董箐水电站工程溢洪道宽大泄槽掺气设施设计

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(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

1 概 况

董箐水电站位于贵州省贞丰县与镇宁县交界处，装机容量880MW，为Ⅱ等大(2)型工程。开敞式溢洪道布置在左岸，引渠底板高程460m，堰顶高程468m，堰顶为4孔出流，孔口尺寸为13m×22m(宽×高)，泄槽等宽段净宽50m、长680m，纵坡i=7.50%，采用挑流消能。溢洪道在校核洪水位493.08m时，最大泄流量13347.07m3/s，相应单宽流量266.94m3/(s·m)，最大流速37.64m/s。

溢洪道在采用传统方式进行两侧掺气坎水力学模型试验过程中发现，在泄槽中部位置坎后空腔回水较多，补气空腔较小。分析认为，宽大泄槽由于气流被靠近掺气孔位置的水流带走，导致中间部位水流掺气效果差，泄槽中部存在掺气不足的可能。为此，董箐水电站对掺气坎的掺气方式进行了研究，从重点解决泄槽中间部位掺气的思路出发，设计了宽大泄槽掺气坎新体型。经计算分析，新型掺气坎的掺气效果明显好于传统掺气坎，并经实际泄洪观察，泄槽内水流掺气效果良好。

2 掺气设施设计方案

董箐水电站溢洪道掺气坎采用简单的挑坎式，泄槽为直坡矩形结构，分别在桩号0+200m(掺气坎一)、0+350m(掺气坎二)及0+500m(掺气坎三)位置设置了3道掺气坎，掺气有效保护长度150m。3道掺气坎的水平长度均为20m，坎高分别为3m、2m、2.5m。在泄槽两侧边墙设置常规掺气孔，为2.0m×1.0m的矩形断面，可以有效补充边墙附近的水流掺气。同时为保证泄槽中部水流充分掺气，设置独立的进气通道向泄槽中部的水流补气。采用圆形不锈钢钢管作为进气通道，钢管将空气直接引至泄槽中部。钢管浇筑在边墙和挑坎中，通气主管直径1m，在挑坎直立面从边墙侧至泄槽中间依次布置掺气支管，间距3m，依次布置3根直径400mm和1根直径1000mm的掺气支管，管径由小到大，在泄槽中间部位支管管径最大，以保证能够有充足的空气到达泄槽中部。这种组合方式保证了掺气坎全断面均匀掺气的效果。

新型掺气坎结构轴测图见图1，大样图见图2。

图1 新型掺气坎结构轴测图1—泄槽底板；2—掺气坎；3—边墙内竖向掺气钢管；4—常规掺气孔；5—挑坎内横向掺气钢管；6—φ400掺气支管；7—φ1000掺气支管

图2 掺气坎结构大样图

3 数值计算分析

采用数值计算方法对这种新型掺气坎的掺气效果进行分析，以3000m3/s常遇泄量工况作为计算条件。

传统掺气坎和新型掺气坎的数值计算采用k-ε紊流模型。计算时，假定模型中每个单元网格体积均为1，当单元网格中没有气体全部为水时αw=1；当单元网格中没有水全部为气体时αw=0；当单元网格中为水气混和体时αw在0～1之间。k-ε紊流模型引入VOF法，体积分数采用加权平均。

图3 传统掺气坎单元格气体含量比例分布示意图

传统掺气坎和新型掺气坎单元格气体含量比例分布见图3、图4。对计算图形进行分析，可以看出新型掺气坎的掺气效果比传统掺气坎明显要好，传统掺气坎底部单元格内气体含量比例基本在0.2～0.4之间，而新型掺气坎在0.6左右，最大达到0.7，增大约2～3倍。两种掺气坎后的空腔长度分别为11m和14.2m，新型掺气坎的掺气空腔长度比传统掺气坎增加3.2m。

图4 新型结构水气两项体积分数分布示意图

以上数值计算分析成果，虽然只计算了模型单元格中空气的含量比例和挑坎射流空腔长度，未考虑的边界条件比较多，但这两项参数是评价掺气坎掺气效果的最直接指标。通过初略的计算分析，新型掺气坎在宽大泄槽的掺气效果明显好于传统掺气坎。

4 工程运行情况

从2010年汛期至今，董箐水电站溢洪道经过了多次泄水检验，最大泄量约3000m3/s。经实际观测，溢洪道泄槽内水流流态较好，水流呈雪白色，表明掺气效果良好。泄槽流态及掺气效果见图5。

图5 溢洪道泄槽流态及掺气效果

5 结 语

对于宽大泄槽掺气设施的研究目前存在几个问题：一是关于泄槽掺气的研究都是针对纵向掺气效果方面，未见有对宽大泄槽的横向掺气均匀性和泄槽中部掺气效果方面的研究；二是目前的研究成果基本都是基于泄洪洞窄泄槽的掺气体型，所涉及的掺气设施规模都比较小，对宽大泄槽的大型掺气体型设计与研究方面开展的工作却不多；三是当前对溢洪道泄槽宽度方面的研究较少，规范中也没有对泄槽的单槽宽度作相关要求和说明。

董箐水电站工程溢洪道掺气设施研究采用水力学模型试验、数值计算分析等方法，设计出了一种适应宽大泄槽的新型掺气结构体型，计算分析和实际运行结果表明：

a.新型掺气坎保留了两侧边墙的通气孔，两侧通气孔可以有效补充边墙附近的水流掺气，钢管将空气直接引至泄槽中部，改善了泄槽中间部位的掺气效果，这种组合方式保证了掺气坎全断面均匀掺气的效果。

b.新型掺气坎能有效解决宽大泄槽中部掺气的技术难题，根据泄槽宽度的不同，可以调整钢管的直径和沿线开孔的位置，结构简单、施工方便，掺气效果更明显、均匀。类似工程应用时，可以根据实际需要，并结合大比尺模型试验调整结构参数。