非對稱式閘站工程導流墩結構設計方案優化

溫國棟，溫洪海

(1.淮安市河海水利水電建筑安裝工程有限公司，江蘇 淮安 223001；2.江蘇淮源工程建設監理有限公司，江蘇 淮安 223001)

1 工程背景

某水閘主要由引水渠、前池、泵房以及排水閘等水工建筑物構成(泵站平面圖如圖1所示)。水閘采用3臺套前置豎井式貫流泵，北向南依次編號為1#、2#和3#機組，單臺機組設計流量為16.7m3/s，水閘泵站的設計流量為50m3/s，采用閘站并列設計方式，其中泵站布置在北側，排水閘布置在南側，為單孔凈寬6m的2孔排水閘。前池斜坡的坡長為12.4m，坡度為1∶4，清污機橋的橋墩位于前池斜坡段上，設計長度為6.5m。在水閘運行時，引水水流通過前池前的L型引水渠進入前池，前池中的水流通過斜坡段進入泵站的進水流道，在上游水位較高時，水流可以在水位差的作用下由前池自排進入排水閘。由于水閘為平面不對稱設計，在泵站和排水閘單獨運行時，來水水流與泵站或排水閘的中心線之間存在一定的夾角，從而造成水流流態比較復雜[1- 3]。因此，在泵站和排水閘之間設計高3.5m，厚1.2m的導流墩，以改善前池流態，保證水閘的安全穩定運行。

圖1 某泵站原方案設計平面圖

2 計算模型的構建

2.1 計算區域

研究中利用GAMBIT三維有限元軟件進行三維實體造型[4]，結合泵站樞紐的具體設計參數，確定如下計算區域：數值模擬計算區域為泵站的引水渠進口至水泵葉輪室，主要由引水渠、前池、進水流道和排水閘四部分組成，三臺機組的對應進水流道由北向南依次編號為1#、2#和3#進水流道，排水閘的計算范圍取到工作閘門部位。由于研究對象十分復雜，因此采用分塊剖分的方式進行實體模型的網格剖分，以便對關鍵區域進行加密處理，其中普通區域采用六面體網格剖分，前池部分進行加密并采取適應性更強的網格四面體剖分[5]。最終獲得1805640個計算網格單元，2024560個計算節點，如圖2所示。

圖2 分析模型示意圖

2.2 邊界條件

將模型的計算進口邊界設定為引水渠的進口斷面，并認為該部位的來水為均勻流，因此采取速度進口邊界條件；由于出口斷面的流速方向不定，計算中將進水流道的出口端面進行法向等直徑延長，并認為出口部位為可以充分發展的流動，因此設計為自由出流邊界；計算模型中四個部位的邊墻和底部設定為固壁條件，利用固壁對數函數進行處理[6- 8]；計算模型的上表面為自由水面。

2.3 求解方法

本次研究中采用標準湍流模型進行前池數值模擬計算[9]。為了達到預期精度，計算過程中采用二階迎風式求解，利用SIMPLEC算法進行模型的壓力和速度耦合計算，利用體積有限法實現積分形式方程組到代數方程組的轉化。計算中的收斂情況利用殘差監視圖實現，收斂精度設定為10-7。

2.4 網格無關性分析

在三維有限元模型計算過程中，網格劃分對模型的計算結果影響較大[10- 15]。顯然，增加網格數量有助于提升計算精度，但是計算量也會隨之增大，同時計算時間的延長也會增大運算誤差。因此，選擇合適的網格數量十分重要，為此，需要對計算模型進行網格無關性分析。對計算區域進行不同單元數剖分，形成5個不同方案，并分別進行前置流場的三維數值模擬，根據模擬結果繪制出如圖3所示的流速均勻分布度與不同單元剖分數的關系曲線。由圖3可知，流速均勻分布度隨網格數增加逐漸收斂，當網格數為180萬個左右時，基本收斂完成，表明本文網格剖分數是合理的。

圖3 流速均勻分布度與不同單元剖分數關系曲線

3 導流墩體型優化設計

3.1 導流墩長度優化設計

為了獲得導流墩的最優長度，研究中擬定四種不同方案，導流墩長度分別為10m、15m、20m和25m，各方案下導流墩的高度均為3.5m，厚度均為1.2m。

利用上節構建的三維數值計算模型，對上述不同方案條件下的流場進行模擬分析。結果顯示，在方案1條件下，水閘前池水流的面層和中間流速較大，底部和兩側流速較小。導流墩的右側水流形成回旋區，該處水流繞流導流墩后進入前池；導流墩的左側也發生變形并形成回旋區，由于導流墩的存在導致橫向流速分布不均，漩渦綜合影響函數值為6.85。在方案2條件下，由于導流墩長度增至15m，回旋區的范圍變化不大，但是回旋區向6#流道外移動，且漩渦綜合影響函數值為6.51，小于方案1。在方案3條件下，導流墩長度為25m，回旋區的范圍進一步向外則移動，但是范圍從方案1和方案2的6#流道擴展至4～5#流道，影響范圍明顯增大，這不僅造成4#、5#流道水流紊動，漩渦綜合影響函數值也增至56.74。在方案4條件下，回旋區范圍有進一步增大，但是增加幅度有限，漩渦綜合影響函數值也增大至58.97。

