竖井式溢洪道进水口体形优化设计与研究

叶祥飞，宿 生，周 琦，李晓伟

(1.中国电建中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014;2.海南蓄能发电有限公司，海南海口570100)

1 工程概况

海南琼中抽水蓄能电站位于海南省琼中县境内，电站主要承担海南电力系统调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等开发任务，总装机容量600 MW。枢纽建筑物主要包括上水库、下水库、输水发电系统等3大部分。上水库地处黎母山林场原大丰水库，集雨面积为5.41 km2，多年平均径流量为797.9万m3，正常蓄水位567.00 m，死水位560.00 m，调节库容499.9万m3，死库容为280.7万m3，总库容为933.3万m3。上水库采用主、副坝均为沥青混凝土心墙土石坝，其挡水、泄水建筑物按100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核，设计水位泄洪量45 m3/s，校核水位泄洪量74 m3/s[1]。

在可行性研究设计阶段，上水库泄水建筑物采用无闸门控制的开敞式溢洪道，紧邻主坝右坝肩布置，末端斜对坝址下游的河床沟谷，采用台阶式消能。在招标设计阶段，随着设计工作的深入，考虑到上水库基岩埋深大、岸坡开敞式溢洪道开挖量大，且存在高边坡，对生态环境有较大的影响；同时，由于上水库泄洪流量不大，故将上水库泄水建筑物改为竖井式溢洪道，结合导流洞改建成退水隧洞[2- 4]。这样既节约了工程投资，又避免了对生态环境的影响。

2 竖井式溢洪道结构布置

上水库泄水建筑物采用开敞自溢式竖井溢洪道，布置于库盆右岸，主要由井口防涡设施、环形溢流堰、过渡段、竖井段、消力井、退水隧洞及出口消能段组成，其中出口布置于全风化岩体中，水流斜向转弯汇入山间冲沟。溢洪道中心线全长440 m，竖井进水口平台由开挖形成，溢流堰采用无闸门控制的环型实用堰，采用1/4椭圆曲线，堰顶与正常蓄水位齐平；竖井采用等直径圆形竖井，为防止水流直接冲击竖井底板，在竖井底部设消力井，其结构布置与竖井段相同，井底高程比退水隧洞底板高程低7 m，以形成稳定的水垫塘；退水隧洞结合导流洞布置，洞内设16级台阶消能；出口段采用消力池消能，池长30 m，池深2.0 m，其后接护坦，采用规格3 m×2 m×0.3 m的雷诺护垫，与山间冲沟顺接。竖井式溢洪道结构布置见图1。

图1 竖井式溢洪道结构布置示意(单位：高程m，尺寸mm)

图2 不同流量下溢流堰水流状态

3 物理模型试验研究

3.1 模型试验布置与工况

为研究竖井式溢洪道的水流流态、泄流能力及消能效果等水力特性，按重力相似准则设计了1∶20的试验模型。模型设计时对环形溢流堰、竖井段、退水隧洞、出口消能段均进行了精细模拟，其中，环形溢流堰采用了木材制作，竖井段、退水隧洞段用有机玻璃制作，出口消能段及下游河道用水泥砂浆制作。有机玻璃的糙率为0.008～0.009，换算成原型的糙率为0.013 2～0.014 9，与溢洪道的实际糙率较为接近，可以满足动力相似要求。模型试验工况如表1所示。

表1 试验工况

3.2 初拟方案

溢流堰采用无闸控制环形实用堰，环形堰顶曲线采用1/4椭圆曲线，椭圆方程为x2/12+y2/2.22=1。环形堰直径5.6 m，堰顶高程567.00 m，与正常蓄水位齐平，高程564.80 m以上为过渡段，以下为竖井段。堰顶的体形如图1所示。

