反拱水垫塘淹没冲击射流水力特性研究

张春财,杜 宇,王立杰,赵润达

(1 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2 长沙理工大学 湖南省水沙科学与水灾害防治重点实验室，湖南 长沙 410114；3 湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410131)

反拱水垫塘淹没冲击射流水力特性研究

张春财1，2,杜 宇3,王立杰2,赵润达1

(1 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2 长沙理工大学 湖南省水沙科学与水灾害防治重点实验室，湖南 长沙 410114；3 湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410131)

【目的】 系统研究高坝坝身泄洪水舌在空中的运动规律，以及下游反拱水垫塘流场内的流速分布、紊流结构及底板压强分布。【方法】 以溪洛渡水电站工程为例，建立高拱坝及其下游水垫塘物理和数学模型，对工况1(坝身7表孔单独泄洪)和工况2(7表孔与8深孔联合泄洪)条件下反拱水垫塘内形成的淹没冲击射流的水力特性进行研究。【结果】 工况1条件下，7表孔单独泄洪时的泄洪水舌不发生碰撞而分别交错射入水垫塘；工况2条件下，7表孔与8深孔联合泄洪时的泄洪水舌在空中发生碰撞后均匀落入水垫塘。2种工况下，反拱水垫塘内形成具有横向和纵向漩涡的淹没冲击射流为复杂的三维流动，塘内临底流速大小相当，最大时均临底流速约为24 m/s；水垫塘底板压强在冲击区存在峰值区，且工况1较工况2小，沿纵向分别约为70和90 m范围，但工况1最大底板时均压强较工况2大，分别为1 670和960 kPa，前者约为后者的1.74倍。【结论】 高坝坝身表孔、深孔联合泄洪较表孔单独泄洪具有更大的泄洪能力，在临底流速大小相当的情况下可明显降低底板压强，具有更好的安全性能。

反拱水垫塘；淹没冲击射流；水力特性；模型试验；数值模拟

十余年来，随着我国西部大开发战略的实施及“西电东送”工程的全面启动，西部地区迎来了水电工程建设的高潮。这些地区建设的水利枢纽大多位于山区河流上，具有水头高、泄量大、峡谷窄等特点，泄洪消能方式的选择是高坝建设的关键性技术难题之一。坝身开多孔泄洪、下游衬砌具有较强超载能力的反拱水垫塘，利用多股下泄水舌在塘内形成的淹没冲击射流集中消能，往往成为这些工程泄洪消能设计的首选方案。目前，对平底水垫塘流场的研究成果较多[1-5]，从20世纪末开始的对反拱水垫塘的研究主要集中在其结构[6-7]、体型[8-9]和动力荷载[10-12]上，不同的体型对塘内水流势必产生较大影响。水垫塘内流场水流速度和底板压强分布与坝身孔口的布置(孔口的体型、尺寸、俯角、仰角)、泄洪方式(单孔或多孔、单层或多层、单独或碰撞)和水垫塘断面(体型或反拱)等因素有关，水流结构为三维空间流动，流态特征非常复杂[13-15]，分析不同的泄洪方式对高坝泄洪建筑物体例的选择和设计具有重要的指导作用。为此，本研究以溪洛渡水电站为工程背景，建立单层多孔单独泄洪和双层多孔碰撞泄洪消能条件下的反拱水垫塘物理和实验模型，研究高坝下游泄洪水舌的形态、水垫塘内淹没冲击射流的水力特征、塘内速度场和反拱底板压强场的分布规律等，以期为高坝泄洪消能方式的选择和设计提供参考。

1 模型设计

1.1 物理模型

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江峡谷，拦河大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高278 m。大坝位于高山峡谷地区，泄洪消能采用“分散泄洪、分区消能”的形式，由泄洪能力占校核洪水流量60%的坝身7个表孔、8个深孔以及两岸6条泄洪洞共同承担泄洪任务。根据研究内容，大坝下游布置反拱水垫塘，其结构型式及尺寸如图1所示。

图1 溪洛渡反拱水垫塘剖面示意图(单位：m)

水垫塘下游设置二道坝，最大坝高40.5 m，水垫塘长即坝轴线至二道坝轴线距离为400 m。试验模拟表孔单独泄洪、表孔与深孔联合泄洪2种工况，分析下泄水舌的运动规律及反拱水垫塘内的水流特性和底板压强的分布。物理模型按重力相似准则设计，同时满足紊流阻力相似条件，比尺为1∶100。采用2D/3D型Vectrino点式流速仪测量水垫塘内流场的流速，选用MPX50D型压力传感器测量反拱底板表面压强，利用计算机进行数据采样、存储、处理和分析，数据(模型值)采样频率100 Hz，采集时间120 s。

