溢洪道收缩段结构改进设计及数值分析

焦致锐,王涛,王大川,赵斌,谢美铃

(1.中水君信工程勘察设计有限公司,成都,610073;2.西华大学能源与动力工程学院,成都,610039)

0 引言

溢洪道是水利水电枢纽工程中的一项主要建筑物,对保护大坝安全起着重要作用[1]。一般包括进水段、控制段、收缩段、泄槽段、消能段和出水段。收缩段是进水渠与泄槽段的连接部分,其作用是减小泄槽宽度以节省泄槽土石方开挖量和衬砌工程量[2]。传统泄水建筑物的下泄水流一般为急流,易造成收缩段产生明显的急流冲击波,对收缩段及其下游的流态产生不利的影响[3-4]。尤其是部分开敞式溢洪道中入水口净宽较大,控制水流流速及流态尤为重要,由于受地形、地质、枢纽布置、施工、运行条件等方面的限制,要改变溢流堰和泄槽段的位置或轴线是比较困难的,只有选择合适的收缩段形态才能改善水流条件,增加溢洪道的泄洪效率[5-7]。

本文结合工程实际,改进设计溢洪道收缩段结构,并通过数值模拟对比分析溢洪道常用直线型收缩段和改进收缩段结构内水流流态,说明收缩段结构改进设计的可行性和实用性。

1 溢洪道结构改进设计

某Ⅲ等中型水库以农业灌溉、城乡供水为主,兼有防洪等综合效益,主要建筑物级别为3级,水库总库容1136万m3,水库正常蓄水位1305.00m,设计洪水位1306.28m,校核洪水位1306.82m。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、上坝公路组成。溢洪道位于大坝右侧,全长451.78m,从上游至下游依次为进水段、控制段、收缩段、泄槽、消能防冲段,采用底流消能的形式。左岸工程地质条件良好,但该地段地形陡峭,地形坡度达35°以上,而岩体风化强烈,强风化层厚度大,边坡开挖较高,开挖量较多,边坡处理难度及投资较大,且溢洪道开挖对大坝施工填筑互相干扰,不利于大坝施工控制。结合工程实际情况,改进设计溢洪道收缩段结构由宽浅式迅速变为窄浅式,改进结构示意如图1所示,旨在保证溢流流态稳定的基础上有效提高断面收缩效率,减小收缩段的开挖量,提高工程整体施工进度。

图1 溢洪道收缩段结构改进示意

改进溢洪道收缩段断面为矩形,入口宽浅段宽B=60m,出口窄浅段平缓段净宽b=8m,边墙高5m,底板厚2m,边墙厚1.5m,表面采用50cm厚C30硅粉混凝土浇筑。采用反曲线并迅速收缩为窄浅段,宽浅段内侧边墙转弯半径R1=20m,角度55°,窄浅段内侧边墙转弯半径为R2=40m,角度55°。改进收缩段尺寸标注见图2,该尺寸下的改进收缩段占地面积为1507.5788m2,相同出入口尺寸的常用直线型收缩段占地面积为1680.8523m2,其尺寸标注见图2。改进收缩段占地面积较常用直线型收缩段小173.2735m2,减小了收缩段的占地面积,节省土石方开挖量和衬砌工程量。

(a)直线型收缩段 (b)改进收缩段图2 平面尺寸标注示意

2 计算原理及模型

2.1 控制方程

采用Fluent软件中的RNGκ-ε模型和速度-压力耦合SIMPLE算法对溢洪道收缩段流态进行数值模拟计算,求解采用主要方程表达式如下:

2.2 网格划分及边界条件

为了对比分析溢洪道收缩段结构的改进设计效果,分别建立直线型收缩段和改进收缩段结构模型。使用ICEM CFD对所建模型进行网格划分,直线型收缩段模型网格单元数为4114,节点数为2056;改进收缩段模型网格单元数为3626,节点数为1811。划分后的两种收缩段结构网格模型如图3所示。

(a)直线型收缩段

(b)改进收缩段图3 网格模型

根据实际工程情况设置入口流速为7.87m/s,并将出口边界条件设置为自由出流,边墙边界条件均设置为无滑移速度边界[8]。

3 改进设计效果分析

3.1 水流流速分析

分别对直线型收缩段和改进收缩段结构内水流进行数值模拟计算,两种收缩段的流速分布如图4所示。

(a)直线型收缩段

由图4可知:(1)直线型收缩段中的水流流速在横向上呈现着明显的中间大两边小的趋势,沿轴向逐渐增大;改进收缩段中的水流流速在横向上分布较为均匀,沿轴向逐渐增大。(2)两种收缩段的最大流速均出现在出口处,其中,直线型收缩段的最大流速Vmax=58.60m/s,改进收缩段的Vmax=60.06m/s,改进收缩段的最大流速Vmax较直线型收缩段提高了2.5%,增强了溢洪道的泄洪效率。

3.2 水流湍动强度分析

两种收缩段结构内水流湍动强度分布如图5所示。

(a)直线型收缩段

(b)改进收缩段图5 湍动强度分布云图

由图5可知:(1)两种收缩段结构中的水流湍动强度分布相似,仅在靠近出口的边墙处发生较大湍动强度。(2)两种收缩段结构的水流平均湍动强度数值相近,其中,直线型收缩段水流平均湍动强度为0.140m2/s2,改进收缩段水流平均湍动强度为0.158m2/s2。

4 结语

利用Fluent中的RNGκ-ε模型对两种溢洪道收缩段结构内水流进行了二维数值模拟计算,经比较分析得到主要结论如下:

(1)溢洪道收缩段由宽浅式变为窄浅式的改进结构较直线型收缩段的面积小173.2735m2,减小了收缩段的占地面积,节省土石方开挖量和衬砌工程量。

(2)改进溢洪道收缩段结构中的水流流态在横向上分布更均匀,且提高了出口处的水流流速,提高了溢洪道的泄洪效率。

(3)两种收缩段结构中的水流湍动强度分布相似,水流平均湍动强度值相近。

(4)溢洪道收缩段由宽浅式变为窄浅式的改进结构具有占地面积小、泄洪效率高、适应性强等特点,相关成果可为溢洪道工程设计提供参考。