当流量为24 m3/s时，堰顶的水流为自由堰流，竖井内的自掺气较多，在试验中发现库水位不稳定，在567.647～567.803 m之间波动，堰顶流态见图2a。当流量在33～43 m3/s时，堰顶流态仍然为自由堰流，库水位也较稳定，典型流态见图2b。当流量为53 m3/s时，堰顶上方形成了一个顺时针方向的漩流，典型流态见图2c。当流量在64～84 m3/s时，堰顶形成了较大的漩涡，漩涡强度时大时小，特别是在流量为74、84 m3/s时，堰顶通气孔道时而被封堵，受此影响，堰顶泄量有所变化，库水位波动较大，典型流态见图2d。

初拟方案的水位-流量关系如图3所示，图3中列出了在同一流量下水位波动的低值与高值，并与设计值进行了对比，由图3可知，在校核水位时，试验过流能力较设计值小，泄流能力不足。

图3 初拟方案水位-流量关系

3.3 优化方案

考虑到泄流能力不满足要求，且堰顶流态不良，故需对初拟方案进行优化研究，共进行了5种不同进水口体型的模型试验。

(1)优化方案1。保持环形溢流堰堰顶曲线方程不变，将环形溢流堰的堰口直径由原来的5.6 m变为5.8 m，竖井的直径由原来的3.6 m变为3.8 m。该方案在小流量情况下，由于水流有所偏转，在后方交汇形成了一个水翅，水翅冲击对面的竖井井壁，且来流量越大时，水翅越大，冲击对岸的程度也越大；当来流量逐渐变大时，竖井溢洪道的堰顶逐渐有漩涡形成，特别是当在校核流量时由于水流偏转和水翅的影响，堰顶通气孔道时而会被封封堵，且漩涡不稳定，致使库水位变化较大。

图4 优化方案5(单位：高程 m，尺寸mm)

(2)优化方案2。堰口直径5.8 m，竖井直径3.8 m，沿着环形溢流堰增设6道均匀布置的导流墩，导流墩布置于堰顶与堰面之上，导流墩顶高于水面。该方案对堰顶流态的改善不明显。由于导流墩的部分放置于堰顶处，使得水流在堰顶处形成了较大的水翅，恶化了堰顶的水流流态。当水流高出导流墩顶部的时候，仍然在堰顶处形成了较为明显的漩涡。

(3)优化方案3。堰口直径5.8 m，竖井直径3.8 m，6道导流墩布置于堰顶，墩顶与堰顶齐平。

该方案在P=1%时，堰顶水流有所偏转，并且在2号～3号墩之间有一个较大的水翅，水翅偶尔冲击对面的水体，且水翅位置不固定，在2号～3号墩之间移动。在P=0.05%时，堰顶有较大的逆时针漩涡出现，漩涡时大时小，由于有水翅的影响，通气孔道偶尔被封闭，受此影响库水面波动较大。

(4)优化方案4。堰口直径5.8 m，竖井直径3.8 m，6道导流墩均匀布置于堰顶，墩顶高于水面。该方案在导流墩后形成了6道水翅，影响了水流流态。

(5)优化方案5。堰口直径5.8 m，竖井直径3.8 m，6道导流墩均匀布置于堰顶，墩顶呈间隔不等高布置，如图4所示。该方案较其他方案堰顶流态有较大改善，在P=0.05%时，虽然堰顶仍有水翅，但1号、3号和5号墩有效地阻断了堰顶的旋流，堰顶仍留有较大的通气孔道，故将本方案最为推荐方案。

3.4 推荐方案的堰顶水力特性

3.4.1 堰顶流态及泄流能力

各试验流量下，堰顶均保持为自由堰流。由于受到堰顶流态的影响，库水面有所波动。在P=2%时堰顶为自由堰流，水流贴着堰壁下泄，在1号、3号、5号墩后面出现了较小的水翅，水翅高度约为0.6 m，且在这3个墩的周围也有较小的扰流出现，典型流态见图5a；在P=1%时堰顶也为自由堰流，并有较大的通气孔道，在1号、3号、5号墩后面出现了较小的水翅，1号墩后的水翅约为0.6 m，2号墩后的水翅约为0.68 m，3号墩后的水翅约为0.8 m，且由于堰顶水流有所偏转，使得2号墩和3号墩之间以及5号墩和6号墩之间形成了两个交汇的水股，但没有堵塞通气孔道，典型流态见图5b；在P=0.05%时堰顶仍为自由堰流，由于水流超过了导流墩的高度，堰顶的水流为旋流，受此影响，2号墩与3号墩以及4号墩与5号墩后形成了一个水翅，且水翅相互交汇，但堰顶仍然留有较大的通气孔道，典型的流态见图5c。

图5 不同工况下的堰顶流态

试验中记录了在各来流量时的水位波动高值，测得的水位流量关系和设计的水位流量关系如图6所示，在同一水位下试验流量均大于设计流量，满足设计要求。

图6 推荐方案水位-流量关系

3.4.2 堰顶压强

本试验在环形溢流堰的壁面布置了5个压强测点(测点1～5)，实测压强值见表2。由表2可知，各工况下压强基本为正压或者较小的负压，最大负压为-8.08 kPa，小于规范要求，说明溢流堰体形设计合理。

表2 堰面时均压强分布

4 数值模拟成果与分析

4.1 模型建立

计算采用三维模型，计算模型的中心截面如图4所示。为消除来流边界对环形溢流堰进口流态的影响，截取计算域取为圆形，圆形半径为13.9 m，取竖井段长15 m。鉴于竖井式溢洪道堰顶的形态较复杂，难以生成结构网格，故在堰顶部分采用非结构网格，其余地方采用结构网格，网格数量约为40万。流经泄洪洞内的水流为高雷诺数湍流，本次计算中采用目前使用最为广泛的雷诺时均法(RANS)进行湍流的数值模拟[5，6]，选用VOF模型法追踪自由表面。

4.2 堰顶流态及泄流能力

计算表明，在堰顶附近，临近环形溢流堰的堰顶流速逐渐增大，且堰顶的流态较为稳定，水流沿着堰顶自由下泄，没有发生偏转。库水位568.24 m时的典型迹线如图7所示。

图7 库水位568.24 m时的典型迹线

校核工况下典型断面空气的体积分数如图8所示。根据不同工况下典型断面y=0、z=558 m、z=567 m的体积分数图，在不同的堰顶水位情况之下，堰顶均留有较大的通气孔道，且随着水位的上升，通气孔道的面积逐渐减小。

图8 校核工况下典型断面空气的体积分数

模型试验与数值模拟的水位流量关系对比如表3所示，其中，偏差=(计算值-试验值)/试验值×100%，由表3可知，数值模拟与物理模型试验的结果基本一致，最大误差仅为4.35%。

表3 泄流能力计算值与试验值偏差

4.3 堰顶压强

图9 堰顶压强分布(Z=568.71 m)

由于环形溢流堰的堰顶为1/4椭圆曲线，在相同的设计水头之下，堰顶曲线较实用堰曲线要薄，水流流经堰顶之后，并没有完全贴着堰顶壁面下泄，在堰顶出现了负压区。典型的堰顶压强分布如图9所示。由图9可知，在堰顶壁面，随着下泄流量的增大，堰顶的负压区有增大的趋势，且堰顶的最大负压也随着下泄流量的增加而增大。

5个不同水位下的堰顶压强分布如表4。由表4可知，堰顶曲线段压强基本均为负压，且负压随着高程的降低有增大的趋势，这是由于环形溢流堰为1/4椭圆形曲线，在相同的设计水头之下，其体型要比实用堰的体型偏瘦，水流没有贴壁的缘故，但负压值一般均较小，在规范要求允许范围之内，不会使得竖井壁面产生空蚀破坏。

表4 环形溢流堰堰压强分布

5 结 语

本文结合琼中抽水蓄能电站上水库竖井式溢洪道，采用物理模型试验与数值模拟相结合的方法，对竖井式溢洪道进水口体型进行了多方案的优化比选研究。研究表明，在环形溢流堰顶增设6道间隔布置的不等高导流墩，可有效改善堰顶流态，减小进口库水位波动，增大堰顶泄流能力，可为同类工程设计提供依据和参考。