河灣水電站消力池T型墩體型優(yōu)化數值模擬研究

高興輝

（喀左縣水利局，遼寧朝陽122300）

1 工程背景

河灣水電站屬于典型的河道式徑流電站，壩址位于遼寧丹東鳳城市湯山城鎮(zhèn)河灣村境內的愛河干流上，主要由混凝土重力壩、電站及附屬水工建筑構成，裝機總容量為750 MW[1]。河灣水電站為河道型水庫，按照百年一遇洪水設計、千年一遇洪水標準校核，水庫的正常蓄水位為602.0 m，對應的庫容為843 萬m3，校核洪水位為604.5 m。水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩軸線長231 m，壩頂寬8.0 m，壩基高程574.0 m，壩頂高程603.5 m，最大壩高29.5 m。

河灣水電站的溢流壩段主要由進口段、控制段、泄槽段、消力池段及出水渠段五部分組成，設計洪水流量為570 m3/s，校核洪水流量為1 057 m3/s。在水利水電工程施工過程中，泄流建筑物中的高速水流往往蘊含著較大的動能，不僅會威脅泄水建筑物本身的安全，還會對下游的河道和河床造成顯著的空蝕和沖刷破壞[2]。顯然，僅憑消力池實現下瀉水流的消能，需要較大的設計深度，進而大幅增加施工難度和成本。因此，設計輔助消能工就顯得尤為重要。其中，T 型寬尾墩-消力池聯合消能工是一種新型綜合消能工，而河灣水電站的消能設施也采用了這種消能方式[3]。但是，目前關于T型墩的研究主要集中于矩形形狀，在結構改進和布置形式方面尚缺乏新的研究成果[4]。基于此，此次研究以河灣水電站消能工為例，進行消力池T型墩體型優(yōu)化數值模擬研究，力求為相關工程設計提供理論和實踐借鑒。

2 有限元計算模型的構建

2.1 軟件選擇

FLUENT 是一種利用C 語言編寫的大型通用有限元軟件，可以對復雜幾何區(qū)域的流體運動及熱傳導問題進行精確模擬，允許用戶結合實際情況對計算網格進行整體或局部上的修改，同時該軟件還具備自適應特點，可以在較大梯度的流動區(qū)域對流體流動進行精確模擬[5]。FLUENT還支持各種網格生成軟件包，并與其具有較好的相容性[6]。鑒于FLUENT軟件的優(yōu)勢和特點，以及此次研究需要對多種不同設計方案進行計算分析的實際需求，選擇FLUENT軟件進行有限元模型的構建。

2.2 模型的構建

根據模擬研究的實際需求，結合相關的研究成果和經驗，確定有限元模型的模擬范圍為進口段上游庫區(qū)150.0 m 至出水渠下游217.0 m[7]。以河灣水電站大壩初始設計資料為依據，利用CAD軟件進行模擬區(qū)域的幾何模型構建，然后進行疏密程度相當的結構化網格劃分，所有網格均采用六面體結構化網格。鑒于消力池T 型墩和閘墩進口區(qū)域的水流狀態(tài)十分復雜，對上述兩個區(qū)域進行適當地加密處理。整個有限元模型被劃分為612 870 個網格單元和756 578 個計算節(jié)點。鑒于模型的網格單元劃分已經可以保證模擬計算的精度，因此沒有對水氣邊界部位進行加密處理[8]。

2.3 模型的邊界條件

模型的泄槽段、消力池底板、邊墻及T 型墩設置為固壁邊界條件；模型的進口主要包括氣體入口和水入口兩大部分。其中，水流入口為上游斷面，采用速度進口條件，即根據水庫的上游水位高度和單寬流量確定入口流速，氣體邊界采用壓力邊界條件，邊界處的壓力為大氣壓設置。模型的出口為自由邊界條件，整個模型的上部均為壓力出口條件，給定大氣壓。為了提高模擬計算的精度，將上游水庫水位線以下部位全部充滿水，而水面以上的區(qū)域全部充滿空氣。在模擬研究過程中，采用k-ε紊流模型和VOF模型相結合的方式進行消能工的數值模擬，獲得泄水過程中的水力特征分布規(guī)律，并進行T型墩體型結構和位置的優(yōu)化。其中，模型的自由水面利用VOF 法計算獲取，方程的離散采用有限體積法，并利用PISO 算法對模型的速度及水面線進行必要的耦合計算。