為了進一步對前池水流對進水流道流速的影響進行定量分析，研究中對六個進水流道進口斷面的軸向速度分布均勻度進行計算，結果見表1。由表1可知，由于回流區外移，方案2相比于方案1，6#流道進口斷面流速分布均勻度有所提高。對于方案3和方案4，6#流道進口斷面流速分布均勻度雖然也有所提高，但是4#和5#流道進口斷面流速分布均勻度下降明顯，與方案2相比流速均勻度表現更差。綜合上述分析，在方案2條件下，也就是導流墩的長度為15m時，前池流態最佳，漩渦綜合影響函數值最小，流速分布更均勻。

表1 方案1- 方案4進水流道斷面軸向速度分布均勻度 單位：%

3.2 導流墩開口參數設計研究

通過上節分析，將導流墩長度設計為15m可以顯著改善前池流態，但是導流墩附近的水流回旋區仍舊存在。因此，本節在設定導流墩長度為15m的基礎上，對導流墩進行開孔設計，并在池前加設短隔墩。通過對水流方向和流量分配的調節，達到改善前池流態的目標。其中，導流墩開孔結構如圖4所示。導流墩開孔的主要參數包括寬度B以及孔高H，由于兩者之間相互影響不大，因此采取單因素遞進分析法進行優選研究。

圖4 導流墩開口示意圖及幾何參數

結合相關研究結論和某水閘的工程實際，確定孔口寬B的不同取值，擬定方案5—方案8四種不同方案，其對應的孔口寬B分別為1.0m、2.0m、3.0m和4.0m，孔高H為3.6m不變。從水流流態上來看，上述四個方案導流墩開孔部位水流重新分布，回流區明顯減小，并且向5#流道前移動，當孔寬達到4.5m時回流區范圍基本保持不變。此外，漩渦綜合影響函數值也有所降低，四種方案下的漩渦綜合影響函數值分別為5.96、2.19、0.36和0.37，對上述四種方案下的各個流道進口斷面的流速均勻度進行計算，獲得如表2所示的結果。由表2可以看出，在孔寬小于3.0m時，隨著孔寬的增加，6#進水流道流速分布均勻度明顯提升，其余流道的流速分布均勻度也有所提升，但是變化幅度不大。當孔寬大于3.0m時，1#和5#流道有所下降，其余流道基本不變。綜上所述，在方案7條件下，也就是孔寬為3.0m時，對前池流態的改善作用最大。

表2 方案5- 方案8進水流道斷面軸向速度分布均勻度 單位：%

結合相關研究結論和該水閘的工程實際，在孔口寬B為3.0m不變的條件下，改變孔高H的值，擬定出方案9—方案13，其對應的孔高H的值分別為0.5m、0.9m、1.3m、1.7m和2.1m。從上述五個方案的流態來看，當孔高H小于1.7m時，導流墩附近的回流區進一步減小，而孔高H大于1.7m時，回流區范圍基本不變。從漩渦綜合影響函數值的變化來看，當孔高H小于1.7m時，漩渦綜合影響函數值迅速減小，且在孔高H為1.7m時達到最小值0.12。當孔高H大于1.7m時，漩渦綜合影響函數值又有所增大。對上述五種方案下的各個流道進口斷面的流速均勻度進行計算，獲得如表3所示的結果。從表3中的數據可以看出，在孔高小于1.7m時，隨著孔寬的增加，6#進水流道流速分布均勻度明顯提升，其余流道的流速分布均勻度也有所提升，但是變化幅度不大。當孔寬大于1.7m時，該流道流速分布均勻度有所下降，其余流道基本不變。綜上所述，在方案12條件下，也就是孔寬為1.7m時，對前池流態的改善作用最大。

表3 方案9- 方案13進水流道斷面軸向速度分布均勻度 單位：%

4 結論

利用數值模擬方法對非對稱式閘站導流墩體型優化問題展開對比分析并獲得如下結論：當導流墩長度為15m，開孔寬度為3.0m，開孔高度為1.7m時，前池流態最好，此時的渦旋綜合影響函數值最小，且6#流道流態顯著改善，雖然導流墩右側仍舊存在一定范圍的回流區，但是回流區范圍大幅減小，強度極弱，不會對工程運行造成不利影響，故建議在工程設計中采用。