溢洪道弯曲段反超高方案优化数值模拟

李转妮

(重庆市水利水电勘测设计研究院，重庆 400000)

溢洪道弯曲段反超高方案优化数值模拟

李转妮

(重庆市水利水电勘测设计研究院，重庆 400000)

针对溢洪道弯曲段凹岸与凸岸水位、水深差值大的问题，选择重庆石梁扣水电站溢洪道为研究对象，基于常用的反超高优化方案对弯曲段进行优化设计，并借助SMS流体计算软件建立二维数模进行计算分析。分析结果显示，相比来看，反超高优化方案通过凸岸抬高与凹岸下降的共同作用，有效消减弯曲段两侧水头、流速差，及水流横向位移，对溢洪道内流场分布、水流结构具有明显的改善作用。

反超高；水电站溢洪道；两侧水头差；水流流态

高速下泄的水流在流入溢洪道弯曲段时，由于离心力作用，将产生横向移动，逐渐在凹岸边壁汇聚、产生壅水，导致弯曲段左、右两侧水位、水深、流速相差过大[1-5]，扰乱溢洪道弯曲段以及下游流态，容易猝发空蚀，严重威胁整个溢洪道正常运行[6]。在溢洪道工程设计与建设中，如何根据溢洪道实际建设情况，因地制宜，设计合理的结构、布置形式具有显著的经济、社会效益[7-8]。本文以重庆石梁扣水电站溢洪道为研究对象，基于常用的反超高优化方案对弯曲段进行优化设计，并借助SMS流体计算软件建立二维数模，计算分析优化效果。

1 工程概况

重庆石梁扣水电站位于重庆土溪乡姜家村后溪河，上距七里坝15.2 km，下离磨子湾3.3 km。水电站的主要功能为发电与引水灌溉。根据后溪河大屋基水位站监测的水文资料分析，工程处正常水位为680.00 m，设计工况下水位可达695.27 m。

2 反超高优化方案设计

反超高优化方案的设计思路是通过抬升凸岸槽底底板，同时降低升凹岸槽底底板[9]，从而有效消除溢洪道弯曲段两侧的水位差，使得溢洪道弯曲段左右两侧水位值大体一致，减小水流的横向偏流。根据文献[10]，溢洪道弯曲段凸岸上升高度与凹岸降低高度的计算式分别如下：

图1 计算区域示意图

(1)

(2)

式中:θ为溢洪道起点的水流冲击波反射角；r1为凸岸半径，m；r2为凹岸半径,m；b为溢洪道槽底宽度，m；x为槽底高程变化点距离凸岸的距离，m。x计算式见式(3):

根据计算，图1中五个断面(从上游至下游)的凹岸降低高程依次为0 m、0.33 m、0.45 m、0.26 m、0 m；凸岸的抬高高层分别为0 m、0.16 m、0.39 m、0.19 m、0 m。

3 数学模型建立与计算

3.1 计算区域选定

模型研究范围从溢洪道进口(桩号0+233.50)至溢洪道出口(桩号0+320.95)，整个溢洪道弧度为35°，中轴线长为73 m，半径为120 m，底板宽为24 m(图1)。

3.2 网格、参数率定及边界条件

为保证计算精度，综合考虑计算类型的适用性等其他问题，计算模块选择二维流体(FESWMS)模块、网格类型选择稳定性最好的三角网格，网格间距选择3 m。

经过率定，弯曲段材料设为0.023；紊动能系数设为0.32；动量耗散系数选为0.27。

本文研究设计工况下优化方案的优化效果。其中，模型上游通过流量控制，流量为4000 m3/s；模型下游通过尾水水位控制，水位为672.33 m。

4 数模计算结果分析

将设计工况下原方案与反超高方案的流场、水深分布计算模拟结果绘于图2、图3。并将各断面具体数据统计于表1。

图2 原方案数值模拟结果

图3 反超高方案数值模拟结果

表1 优化方案效果对比

由图2、图3可知，在原方案下，重庆石梁扣水电站溢洪道弯曲段内水流受离心力作用向右岸汇聚，左右两岸水流流速、水深差距较大，原方案在设计工况下流场极为紊乱，水流流向线与中轴线夹角较大，水流冲击波作用明显。

采用反超高方案后，在凸岸抬高与凹岸下降的共同作用下，凹岸与凸岸两侧水体略有均衡(两侧单宽流量差有效减小)，水流横向移动情况明显减弱，水流冲击波有所降低，主流与底板中轴线夹角减小，溢洪道弯道出口平均流速由3.48 m/s下降为3.07 m/s，下降幅度达到11.78%，水流流态、流场结构有了明显改善。

5 结 论

研究结果显示，在溢洪道弯曲段采用反超高方案可以有效均衡凹岸与凸岸水体，有效减小两侧水头差，减小弯曲段内横流，改善流态，对于溢洪道的稳定运行及减小对下游河道的冲刷具有积极影响。建议本工程采用反超高方案。

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The numerical simulation of spillway curve inverse extra-high optimization scheme

LI Zhuanni

(ChongqingSurvey&DesignResearchInstituteforWaterResourcesandHydropower,Chongqing400000,China)

The water on both sides of the spillway curve bending section was deep, with large water depth difference. This paper choosed Chongqing Shiliangkou hydropower station spillway buckle as the research object,this paper adopted the commonly used inverse extra-high optimization scheme to optimize the design,using SMS of a planar 2 d mathematical model for numerical simulation.The results showed that,through the combined action of convex elevation and concave downward,inverse extra-high optimization scheme could effectively reduce the water head and velocity difference,lateral movement of water,and the distribution of the flow field and the flow structure in the spillway were obviously improved.

inverse extra-high;spillway of hydroelectric power station;head difference;water flow regime

李转妮(1988-)，女，陕西西安人，助理工程师，主要从事水利水电工程设计方面的工作。E-mail:287109894@qq.com。

TV61

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