燕尾坎%2B水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究.pdf

四 川 水 利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(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 四川大学水利水电学院成都 长江勘测规划设计研究有限责任公司重庆分公司重庆)【摘 要】在抗冲流速小、水头高、流量大、水深浅的狭窄河道中采用挑流消能时由于河床冲坑深两岸坡防护难度大采用人工开挖水垫塘来减少冲刷可确保岸坡安全和节省工程投资 文章依托某具体实际工程通过 紊流模型对不同挑坎体型下的挑流特性进行分析对比分析不同挑坎体型下的水舌形态、落点、水垫塘内紊动能耗散率和底板冲击压强等水力特性 得出在兼顾水垫塘冲击压强和二道坝出流衔接平稳的前提下尽可能增加挑流水体与水垫之间的剪切面积来增强水垫塘消能率 结果表明燕尾坎水垫塘方案适用于水头高、抗冲流速小的狭窄河道可为类似工程提供参考【关键词】泄洪洞 水垫塘 燕尾型挑坎 泥岩地基 中图分类号:文献标志码:文章编号:()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 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 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 建模使用 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 工程概况某水利工程泄洪洞全长 采用 实用堰泄洪洞长 洞宽 采用挑流消能 校核洪水流量为 /校核水位为 对应下游水位为 天然水深 设计洪水流量为 /设计水位为 对应下游水位为 天然水深 消能防冲洪水流量 /对应下游水位为 天然水深 泄洪洞出口下游河谷狭窄呈“”形河床基岩主要为泥岩及泥质粉砂岩基岩层抗冲流速为 /挑流消能布置方案见图 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基金项目:科技部国家重点研发计划()*通讯作者李金键龚汉忠邹君韬马旭东杨 庆:燕尾坎水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究 图 泄洪洞布置 数值模拟 模模拟拟方方法法及及可可靠靠性性验验证证数值模拟方法基于(流体体积法)单相流模型和 方法模拟模型的水流特性使用隐式压力求解器应用 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 的输运方程连续性方程:动量方程:()方程:/()()流体体积函数 的输运方程:()()()式中为平均速度为平均压力、分别为运动粘滞系数和紊流运动粘滞系数对于高雷诺数 分别为湍动能产 生 项 和 平 均 应 变 率 张 量 ()/()()经验常数值 分别为湍动能 和耗散率 对应的 数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 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 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 沿程水深对比(/)四 川 水 利 计计算算体体型型及及网网格格划划分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 及 的对称燕尾坎燕尾坎入口部位缺口的宽度为 出口宽 左右两侧留置的挑坎宽度为 具体体型见图()体型一布置()体型二布置()体型三布置图 体型布置按原型 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 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 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 图 模型及网格划分 水力特性分析 水水垫垫塘塘流流态态及及水水舌舌形形态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同时流经燕尾坎两侧的流量较少水舌落点平面呈现“”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“”字形 落点平面示意见图 水舌落点及特征值示意见图、图 水舌落点分布范围及形态特性见表 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 接李金键龚汉忠邹君韬马旭东杨 庆:燕尾坎水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究 触周长增加 体型三相较体型一落水面积增大 接触周长增加 ()体型一流态()体型二流态()体型三流态图 /流态对比 图 /水舌平面落点对比图 水舌特性示意 表 水舌特性统计体型水舌近点()水舌远点()周长()特征水舌厚度()面积()体型一 体型二 体型三 紊紊动动能能耗耗散散率率分分布布特特征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 给出 /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“”字形()体型一()体型二()体型三图 为 /紊动能分布示意 四 川 水 利 紊动能耗散率特征断面分布见图 