某电站泄洪冲沙洞数值模拟分析

蒋 敏 屈玉竹

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)



某电站泄洪冲沙洞数值模拟分析

蒋 敏 屈玉竹

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

通过flow3d软件，对某电站泄洪冲沙洞进行了数值模拟分析，探讨了其泄流能力、洞内流速及压力分布情况，指出泄流能力与增设前相差均不超过3%，洞内流态较为稳定，其流速分布与压力分布均符合一般规律，因此增设放流洞的设计方案是可行的。

泄流能力，水力学，数值模拟，流速分布，压力分布

1 工程概述

某电站变更设计过程中，根据环境保护要求，在原右岸泄洪冲沙洞桩号右泄0+272.822 m处增设放流洞。增设放流洞之后，其对右岸泄洪冲沙洞的泄洪能力以及洞内水流流态会产生影响。

本文利用数值模拟方法对增设放流洞后的泄洪冲沙洞泄流能力及洞内水流流态进行计算分析，判断其对原有结构运行安全的影响。

2 计算模型

数值模拟采用flow3d软件计算，计算模型按右岸泄洪冲沙洞整体建模。

计算整体模型如图1所示。

3 计算初始条件

模型进口上游4 m范围及洞内按上游水位铺水，进口设置压力进口，模型下游4 m范围按下游水位铺水(自由出流时下游不铺水)，铺水段按下游水位设置压力出口。选用校核洪水工况及正常蓄水位自由出流工况进行模拟分析，各模拟工况上下游水位如表1所示。

表1 数值分析法计算初始条件表 m

4 计算结果及分析

4.1 泄流能力

通过数值模拟计算得出，在校核洪水位工况，洞内流态在23 s左右趋于恒定，流态恒定后，流量约在385.5 m3/s。在正常蓄水位自由出流工况下，洞内流态在30 s左右趋于恒定，流态恒定后，流量在298 m3/s左右。

4.2 泄流能力对比分析

按下述水力学公式计算泄洪冲沙洞过流量：

其中，μ为流量系数，计算公式如下：

式中：Ac——出口断面面积，m2；A——计算断面面积，m2；L，R——右岸泄洪冲沙洞各洞段长度及水力半径；ζ——局部水头损失系数；ω——隧洞出口断面面积，为34.98 m2；T0——上游水位与下游出口底板高程差，m；hp——出口断面水流的平均单位势能，下游水位低于洞顶高程时，取洞顶高程，当下游水位高于洞顶高程时，取下游水位高程。

计算得出增设放流洞前后两种工况下泄洪洞泄流能力，将该计算结果与数值计算结果列入表2。

表2 增设放流洞后泄流能力计算结果 m3/s

由表2可以看出，由水力学公式法及数值模拟分析法得出的增设放流洞后的泄洪洞泄流能力与增设前相差均不超过3%，说明增设放流洞对右岸泄洪冲沙洞泄流能力影响不大。另外，水力学公式法计算成果与数值模拟分析法计算成果相近，也印证了数值计算成果的合理性。

4.3 流速分布

通过数值模拟分析计算可以得出，在校核洪水位工况与正常蓄水位自由出流工况下，泄洪洞内流态均较为稳定，流速分布符合一般规律，即洞壁周边受隧洞摩阻的影响，流速较小，隧洞中心流速较大。放流洞洞身段基本不受右岸泄洪冲沙洞过流的影响，流速很小，接近于0。

岔口处对右岸泄洪冲沙洞流速分布影响较小，该处流速分布与非岔口处流速分布基本接近，在岔口进口处会有部分回流，流速较小，校核洪水位工况下约为3.2 m/s，正常蓄水位自由出流工况下约为2.5 m/s，回流流速均较低，水流流态不会对结构安全产生影响。

4.4 压力分布

通过数值模拟分析计算可以得出，校核洪水位工况与正常蓄水位自由出流工况流态均较为稳定，压力分布符合一般规律。压力与流速水头相关，出口段流速较洞身段流速偏大，其压力值较洞身段偏小。压力与隧洞洞身高度成正比，在隧洞横断面及纵断面图均呈现层状分布。由于上游水位较低，在正常蓄水位自由出流工况下，右岸泄洪冲沙洞拱顶部位会出现局部负压，最大负压值约为-0.9 m水头。为避免右岸泄洪冲沙洞出现负压，对水流产生紊动，应尽量避免其在低水位下长期运行情况。

岔口处对右岸泄洪冲沙洞压力影响较小，在岔口进口处受回流影响，顶部及底部会产生局部压力增加情况，但增加幅度不大，校核洪水位工况下约为0.7 m水头，正常蓄水位自由出流工况下约为0.3 m水头；放流洞洞身段基本不受右岸泄洪冲沙洞过流的影响，压力较为均一。

5 结语

本文通过flow3d软件对某电站泄洪冲沙洞进行数值模拟分析，计算得出其泄流能力以及洞内流速及压力分布。将泄流能力计算结果与增设前泄流能力以及通过水力学计算得出的增设后的泄流能力相比较，得出增设放流洞对右岸泄洪冲沙洞泄流能力没有明显影响的结论。同时，水力学计算成果与数值计算成果相近，也印证了数值模拟计算成果的合理性。

数值模拟分析计算洞内流速分布与压力分布结果表明，增设放流洞后，泄洪洞的洞内流态较为稳定，其流速分布与压力分布均符合一般规律。因而，增设放流洞的设计方案是可行的。

[1] 李 炜.水力计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

On numeric simulation analysis of sediment-flushing with flood-releasing of some power station

Jiang Min Qu Yuzhu

(KunmingSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,PowerConstructionCorporationofChina,Kunming650051,China)

By using flow3d software, the paper undertakes the numeric simulation analysis of the flood-releasing sand-flushing cave of some power station, explores its releasing capacity, flow speed of caves, and pressure distribution, points out the difference between the releasing capacity and the value before the addition is less than 3 percent with the more stable flow state in the cave, and indicates the flow speed distribution and pressure distribution are consistent with the universal law, so it is feasible to add the design scheme for the discharge cave.

releasing capacity, hydropower, numeric simulation, flow speed distribution, pressure distribution

1009-6825(2016)31-0226-02

2016-08-16

蒋 敏(1986- )，女，工程师

TV732

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