1.2 数学模型的建立

采用RNGk-ε紊流模型建立水库-坝身泄水孔(7表孔+8深孔)-反拱水垫塘三维整体数学模型，数学模型及其边界条件如图2所示。

图2 溪洛渡水电站反拱水垫塘计算模型示意图

将坝轴线与水垫塘底板轴线交点设为坐标原点，x轴沿水垫塘底板轴线指向下游为正，z轴沿坝轴线方向指向上为正，y轴垂直xz平面指向左岸为正。进口边界为流量进口，出口边界为给定下游底部和水面高程的压力出口。研究表孔单独泄洪的工况1和表孔与深孔联合泄洪的工况2时的水位及流量参数如表1所示。固壁边界为无滑移且不可入固壁，近壁黏性底层采用标准壁面函数方法处理。自由水面采用VOF(Volume of fluid)自动捕捉水面。

表1 计算工况及其水位和流量参数Table 1 Parameters of calculation condition,water level and flux

计算模型网格划分如图3所示，采用结构化网格将整体模型按5部分计算区域进行划分，其中，水库网格约210 000个，7表孔网格约120 000个，8深孔网格约130 000个，空中抛射网格约1 490 000个，水垫塘网格约1 410 000个，网格总数共计约3 360 000个。在所有壁面附近沿法线方向设置边界层，空中抛射部分沿水舌厚度方向加密，并将各部分计算区域连接，降低了网格总数，但获得的网格质量较高。

1.3 数学模型的验证

图4给出了2种工况下，反拱水垫塘冲击区下游2个典型横断面(x=190，340 m)不同位置(y=37.8，0.0，-39.0 m)时均流速(u)沿水深(z)的分布，计算值与试验值吻合较好。图5给出了2种工况下，塘内不同横断面，包括冲击区x=145.0(工况1)、152.5 m(工况2)，冲击区上游x=130.0(工况1)、145.0 m(工况2)和冲击区下游x=205.3(工况1)、253.5 m(工况2)底板时均压强(p)的横向分布，图5表明，试验值虽未测量到底板峰值，但分布规律与计算值相吻合。可见，采用RNGk-ε模型建立的三维整体数学模型合理，计算结果可靠。

图3 溪洛渡水电站反拱水垫塘计算模型网格划分示意图

图4 冲击区下游典型断面不同水深处时均流速(u)计算值与试验值的比较○.计算值；×.试验值

2 坝身孔口泄洪水舌的空中运动特征

图6为数值模拟得到的2种工况下坝身孔口泄洪时多股水舌的空中运动示意图，模拟的水舌形态和入水范围与试验现象基本一致，入水区水垫塘内水面波动剧烈。从图6可见，工况1条件下，7表孔单独泄洪时空中水舌不发生碰撞，交错射入下游水垫塘；工况2条件下，7表孔与8深孔联合泄洪时表孔跌流水舌与深孔挑流水舌在空中发生碰撞，之后较均匀射入水垫塘中，但横向并无过度分散和干砸马道现象发生；表孔水舌跌流较深孔挑流射入水垫塘时的入射角大，入水位置距离坝轴线更近。工况2表孔与深孔水舌在空中发生碰撞后，入水范围较工况1大，入水角较工况1小。

图5 水垫塘底板时均压强(P)沿横向的分布及其计算值与试验值的比较○.计算值；×.试验值

图6 2种工况下坝身泄洪多股水舌空中运动示意图

3 水垫塘流场的分布

3.1 塘内水流结构

图7给出了2种工况下反拱水垫塘冲击区上游x=100 m、冲击区x=145 m和冲击区下游x=194.87 m典型断面的速度矢量分布图。由图7可见，2种工况下主流射入水垫塘后迅速潜底，塘内形成淹没冲击射流，可以充分利用水体间的剪切、混掺消杀水流动能。在冲击区，工况1表孔泄洪的多股水舌射入水垫塘后，在横向上相互叠加，塘内水流翻滚；而在工况2条件下，表、深孔2层泄洪水舌碰撞后落入水中，明显加剧了水流的紊动和混掺。2种工况下水舌高速射入水垫塘后向中心流动，底板附近主流在纵向上发生转向形成贴壁射流，在横向上亦转向两岸，其上产生纵轴漩涡。在冲击区下游、水垫塘底部壁射流区上不仅产生大的横轴表面旋滚，同时也存在由冲击区发展而来的纵轴旋滚，其强度较冲击区小，但尺度为大。

3.2 塘内时均流速分布

图8给出了2种工况下时均流速矢量在水垫塘底部附近平面及水垫塘纵轴面上的分布。从图8可见，水舌入水后直冲反拱底板，水流折向下、上游，分别形成流速较大的下、上游壁射流区，流速分布沿中轴线基本呈对称分布。工况1条件下，最大时均临底流速达23.58 m/s，且较大流速集中在水垫塘中线附近，向两岸有减小趋势，左右岸边坡附近流速最小。工况2条件下，表深孔水舌在空中发生碰撞后，入水能量减小，最大时均临底流速为24.69 m/s，与工况1相近；入水范围扩大，时均临底流速分布较工况1更为均匀，由中轴线向两岸亦减小，但变化趋势不明显，两岸附近时均流速显著大于工况1。时均流速沿水深分布，在冲击区较大且更为均匀，在壁射流区时均临底流速达到最大，水面附近明显减小。工况2下水面附近的时均流速大于工况1。

