石橋水電站溢洪道進口體型優(yōu)化設計研究

朱少楠

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽110000）

1 研究背景

石橋水電站是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、養(yǎng)殖、旅游等功能的綜合性小型徑流式水電站，壩址位于遼寧丹東鳳城市的愛河下游干流上，屬于愛河水力資源梯級開發(fā)的重要規(guī)劃工程[1]。根據(jù)相關工程規(guī)劃，石橋水電站的設計庫容3 664 萬m3，裝機容量9 600 kW[2]，電站大壩為混凝土重力壩設計，最大壩高為34.35 m，壩頂寬7.00 m，坡比為1∶0.7。

電站采用的表孔溢洪道設計，總長度為113.62 m，主要由引渠段、控制段、圓弧段、斜坡段、反弧段和挑坎段組成，其中，引渠段長度為31.49 m，底板高程為321.50 m，控制段長度為30.00 m，頂高程為342.20 m，圓弧段采用的是WES 堰型設計，堰寬12.00 m，堰頂高程為325.00 m，泄槽段和反弧段的側墻高為12.00 m，反弧段半徑為38.726 m，挑坎段的挑流鼻坎寬度為12.00 m，反弧段的半徑為25.50 m，挑角32.20°。由于溢洪道進口的部分部位存在風化巖層，地質(zhì)條件不夠理想，在進口設計過程中，采取兩端不對稱的形態(tài)，以避開風化不穩(wěn)定的部位。其中，進口的左側為高導流墻設計，長25.00 m、高3.00 m；右側為依附山體，長35.00 m，高10.00 m，坡度為1∶0.5 的傾斜邊墻設計。

2 進口導流墻優(yōu)化設計方案

由于水電站泄洪過程中，行進中的水頭由低到高以一定的進水角進入溢洪道進口，可能會產(chǎn)生比較大的環(huán)流量，產(chǎn)生吸氣漩渦的可能性比較大[3]。由于來水水流的分布并不均勻，同時受到不規(guī)則進口邊界的影響，導流墻并不能充分發(fā)揮應有的導流作用，因此水流容易發(fā)生大角度的擾流作用，進而造成控制段兩岸的水體分布極不均勻，對溢洪道的整體流態(tài)分布造成直接影響[4]。基于上述分析，結合電站溢洪道進口的實際情況，提出如下優(yōu)化設計方案：利用與溢洪道縱軸平行的2道平直導流墻代替原方案中的喇叭口翼墻，直墻的高度設定為13.60 m，長度為20.00 m，在進口的外側2.00 m 的部位設置2 道平行的直墻，頂部為直徑1.80 m 的半圓柱設計，以減小水流在此處的爬高，起到改善收縮效應的作用。為了驗證優(yōu)化方案的合理性和有效性，研究中通過數(shù)值模擬的方式對原設計方案和優(yōu)化設計方案條件下的水力特征進行模擬計算。

3 優(yōu)化方案的數(shù)值模擬分析

3.1 三維計算模型的構建

結合ANSYS 軟件的優(yōu)勢和研究對象的特征，此次模擬分析選用ANSYS 軟件進行計算模型的構建。針對研究的實際需求，利用非結構網(wǎng)格對模擬計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分[5]，對引渠段和溢洪道沿程的底板以及導流墻部位進行加密處理，最終獲得網(wǎng)格數(shù)量為76萬左右，模型尺寸在2 ～100 cm之間，原方案和優(yōu)化方案進口部位的網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 進口網(wǎng)格劃分示意圖

計算過程中，導流墻、引渠段以及溢洪道底板設定為無滑移固壁邊界條件，利用標準壁面函數(shù)處理邊界層的流動；上游進口設計為壓力進口條件，以校核水位條件下的平均流速作為進口部位的初始條件；下游挑流出口設置為壓力出口條件，無需控制出口水位條件[6]。

研究中利用RNGk-ε模型對溢洪道進口湍流進行模擬，利用有限體積法對控制方程進行離散[7]。研究中，利用非穩(wěn)態(tài)計算方法進行研究區(qū)域內(nèi)的動態(tài)模型計算，時間步長設定為0.001 s，以保證計算結果收斂；在流動基本趨于穩(wěn)定之后，逐步將計算步長調(diào)整為0.050 s，以提高計算的效率。在迭代計算至模型進出口的流量誤差小于5%時，認為計算達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 模擬計算結果與分析

