模型的压力和速度耦合计算，利用体积有限法实现积分形式方程组到代数方程组的转化。计算中的收敛情况利用残差监视图实现，收敛精度设定为10-7。

2.4 网格无关性分析

在三维有限元模型计算过程中，网格划分对模型的计算结果影响较大[10- 15]。显然，增加网格数量有助于提升计算精度，但是计算量也会随之增大，同时计算时间的延长也会增大运算误差。因此，选择合适的网格数量十分重要，为此，需要对计算模型进行网格无关性分析。对计算区域进行不同单元数剖分，形成5个不同方案，并分别进行前置流场的三维数值模拟，根据模拟结果绘制出如图3所示的流速均匀分布度与不同单元剖分数的关系曲线。由图3可知，流速均匀分布度随网格数增加逐渐收敛，当网格数为180万个左右时，基本收敛完成，表明本文网格剖分数是合理的。

图3 流速均匀分布度与不同单元剖分数关系曲线

3 导流墩体型优化设计

3.1 导流墩长度优化设计

为了获得导流墩的最优长度，研究中拟定四种不同方案，导流墩长度分别为10m、15m、20m和25m，各方案下导流墩的高度均为3.5m，厚度均为1.2m。

利用上节构建的三维数值计算模型，对上述不同方案条件下的流场进行模拟分析。结果显示，在方案1条件下，水闸前池水流的面层和中间流速较大，底部和两侧流速较小。导流墩的右侧水流形成回旋区，该处水流绕流导流墩后进入前池；导流墩的左侧也发生变形并形成回旋区，由于导流墩的存在导致横向流速分布不均，漩涡综合影响函数值为6.85。在方案2条件下，由于导流墩长度增至15m，回旋区的范围变化不大，但是回旋区向6#流道外移动，且漩涡综合影响函数值为6.51，小于方案1。在方案3条件下，导流墩长度为25m，回旋区的范围进一步向外则移动，但是范围从方案1和方案2的6#流道扩展至4～5#流道，影响范围明显增大，这不仅造成4#、5#流道水流紊动，漩涡综合影响函数值也增至56.74。在方案4条件下，回旋区范围有进一步增大，但是增加幅度有限，漩涡综合影响函数值也增大至58.97。

为了进一步对前池水流对进水流道流速的影响进行定量分析，研究中对六个进水流道进口断面的轴向速度分布均匀度进行计算，结果见表1。由表1可知，由于回流区外移，方案2相比于方案1，6#流道进口断面流速分布均匀度有所提高。对于方案3和方案4，6#流道进口断面流速分布均匀度虽然也有所提高，但是4#和5#流道进口断面流速分布均匀度下降明显，与方案2相比流速均匀度表现更差。综合上述分析，在方案2条件下，也就是导流墩的长度为15m时，前池流态最佳，漩涡综合影响函数值最小，流速分布更均匀。

表1 方案1- 方案4进水流道断面轴向速度分布均匀度 单位：%

3.2 导流墩开口参数设计研究

通过上节分析，将导流墩长度设计为15m可以显著改善前池流态，但是导流墩附近的水流回旋区仍旧存在。因此，本节在设定导流墩长度为15m的基础上，对导流墩进行开孔设计，并在池前加设短隔墩。通过对水流方向和流量分配的调节，达到改善前池流态的目标。其中，导流墩开孔结构如图4所示。导流墩开孔的主要参数包括宽度B以及孔高H，由于两者之间相互影响不大，因此采取单因素递进分析法进行优选研究。

图4 导流墩开口示意图及几何参数

结合相关研究结论和某水闸的工程实际，确定孔口宽B的不同取值，拟定方案5—方案8四种不同方案，其对应的孔口宽B分别为1.0m、2.0m、3.0m和4.0m，孔高H为3.6m不变。从水流流态上来看，上述四个方案导流墩开孔部位水流重新分布，回流区明显减小，并且向5#流道前移动，当孔宽达到4.5m时回流区范围基本保持不变。此外，漩涡综合影响函数值也有所降低，四种方案下的漩涡综合影响函数值分别为5.96、2.19、0.36和0.37，对上述四种方案下的各个流道进口断面的流速均匀度进行计算，获得如表2所示的结果。由表2可以看出，在孔宽小于3.0m时，随着孔宽的增加，6#进水流道流速分布均匀度明显提升，其余流道的流速分布均匀度也有所提升，但是变化幅度不大。当孔宽大于3.0m时，1#和5#流道有所下降，其余流道基本不变。综上所述，在方案7条件下，也就是孔宽为3.0m时，对前池流态的改善作用最大。

表2 方案5- 方案8进水流道断面轴向速度分布均匀度 单位：%

结合相关研究结论和该水闸的工程实际，在孔口宽B为3.0m不变的条件下，改变孔高H的值，拟定出方案9—方案13，其对应的孔高H的值分别为0.5m、0.9m、1.3m、1.7m和2.1m。从上述五个方案的流态来看，当孔高H小于1.7m时，导流墩附近的回流区进一步减小，而孔高H大于1.7m时，回流区范围基本不变。从漩涡综合影响函数值的变化来看，当孔高H小于1.7m时，漩涡综合影响函数值迅速减小，且在孔高H为1.7m时达到最小值0.12。当孔高H大于1.7m时，漩涡综合影响函数值又有所增大。对上述五种方案下的各个流道进口断面的流速均匀度进行计算，获得如表3所示的结果。从表3中的数据可以看出，在孔高小于1.7m时，随着孔宽的增加，6#进水流道流速分布均匀度明显提升，其余流道的流速分布均匀度也有所提升，但是变化幅度不大。当孔宽大于1.7m时，该流道流速分布均匀度有所下降，其余流道基本不变。综上所述，在方案12条件下，也就是孔宽为1.7m时，对前池流态的改善作用最大。

表3 方案9- 方案13进水流道断面轴向速度分布均匀度 单位：%

4 结论

利用数值模拟方法对非对称式闸站导流墩体型优化问题展开对比分析并获得如下结论：当导流墩长度为15m，开孔宽度为3.0m，开孔高度为1.7m时，前池流态最好，此时的涡旋综合影响函数值最小，且6#流道流态显著改善，虽然导流墩右侧仍旧存在一定范围的回流区，但是回流区范围大幅减小，强度极弱，不会对工程运行造成不利影响，故建议在工程设计中采用。