图7 水垫塘流场典型横断面水流速度矢量的分布

图8 水垫塘内时均流速矢量的分布

4 水垫塘反拱底板时均压强分布

图9给出了2种工况下水垫塘反拱底板时均压强的分布。由图9可以看出，工况1条件下，7表孔单独泄洪水舌入水后冲击水垫塘底板，在入水水舌冲击下产生了7个大小不同的峰值，最大值时均压强达到了1 670 kPa。工况2泄洪流量较工况1增加了73%，但表深孔水舌空中碰撞后入水分散均匀，入水角减小，复杂的塘内水流结构增强了水流紊动混掺，再加上增加的水垫深度，从而减小了水舌对水垫塘底板的冲击。因此，工况2条件下，冲击区亦存在峰值区，其范围较工况1大，峰值却比后者小，最大时均压强为960 kPa。时均压强峰值区在两岸侧及上下游壁射流区迅速衰减，壁射流区波动较大，上游壁射流区上游和下游壁射流区下游时均压强趋于稳定。

图9 水垫塘反拱底板时均压强分布图

5 结 论

本研究以溪洛渡水电站为工程背景，建立了验证合理的水库-坝身泄水孔(7表孔+8深孔)-反拱水垫塘整体数学模型，并与模型试验相结合，充分发挥了数值模拟的优势，丰富和补充了实际研究成果的不足，可为水垫塘研究提供科学依据。本研究结果表明：在7表孔单独泄洪(工况1)条件下，泄洪水舌单独射入水垫塘；在7表孔和8深孔联合泄洪(工况2)条件下，表孔泄洪水舌和深孔泄洪水舌发生碰撞后较为均匀地射入水垫塘。2种工况下，水垫塘内流场为复杂的三维流动，均可形成淹没冲击射流，贴壁射流上部不仅存在横向漩涡，而且冲击区和壁射流区还会产生纵向旋滚。冲击区存在时均压强峰值区，上、下游壁射流区时均压强迅速衰减，时均流速达到最大。2种工况的最大时均临底流速大小相当，在单宽流量和上、下游水位差及水垫深度、入水角和水舌入水时分散程度等因素的综合影响下，工况1的冲击动水压力大于工况2。

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Hydraulic characteristics of submerge impact jetininverted arch plunge cushion pool

ZHANG Chun-cai1,2,DU Yu3,WANG Li-jie2,ZHAO Run-da1

(1PowerchinaZhongnanEngineeringCorporationLimited,Changsha,Hunan410014,China;2HunanProvinceKeyLabofWater,SedimentSci.andFloodHazardPrevention,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha,Hunan410114,China;3HunanTechnicalCollegeofWaterResourcesandHydroelectricPower,Changsha,Hunan410131,China)

【Objective】 This study systematically investigated themovement rule of flood jet relief through dam,velocity distribution,turbulence structure,and base slab pressure in flow field of downstream arch invert cushion pool.【Method】 Aphysical and mathematical model of high arch dam and arch invert cushion poolwas established using Xiluodu hydropower station as the engineering background.Then,thehydraulic characteristics of submerged impinging jetwere analyzed for condition 1 (flood discharge by seven crest spills separated) and condition 2 (flood discharge by eight lower outlets combined with seven crest outlets).【Result】 For condition 1,seven jets plunged into water cushion separately without crash energy,while jets of seven surface outlets and eight bottom outlets fell into plunge pool equably after impingingin condition 2.Submerge impact jets of transverse and lengthwise eddy in counter-arch plunge pool were three-dimensional complex flows with similar near-bed flow velocity and the maximum velocity of ～24 m/s in both conditions.Peak value scope of bottom pressure existedin impact zone of plunge pool.Scope of condition 1 (～70 m) was smaller than that of condition 2 (～90 m) while maximum averaged pressure of condition 1 (1 670 kPa) was 1.74 times of that of condition 2 (960 kPa).【Conclusion】 High dam flood discharge through crest and bottom outlets has greater capacity of flood discharge than through crest spillway andbottom pressure can begreatly reduced withthe same near-bed velocity.

invert-archpool;submerge impact jet;hydraulic characteristic;model test;numerical modeling

时间:2015-11-11 16:16DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.12.029

2014-12-16

国家自然科学基金项目(50279040)；湖南省教育厅科学研究重点项目(2014A006)；湖南省水沙科学及水灾害防治重点实验室开放基金项目 (2013SS06)

张春财(1976-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，博士，主要从事水工水力学、高速水力学及数值模拟技术研究。 E-mail:echun_1226@163.com

TV653+.3

A

1671-9387(2015)12-0209-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20151111.1616.058.html