3.2.1 進口流態(tài)

利用構建的數(shù)值計算模型對2 種方案溢洪道進口的流態(tài)進行模擬計算。由計算結果可知，在原設計方案條件下，溢洪道引渠段兩側的來流存在十分明顯的不均勻現(xiàn)象，由于兩岸的導流墻設計形態(tài)不同，右側導流墻為靠近山體的傾斜平板結構，因此入口區(qū)域的流速分布明顯不均勻，同時受進口地形以及橫向水流等因素的綜合影響，水流難以平順進入閘室內(nèi)。此外，在原設計方案條件下，存在面積比較大的旋滾水流雍高區(qū)域，水流明顯向左邊墻部位集中，造成水流脫離固體邊界產(chǎn)生水流分離區(qū)，產(chǎn)生了寬度大約為13 m 的漩渦。由此可見，原設計方案的水流流態(tài)極不穩(wěn)定，極易引發(fā)建筑結構的振動，進而威脅到水工建筑物的安全。

優(yōu)化方案條件下，原方案下庫區(qū)水流的紊亂流態(tài)有一定的改善，水流的滾漩和漩渦基本消失。同時，進口的導流墻發(fā)揮一定的阻水作用，水流在靠近左岸邊墻時產(chǎn)生了一定的回流現(xiàn)象，但是對整體流態(tài)的影響相對較小。總體而言，下瀉水流的流線分布比較均勻，進口流態(tài)得到顯著改善，優(yōu)化效果十分明顯。

3.2.2 沿程水位

利用構建的模型對原方案和優(yōu)化設計方案的沿程水位進行計算，根據(jù)計算結果繪制出如圖2所示的沿程水位線圖。

由圖2（a）可知，在原設計方案條件下，水流流態(tài)不佳，水位沿程呈現(xiàn)出比較明顯的波動起伏特征，在控制段至圓弧段，溢洪道左岸水位呈現(xiàn)出明顯的雍高，兩岸水位差最大值為2.01 m，水面橫比降達到0.18。溢洪道斜坡段以下部位逐漸轉換為左邊低右邊高的態(tài)勢，但是水面線分布不均的情況仍存在。原方案條件下的水位沿程分布特征不理想。

由圖2（b）可知，在優(yōu)化方案條件下，由于改進后的導流墻對引渠段的水流紊動作用產(chǎn)生了明顯的限制作用，對下瀉水流的疏導更為有利，沿程水位分布的均勻度明顯提高，特別是控制段至圓弧段，溢洪道左右兩岸的沿程水位分布較均勻，圓弧段的水位超高最大值為0.76 m，挑流消能段的水體波動雖然有所加大，但是幅度明顯偏小，符合水位設計要求。

3.2.3 堰面壓強

利用構建的模型對堰面壓強水頭進行計算，各主要測點的壓強水頭如表1 所示。由計算結果可知，底板的圓弧段壓強較小，在泄槽和挑坎段明顯增大。其中，圓弧段存在比較明顯的負壓，可能會誘發(fā)水流空化，不利于底板結構的穩(wěn)定。在優(yōu)化方案條件下，沿程壓強的峰值分別出現(xiàn)在WES堰面部位和下游的挑流消能部位，圓弧段部分區(qū)域仍存在負壓，但是負壓值極小，不會對水工結構產(chǎn)生明顯影響。由此可見，優(yōu)化方案在減小底板壓強的峰值和圓弧段負壓方面存在明顯的作用，優(yōu)化效果良好。

圖2 沿程水位線

4 結語

此次研究通過數(shù)值模擬的方法對石橋水電站對非對稱來流條件下的溢洪道進口體型進行優(yōu)化，驗證結果顯示優(yōu)化設計方案對改善溢洪道水力特征具有顯著作用，可以對溢洪道的工程設計提供有益的支持，研究方法本身對相關類似工程的優(yōu)化設計也有一定的借鑒價值。另一方面，此次研究沒有考慮導流墻附近的脈動壓力，對計算結果存在一定的影響，在今后的研究中，需要進一步完善研究機理，提高研究結果的準確度。

表1 各測點壓強水頭m