3 模擬結果與分析

3.1 消力板的影響結果分析

為了研究消力板對T型墩消能工消能效果的影響，研究中在無消能板的原始設計方案基礎上，在T型墩的兩個迎水面全部設置消力板。消力板與T型墩的前墩固定在一起的部分應按水流方向防線安裝凸起的部分，后部則與T型墩的前墩相連，擴展部分設計為40°的傾斜角度，厚度為前墩高度的1/4，即1.0 m。

對構建的三維有限元模型進行局部調整，獲得添加消力板方案的有限元模型，對有無消力板兩種工況下的泄水結構水力特征進行計算，獲得水躍高度和消能率與泄流量之間的關系，結果如表1 所示。由表1 中的計算結果可知，在所有的情況下，設置消力板可以顯著降低水躍高度，同時提高消能工的消能率。因此，設置消力板可以提高消能效果，建議在工程設計中采用。

表1 有無消力板消能特征計算結果

3.2 T 型墩位置影響的計算結果與分析

鑒于T 型墩的支腿長度與消力池的池長、前墩邊緣與消力池進水口的距離及前趾長度之間具有線性關系，因此研究中以支腿長度作為T 型墩位置的主要表征量，結合工程的設計資料，在添加消能板設計方案的基礎上，提出11，13，15 m 等3種不同的支腿長度，并結合不同支腿長度對構建的有限元模型進行局部調整，獲得與計算方案相對應的有限元模型，然后對不同泄流量水平下的消能率進行模擬計算，結果如圖1 所示。由圖1 可知，在各種泄流量水平下，支腿長11 m 時的消能率最低；當泄流量較大，接近校核流量時，支腿長13 m 時的消能率最大；當泄流量相對較小，接近設計流量時，支腿長15 m 時的消能率最大。雖然東北地區(qū)的水利工程一般會處于小水狀態(tài)，但是受當地氣候特征的影響，也不排除出現較大洪峰的可能性，因此，水利工程設計必須要將安全放在突出地位。同時，減小支腿長度還有利于降低施工成本，所以12 m 的支腿長度應該為消能效果最佳的設計方案。

圖1 不同支腿長度消能率隨泄流量變化曲線

3.3 T 型墩墩型影響的計算結果與分析

目前的T 型墩墩型設計均為矩形形狀，分析認為其他形狀的墩型或許可以取得更好的消能效果。基于此猜想，在已確認的最優(yōu)位置的前提下，結合T 型墩前墩和后墩的不同型式設計，獲得如表2 所示的墩型計算方案表。

表2 不同墩型設計表

通過局部調整獲得針對不同墩型的有限元模型，通過模擬計算獲得不同墩型、不同流量水平下的消能率，結果如圖2 所示。由圖2 可知，各墩型消能率隨泄流量的變化規(guī)律基本一致，均為先增大后減小：在流量低于800 m3/s 的情況下，消能率隨著泄流量的增加而增大，當流量高于800 m3/s 的情況下，消能率隨著泄流量的增加而減小。對比不同墩型，6 種T 型墩型式按照消能率的大小排列順序為：墩型6，2，5，1，4，3。由此可見，無論在何種泄流量水平下，墩型6 的消能效果均為最佳，為推薦墩型設計。該墩型的前墩迎水面為弧形，可以有效改善該部位的水流流態(tài)，并在凹陷部位形成絮流，消減一部分水流能量；梯形的支腿可以使尾坎的橫截面積增大，顯著增加了阻水作用，因此消減的能量也明顯增加。上述兩方面的作用，使墩型6 獲得了較高的消能率。

4 結論

此次研究以河灣水電站為工程背景，利用數值模擬的方法對T 型墩的體型設計對消能效果的影響進行模擬計算研究：1）設置消力板可以提高消能效果，建議在工程設計中采用；2）通過模擬計算，綜合考慮水利工程的安全性和工程成本，建議支腿長度設計為12 m；3）采用前墩梯形、后墩弧形的T 型墩墩型消能率最高，可以獲得最佳消能效果，建議在工程設計中采用。