燕尾坎+水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究

李金键,龚汉忠,邹君韬,马旭东,杨庆*

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都,610065;2.四川大学水利水电学院,成都,610065;3.长江勘测规划设计研究有限责任公司重庆分公司,重庆,401121)

0 引言

位于窄深河谷中已建和在建的高水头、大流量水电工程(如乌东德、溪洛渡、白鹤滩等)泄洪消能和防冲问题突出,工程上常常在下游修建二道坝及混凝土衬砌的水垫塘对高拱坝下跌水流进行消能,以保证大坝及下游建筑物的安全稳定[1]。乌东德水电站泄洪消能建筑物具有规模大、布置难度高,挖除覆盖层后坝址消能区天然水垫深厚等特点,通过坝身布置挑跌流孔口,坝下设置“护岸不护底”的水垫塘进行消能,泄洪期间能够安全稳定运行[2]。拉西瓦水电站水垫塘具有容积较小,水深较浅的特点,经研究及工程实践表明,反拱水垫塘更适用于河谷狭窄、岸坡陡峻、坡脚地应力较高的地形地质条件,以及冲击动水压力大、入塘水舌难以形成充分扩散水力条件的高拱坝泄洪消能[3]。

目前,对于基岩抗冲流速小、天然水深浅的狭窄河道,通过设置水垫塘进行泄洪洞泄洪消能的研究较少。本文采用1∶1建模,使用Flow-3D数值模拟软件,对比不同体型下燕尾坎+水垫塘组合消能工的消能效果。

1 工程概况

某水利工程泄洪洞全长593.34m,采用WES实用堰,泄洪洞长418.86m,洞宽8.5m,采用挑流消能。校核洪水流量为1250.0m3/s,校核水位为831.77m,对应下游水位为757.30m,天然水深6.32m;设计洪水流量为873.0m3/s,设计水位为830.00m,对应下游水位为756.10m,天然水深5.12m;消能防冲洪水流量788.0m3/s,对应下游水位为755.80m,天然水深4.82m。

泄洪洞出口下游河谷狭窄呈“U”形,河床基岩主要为泥岩及泥质粉砂岩,基岩层抗冲流速为1.0m/s～1.5m/s。挑流消能布置方案见图1。

图1 泄洪洞布置

由模型试验得,泄洪洞出口采用挑流消能时,下游河床两岸冲坑深度大,两岸防护难度高,故采用人工开挖水垫塘来减少冲刷,以保障岸坡安全和节省工程投资。

2 数值模拟

2.1 模拟方法及可靠性验证

数值模拟方法基于VOF(流体体积法)单相流模型和RNGk-ε方法模拟模型的水流特性。使用隐式压力求解器,应用GMRES方法求解离散方程。控制方程包含:不可压缩流体湍流状态的连续性方程、动量方程、重整化紊动能耗散率方程及追踪流体自由表面的流体体积函数F的输运方程。

连续性方程:

动量方程:

RNGk-ε方程:

Cε1=1.42-η(1-η/η0)(1+βη3)

流体体积函数F的输运方程:

为保证数值计算的可靠性,本文在工程设计体型下,将消能工况流量下的水面线数据与实测数据进行对比,图2为泄洪洞泄槽段及消能段的沿程水深示意,数值模拟的沿程水深与实测值误差在10%之内,认为选取的紊流模型、网格密度合理,数值模拟结果可靠。

图2 沿程水深对比(Q=788m3/s)

2.2 计算体型及网格划分

数值模拟体型根据泄洪洞与水垫塘衔接体型的不同分为三种。体型一为自由跌流,体型二及体型三泄洪洞出口分别设置挑角为13°及-0.9°的对称燕尾坎,燕尾坎入口部位缺口的宽度为2.5m,出口宽6.5m,左右两侧留置的挑坎宽度为1.0m。具体体型见图3。

(a)体型一布置

(b)体型二布置

(c)体型三布置图3 体型布置

按原型1∶1建立三种体型的几何实体模型,模拟范围从实用堰进口断面至水垫塘出口20m。计算区域网格全部使用结构化正交网格划分,计算网格总数约为224万,上游为压力边界,在给定流量下,通过物理模型试验实测得到对应上游水深;下游为自由出流;壁面为无滑移壁面。模型分块及网格划分见图4。

图4 模型及网格划分

3 水力特性分析

3.1 水垫塘流态及水舌形态

大量实验表明水垫塘内的典型流态为斜向淹没冲击射流和淹没水跃的混合流态[4],消能工况下,体型一出流水舌斜向对冲水垫塘,水舌落点集中,入流水舌会迅速下潜至水垫塘底部,对水垫塘底板产生巨大的冲击压力,并在尾坎部位上涌,形成大的表面旋滚区,具有明显的淹没水跃特征。体型二相比于体型一,增设燕尾坎之后水舌纵向拉伸明显,水舌落点范围增大,泄洪洞与水垫塘之间的衔接流态显著改善,体型三减小燕尾坎出口挑角,调整水舌落点位置,使水垫塘中后段流态进一步改善,水流平顺。体型二相比于体型三,挑坎半径更小,流量集中于燕尾坎缺口处,由于边墙与中部临空面造成的压力差,使水舌近点相较体型一更近[5],同时流经燕尾坎两侧的流量较少,水舌落点平面呈现“Y”字形。体型三燕尾坎与燕尾坎缺口处过流分布均匀,水舌落点平面呈现“Y”字形。落点平面示意见图5。水舌落点及特征值示意见图6、图7。