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、表 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 /及 /下体型二特征水舌宽度相比于体型一分别减小 、体型三特征水舌宽度相比于体型一分别减小 、()体型一 /桩号 ()体型一 /桩号 ()体型一 /桩号 ()体型一 /桩号 ()体型二 /桩号 ()体型二 /桩号 李金键龚汉忠邹君韬马旭东杨 庆:燕尾坎水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究 ()体型二 /桩号 ()体型二 /桩号 ()体型三 /桩号 ()体型三 /桩号 ()体型三 /桩号 ()体型三 /桩号 图 特征断面紊动能耗散率分布比较流量 /时水垫塘不同紊动能耗散率下 表 的消能体体积体型()()()()()()()()体型一 体型二 体型三 流量 /时水垫塘不同紊动能耗散率下 表 的消能体体积体型()()()()()()()()体型一 体型二 体型三 四 川 水 利 表、表 为水垫塘不同紊动能耗散率下的消能体体积统计数据图 为不同工况下紊动能耗散率大于等于/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/时的等效消能体体积三种体型下流量为 /时水垫 塘 等 效 消 能 体 体 积 分 别 为 、流量为 /时水垫塘 等 效 消 能 体 体 积 分 别 为、可 知 当 流 量 为/时体型二等效消能体体积最大消能效果最好当流量为 /时体型二、三各项指标接近消能效果体型三略好于体型二 ()体型一 /()体型一 /()体型二 /()体型二 /()体型三 /()体型三 /图 为/时等值面示意李金键龚汉忠邹君韬马旭东杨 庆:燕尾坎水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究 水水垫垫塘塘冲冲击击压压强强分分布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()计算挑射水舌对水垫塘底板的冲击动压()式中为水垫塘射流区域的最大时均压强为水垫水深取 为水的容重图 给出了流量为 /及 /下底板冲击动压水头分布 工况一水垫塘底板最 大 压 强 为 水 柱 位 于 桩 号 中轴线处工况二水垫塘底板最大压强为 水柱位于桩号 中轴线处工况三水垫塘底板最大压强为 水柱位于桩号 中轴线处工况四水垫塘底板最大压强为 水柱 位于桩号 中轴线处工况五水垫塘底板最大压强为 水柱位于桩号 中轴线处工况六水垫塘底板最大压强为 水柱位于桩号 中轴线处 冲击动压水头峰值统计见表 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 /时体型二、三的冲击压强水头峰值比体型一分别减少 、流量为 /时体型二、三的冲击动压峰值比体型一分别减少 、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 /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 表 水垫塘底板冲击压强统计流量体型临底受冲区域()冲击压强水头峰值()峰值桩号()/体型一 体型二 体型三 /体型一 体型二 体型三 ()体型一 /()体型一 /()体型二 /()体型二 /(下转第 页)申庆成游姝虹陈 庆:水量计量在水电站生态流量下泄监管中的应用 重点河流生态流量精确计量监测河流生态变化指导河流生态修复实现对水电站生态流量的分类监管从而实现河流水资源开发与环境保护的协调发展参 考 文 献彭文启.生态流量五个关键问题辨析.中国水利():.尹正杰杨春花许继军.考虑不同生态流量约束的梯级水库生态调度初步研究.水力发电学报():.肖 妮杨安玉周丽娜等.小型水电站生态泄流设施改造研究.中国农村水利水电():.邱兴春郭艳娜.贵州水利工程运行期生态流量下泄过程中存在问题及对策探讨.水利与建筑工程学报():.沈思敏刘树锋关 帅等.新时代广东省小水电可持续发展探讨.中国水利():.余进忠.小水电站生态流量泄放设施改造初探.小水电():.申祖宁张文正姜明梁等.明渠平板闸门过闸流量特性研究.节水灌溉():.干 超肖 妮赵 鑫.小水电站生态流量泄放情况评价研究.小水电():.作者简介:申庆成()男河南安阳人工程师硕士长期从事水利水电施工专业工作(上接第 页)()体型三 /()体型三 /图 底板冲击压强水头分布 结论基于数值模型试验得出以下结论:()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()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()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参 考 文 献崔广涛彭新民杨 敏.反拱型水垫塘 窄河谷大流量高坝泄洪消能工的合理选择.水利水电技术():.胡清义廖仁强郭艳阳等.乌东德水电站泄洪消能设计研究.人民长江():.谢省宗吴一红陈文学.我国高坝泄洪消能新技术的研究和创新.水利学报():.刘沛清李福田.水垫塘内淹没冲击射流中的大尺度涡结构及其特征.水利学报():.程文磊杨 庆昌子多.燕尾型挑坎在李家岩水库溢洪道中的应用.水利水电技术():.王英奎廖仁强许唯临.高拱坝水垫塘消能的研究进展.水利科技与经济():.沙海飞范丽丽李子祥等.水垫塘动水冲击压力测压管灵敏性分析.水利水运工程学报():.作者简介:李金键()男硕士主要从事水工水力学研究:杨 庆()男副教授、硕导博士主要从事水工水力学研究: