乌东德5号导流隧洞改建体型水力特性研究

刘火箭，徐唐锦，宛良朋，何 勇，潘洪月

(1.长江科学院 水力学研究所， 湖北 武汉 430010；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司， 湖北 武汉 430010；3.中国三峡建设管理有限公司， 四川 成都 610041)

乌东德水电站位于四川省会东县和云南省禄劝县交界的金沙江下游河道。电站以发电为主，兼顾长江中下游防洪，并具有改善库区及下游航运条件、拦沙等综合利用效益。电站设计正常蓄水位975 m，总库容74.08亿m3，总装机容量10 200 MW。枢纽工程主体建筑物由混凝土双曲拱坝(最大坝高270 m)、两岸地下电站、坝身5个表孔及6个中孔、左岸三条泄洪洞等组成[1-3]。

高山峡谷地区修建高拱坝，前期通常采用围堰一次拦断河床、导流洞泄流的导流方式，施工导流后期采取坝身临时导流底孔泄流的导流方式[4-6]。但该方式存在泄洪建筑物布置困难、不利坝体安全、影响直线工期、增加工程投资等问题。为克服上述不利影响，根据电站“左2右3、4大1小、4底1高”的导流洞布置格局，提出取消坝身导流底孔，通过提前改建5号高导流洞，工程后期下闸蓄水期间利用5号导流洞过流，以满足坝下下游生态流量及水位衔接的要求[3]。

5号导流洞在工程蓄水期间运行的最大水头达到60 m，洞内有压段、明流段、出口流速过高，存在导流洞下闸封堵困难、导流洞内及出口冲刷破坏等问题。且受导流洞出口条件的限制，在出口增设消能措施解决岸坡冲蚀破坏问题基本不可行。为此，研究人员提出在导流洞有限的有压段范围内采用洞塞消能的布置型式，达到降低导流洞内过流量及流速的目的。洞塞式内消能工具有流态稳定、结构简单、水流参数易于控制等优点，国内外针对洞塞的水力学特性开展了大量研究，取得了丰硕的成果[7-17]，但在我国采用洞塞消能的实例较少。为保证工程的安全运行，根据前期研究成果初步确定了四种洞塞方案，采用三维数值模拟技术对四种方案泄流量进行了计算，结合生态流量及导流洞安全性要求，确定采用两级洞塞方案。通过模型试验对两种方案的流态及压力进行了详细研究，研究成果为工程设计提供基础资料。

1 导流洞改建体型及计算方案

5号导流洞由进口段、闸室段及明流段组成，其中进口体型由喇叭口段、井前渐变段、封堵闸门段、井后渐变段、泄水孔段等组成。导流洞进口底高程830 m，前缘顶高程852 m，喇叭口段顶面为椭圆曲线。导流洞在距洞口33 m处通过井前渐变段分为左、右两个半孔。左、右半孔底板高程830 m，在距洞口103 m处，左、右半孔逐渐合并为一个整孔，后接井后渐变段、泄水孔直线段，各部位具体尺寸见图1(a)。

根据前期研究成果，确定了不设洞塞、单级洞塞(单孔、双孔)、两级洞塞(四孔)及修改方案五种方案，并在库水位840 m～890 m条件下进行了三维数值计算。其中单级洞塞(单孔)方案在不设洞塞基础上设置6.0 m×6.0 m×6.0 m过水孔；单级洞塞(双孔)方案设置两个6.0 m×3.0 m×6.0 m过水孔；两级洞塞(四孔)方案设置两级洞塞，第一级洞塞设置两个6.0 m×3.0 m×6.0 m过水孔，第二级洞塞在导流洞闸门井后左右孔分别设置4.0 m×3.0 m×5.5 m的过水孔；两级洞塞(四孔)延长方案是在两级洞塞(四孔)基础上增加了第二级洞塞与泄水孔进口之间的长度15 m，以增加二级洞塞后的水体消能体积，各方案洞塞具体尺寸见图1。

图1 导流洞改建体型计算方案(单位：m)

2 数学模型及计算成果

2.1 基本方程及紊流模型

采用连续性方程和雷诺平均N-S方程描述导流洞三维水流运动，并采用RNGk-ε紊流模型使方程闭合计算，与标准紊流模型相比，RNGk-ε紊流模型引入了可变系数以保证在时均应变率很大的情况下计算结果的可实现性，在计算较大速度梯度流场时具有更高的精度[18-21]，基本方程如下：

(1) 连续性方程：

(1)

(2) 动量方程：

(2)

(3) 紊流模型k方程及ε方程：

(3)

(4)

2.2 边界条件及网格划分

三维模型的进口采用静水压力边界(库水位)，其它与大气相通区域采用压力入口边界，壁面采用无滑移壁面边界，出口采用压力出口边界，具体设置见图2。

图2 三维模型及边界条件

采用非结构化与结构化网格相结合的方式对计算区域进行网格划分，结构简单区域，采用结构网格划分，结构存在曲面区域，采用非结构网格划分，闸门段流态较为紊流，将此区域进行比较细密地划分，计算模型的网格数达到230万个。

2.3 基本方程求解及验证

采用VOF方法实现自由水面的追踪，采用有限体积法对控制方程进行离散。采用PISO算法解决速度和压力耦合问题，该算法计算速度较快，总体效率比较高，对于瞬态问题，算法有明显的优势。

尹则高等人采用相同的三维数值模拟方法开展了类似的洞塞消能的研究工作，三维数值计算结果与模型试验吻合良好[9,22-23]。与此同时，为验证数值计算结果的准确性，本文将不设洞塞方案的数值模拟流量值与模型试验流量值进行了对比，见图3。可以看出，计算结果与试验数据吻合较好，泄流量的最大误差在3%以内。对比结果表明本文选择的紊流模型合理，计算结果可靠[24]。

图3 五种方案水位-泄流量关系曲线对比

2.4 数值模拟计算成果

乌东德水电站5号导流洞改建体型的运用水位在830 m～890 m之间，针对五种方案每隔10 m水位计算1组导流洞水力特性。

五种计算方案的泄流能力曲线对比见图3。泄流能力随库水位上升而增大，同一水位条件下，无洞塞方案泄流量最大，单级洞塞(双孔)方案泄流量较单孔方案大10 m3/s左右，为无洞塞方案的0.7倍。两级洞塞(四孔)方案泄流量较修改方案小8 m3/s左右，为无洞塞方案的0.61倍。

水库水位H=840 m～890 m，不设洞塞方案泄水孔出口的最大流速在12 m/s～34 m/s之间；单级洞塞方案泄水孔出口处的最大流速在10 m/s～24 m/s之间；两级洞塞(四孔)方案泄水孔出口处的最大流速在9 m/s～22 m/s。单级洞塞(单孔)方案洞塞出口水流直接冲击闸门段中隔墩，与双孔方案相比水流条件略差，根据生态流量及导流洞安全性的要求，确定采用过流量更小的两级洞塞方案。

3 模型试验成果分析

3.1 物理模型及压力测点分布

考虑到数值模拟技术不能完全反映水流特性，采用模型试验对两级洞塞体型进行研究，主要观测流态和测试关键部位的压力。模型按重力相似准则设计，比尺为1∶25，采用有机玻璃制作。

导流洞进口洞塞区域及泄水孔段进口部位分别布置37个时均压力测点(1#—37#)和13个脉动压力测点(P1—P13)。其中一、二级洞塞侧壁、顶板及洞塞上下游面等部位共布置了21个时均压力测点。中墩头部、泄水孔进口侧壁、顶板等部位共布置了16个时均压力测点，具体测点见图4。

图4 导流洞进口段压力测点分布示意图

3.2 泄流能力及流态

两级(四孔)洞塞与延长方案的泄流能力相当，与数值模拟的计算误差在3%以内。水库水位H<850 m时，导流洞进口闸门段水流为明流。H=860 m时，两级洞塞之间区域为满流，水流出二级洞塞后进入突扩段，并在此区域形成一个较大的回流区，回流区水流为明流，水流内出现大量气泡，随水流进入泄水孔段，门井水位波动剧烈。随着上游水位升高至870 m，二级洞塞后突扩段呈明满流过渡状态，此时突扩段前端(中墩下游末端附近区域)形成较大空腔，水流紊动增大、带气现象明显增强。上游水位升高至880 m时，突扩段前端气囊逐渐消失，此时隧洞内基本为满流状态，水流中少量气泡在左、右孔之间来回移动，不同水位条件下两种方案的流态相似。

3.3 时均压力分布

两种洞塞方案各测点时均压力见图5、图6。泄水孔前侧壁圆弧末端的30#测点压力随上游水位升高而降低，其余测点的时均压力随上游水位的升高而增大，两个方案洞塞处及泄水段进口的压力值及变化规律基本相似。

一、二级洞塞进口前缘处压力迅速下降，洞塞内壁面的压力沿水流方向逐渐增大，表明水流在洞塞进口壁面有分离(一级洞塞2#—4#测点，二级洞塞13#—15#测点)。一、二级洞塞上下游面压力差随上游水位的升高而增加，H=890 m时，二级洞塞上下游面压力差值最大约为27.37×9.8 kPa。

泄水孔进口侧壁及顶板曲线段存在压力跌落，其后压力回升，形成逆压分布，压力跌落及其后的逆压梯度均较大。侧壁沿程最小压力出现在圆弧末端30#测点，H=890 m时，30#测点压力值为-0.06×9.8 kPa(延长方案)，其后压力迅速回升，至31#测点压力值为7.6×9.8 kPa。

图5 导流洞进口段时均压力分布(两级洞塞方案)

图6 导流洞进口段时均压力分布(两级洞塞延长方案)

3.4 脉动压力分布

模型试验对两级洞塞侧壁及突扩段顶板、改建堵头段进口侧壁及顶板进行了脉动压力测量。典型测点的脉动压力随时间分布见图7。

图7 部分测点脉动压力分布(两级洞塞延长方案)

不同水位条件下，延长方案侧壁进口处测点P1脉动较大，瞬时压力出现负压，且随着上游水位升高，测点压力脉动明显增强，瞬时压力达到极限负压(-10×9.8 kPa)；泄水孔段侧壁圆弧中点(P9)及圆弧末端(P10)压力较低，瞬时压力出现负压，且随上游水位升高，瞬时压力达到极限负压(-10×9.8 kPa)，压力脉动也较大；泄水孔段顶板测点(P11及P12)压力变化规律基本与侧壁相同。H=890 m，测点P11及P12瞬时压力最低分别为-2.53×9.8 kPa和-2.65×9.8 kPa，脉动压力标准差分别为2.69×9.8 kPa和1.31×9.8 kPa。两个方案的二级洞塞及泄水段进口的脉动压力特性基本相似，但部分工况下，原方案部分测点瞬时负压及压力脉动较延长方案有所增大。

二级洞塞及泄水段进口处测点均出现了较低的瞬时压力和较大的压力脉动，产生水流空化的可能性较大，须注意防空蚀措施。

4 结论及建议

采用三维数值模拟技术对四种洞塞布置方案的泄流能力进行了计算分析，并根据生态流量及导流洞安全性的要求确定工程采用两级洞塞方案。采用物理模型试验对两种两级洞塞方案的流态及压力研究。结果表明：随着水位的增加，两种改建体型的导流洞有压段流态均从明流向满流转变，并在闸门段出现不稳定气囊，随着水位增加，气囊逐渐变小直至消失。两种方案的时均压力值及分布规律相似，脉动压力均波动剧烈且部分测点达到负压极值，延长方案泄水孔进口处脉动压力峰值略小。为保证工程蓄水安全，建议在改建施工过程中，严格控制施工质量，在闸门段顶部设置通气孔，达到快速排出空腔气体的目的。对两级洞塞段及泄水孔进口部位的负压区域进行抗蚀材料保护。在导流洞运行过程中进行原型监测，为工程实时调度提供科学依据。