图5 Q=788.0m3/s流态对比

图6 Q=788.0m3/s水舌平面落点对比

图7 水舌特性示意

水舌落点分布范围及形态特性见表1,可知当流量增大时,各个体型挑射距离均有增大。在泄洪洞出口增加燕尾坎后水舌沿纵向拉伸明显,水舌落水面积与水垫接触交界线周长都显著增大,体型二相较体型一落水面积增大71.06%,接触周长增加363.83%;体型三相较体型一落水面积增大49.98%,接触周长增加214.56%。

表1 水舌特性统计

3.2 紊动能耗散率分布特征

研究和计算表明,想要增大水垫塘的消能效率,必须设法增加强紊动剪切层区的范围,其中强紊动剪切层区位于主流区与各宏观漩涡区的交界区域,主流在该区通过强烈紊动剪切和扩散作用使其有效机械能(动能)不断地被消刹,因此该区域是射流有效机械能消刹的主区域[6],这部分能量中,由紊流脉动消耗的能量最多,因此考虑使用紊动能及紊动能耗散率沿程分布来衡量各体型间消能效果。图8给出1250m3/s流量下沿水流方向一定间隔处的紊动能分布,明显看到紊动能较大的位置颜色较浅,分布于水舌与水垫塘内消能水体剪切剧烈的区域,此区域内水体紊动、剪切剧烈,流速梯度大,消能效率高。随着水舌流速逐渐均匀,紊动能也逐渐减小。

(b)体型二

(c)体型三图8 Q为1250m3/s紊动能分布示意

水舌形态受挑坎影响较大。体型一中水舌的横剖面呈现“口”字形,体型二、三呈现“T”字形。

紊动能耗散率特征断面分布见图9,对比紊动能沿程分布,两者分布规律相似,均位于水舌与水垫塘内水体接触部分的外缘。说明此区域内紊动能耗散损失较大,是水垫塘中进行消能的主要区域,而此部分的消能效果与水舌的特征厚度(越薄流速梯度越大,消能效果越好)、水舌与消能水体的接触面积等呈现密切联系。取流量集中且水舌最厚的水平面宽度为水舌特征宽度,由表2、表3可知,体型二、三相比于体型一的特征水舌宽度都有明显减小,在流量1250.0m3/s及788.0m3/s下,体型二特征水舌宽度相比于体型一分别减小72.90%、54.84%;体型三特征水舌宽度相比于体型一分别减小22.43%、50.87%。

表2 流量1250m3/s时水垫塘不同紊动能耗散率下的消能体体积

表3 流量788.0m3/s时水垫塘不同紊动能耗散率下的消能体体积

图9 特征断面紊动能耗散率分布比较

表2、表3为水垫塘不同紊动能耗散率下的消能体体积统计数据,图10为不同工况下紊动能耗散率大于等于20J/kg·s时的消能体示意图。将上述消能体体积按紊动能耗散率作为权重,分段积分可得紊动能耗散率为20J/kg·s时的等效消能体体积,三种体型下,流量为1250m3/s时水垫塘等效消能体体积分别为5662.04m3、9749.66m3、8796.67m3。流量为788m3/s时水垫塘等效消能体体积分别为2346.60m3、6897.79m3、7034.71m3。可知当流量为1250m3/s时,体型二等效消能体体积最大,消能效果最好;当流量为788m3/s时,体型二、三各项指标接近,消能效果体型三略好于体型二。

图10 DTKE为20J/Kg·s时等值面示意

3.3 水垫塘冲击压强分布

冲击动压是水垫塘底板结构稳定的重要指标之一。常用公式(1)计算挑射水舌对水垫塘底板的冲击动压[7]。

(1)

式中,Pmax为水垫塘射流区域的最大时均压强;H为水垫水深,取18m;γ为水的容重。

图11给出了流量为1250.0m3/s及788.0m3/s下底板冲击动压水头分布。工况一水垫塘底板最大压强为15.11m水柱,位于桩号Y0+519.78m中轴线处;工况二水垫塘底板最大压强为11.95m水柱,位于桩号Y0+531.02m中轴线处;工况三水垫塘底板最大压强为10.75m水柱,位于桩号Y0+531.02m中轴线处;工况四水垫塘底板最大压强为6.31m水柱,位于桩号Y0+530.85m中轴线处;工况五水垫塘底板最大压强为10.78m水柱,位于桩号Y0+530.80m中轴线处;工况六水垫塘底板最大压强为8.64m水柱,位于桩号Y0+530.73m中轴线处。冲击动压水头峰值统计见表4。

表4 水垫塘底板冲击压强统计

图11 底板冲击压强水头分布

比较三种体型可知体型一的底板压强在冲击区处明显高于增加燕尾坎的其他两种体型,是由于挑射水舌集中,底板受到的冲击相对较大。

流量为1250m3/s时,体型二、三的冲击压强水头峰值比体型一分别减少28.86%、28.66%;流量为788m3/s时,体型二、三的冲击动压峰值比体型一分别减少47.20%、27.70%,主要是由于设置燕尾坎后,水舌沿纵向拉伸充分,水舌与水垫塘内水体接触面积更大,参与消能的水体体积更大,使主流流速迅速降低,从而减小了底板的冲击动压。

流量为1250m3/s时,体型二流量集中于水舌落点的首部及尾部,故冲击压强水头出现形似马鞍的形态。

4 结论

基于数值模型试验得出以下结论:

(1)通过设置燕尾坎,能够使出挑水流获得更好的纵向拉伸。从而增加水舌与消能水体间的接触面积,使得水垫塘内水体紊动更剧烈,消能更充分,从而减小底板冲击压强水头。

(2)通过比较溢洪出流水舌形态可知,水舌的特征水舌厚度越小,水舌与水垫塘接触部分面积越大时,消能效果越好。

(3)经过流态、消能效果、冲击动压等多种因素综合考虑,体型三较优,可为相似工程提供参考。