导流洞改建泄洪洞梯级内消能工模型试验研究

卞 旭

(江西省水利水电建设有限公司，江西 南昌 330200)

1 工程背景

某水电站是一座以发电为主，兼具其他功能的小型径流式水电站。其设计库容为1800万m3，装机总容量为22400kW。水电站主要由混凝土重力坝、溢流坝、导流泄洪洞、引水系统和电站厂房构成。其中，导流泄洪洞位于大坝右岸山体中，在工程建设期间担负导流任务，最大导流流量为183m3/s，在工程建成运行期间承担泄洪和放空任务，设计洪水流量为360.13m3/s，校核洪水流量为1167.78m3/s。

消能设计是导流洞改建为泄洪洞的重要内容，同时也是影响工程安全的重要方面。目前，导流泄洪洞的消能方式主要有洞内消能和洞外消能两种[1]。其中，洞外消能主要有挑流消能和消力池底流消能等形式，虽然工程量不大，但是容易在下游造成比较大的冲坑，不利于泄水建筑物的整体安全。洞内消能主要是通过洞内体型设计，使水流通过旋转或突变实现消能，具有消能率高、体型布置灵活的优势[2- 4]。但是，某水电站水头高度较大，如果采用单一的内消能方式，会出现洞内流速过大、消能率不足的问题。基于此，文章基于分级消能思路，提出射流-旋流梯级内消能工，并通过数值模拟的方式验证其合理性和可行性。

2 射流-旋流梯级内消能工

根据西安理工大学邓淯宸等的研究成果[5]，结合该水电站的工程实际，提出射流-旋流梯级内消能工的分级消能工程设计思路。整个消能工由射流段、竖井段和旋流洞段三大部分组成，具体的工程设计示意图如图1所示。

图1 射流-旋流梯级内消能工体型设计示意图

射流段的体型设计主要包括进水口、收缩段和消能段三部分[4]。其中，进水口的洞径按照校核洪水条件下的流量和流速进行计算，并设计一定的冗余量，最后确定为9.6m；进水口的曲线为顶面和两面收缩的椭圆曲线设计，长轴和短轴长分别为9.6m和3.2m。收缩段是射流段的设计核心，其体型对消能率和水流流态有着重要影响。通过对比各种不同体型，最终选定收缩阻塞体型；收缩段的收缩比按0.435计算，孔口直径为6.3m，收缩段的长度为7.8m。消能段的长度按照洞径的5倍计算，最终选定为60.0m。

竖井段是上游的射流消能段和下游的旋流消能段之间的连接段，其体型设计也十分重要。根据设计泄洪流量计算，竖井段的直径设计为14m，长度为108m。收缩后的直径为9.6m，收缩段长度设计为4.2m。

旋流洞段主要由旋流段、阻塞段、扩散段及退水洞段四部分组成，退水洞段即原来的导流洞。其中，旋流段的洞径设计为10.8m。阻塞段的主要作用是增压减速，防止在与起旋器交接的部位出现负压，该段的设计长度为10.2m，孔径为3.75m。扩散段以及退水洞段均按照无压隧洞设计。起旋器的进口直径设计为5.7m，采用1/4椭圆曲线与旋流洞相切连接，另一侧与竖井段偏心相交，其偏心距离设定为4.1m。在旋流段上方设有通气孔，主要作用是对水流掺气，避免水流的空化和空蚀破坏。通气孔的直径设计为3.2m，通气孔的位置为偏心设计，距离旋流洞中心1.08m。排气孔的作用是排除扩散段和退水洞水流中的空气，共设计有5个排气孔，前4个排气孔的间距为12m，第4个与最后一个的间距为15m，总间距为51m。

3 消能效果的试验研究

3.1 实验设计

水力学问题往往比较复杂，影响因素众多，采用物理模型试验的方法进行研究和分析，对解决相关问题具有重要的帮助[5]。因此，研究中通过物理模型试验的方式对提出的射流-旋流梯级内消能工的消能效果进行分析和验证。鉴于本次研究的水流主要受到自身重力作用的影响，且流态主要位于阻力平方区，因此采用重力相似性准则进行模拟。结合研究的实际条件，采用1∶60的几何比尺进行模型制作[6]。鉴于原型混凝土和有机玻璃的糙率分别为0.015和0.016，采用有机玻璃作为制作材料，不仅可以更好地拟合原型的糙率，还方便观测水流的流态[7]。

模型试验中的压强采用压力传感器进行测量，测量数据可以通过多功能检测系统记录合格存储[8]。压强测点主要设置在消能装置的射流段、起旋器以及旋流洞段，共设置测压点185个。试验中的流速采用KY- 1流速仪进行测量，共设置了19个流速测量断面。由于本次研究中的设计流量小于0.1m3/s，因此采用薄壁三角堰进行测量。旋流角的大小利用量角器测量，鉴于旋流洞内存在十分强烈的紊动效应，应取多次测量的均值，以减小测量误差。

3.2 试验结果与分析

3.2.1流速试验结果与分析

根据模型试验过程中获得的数据，整理获得如图2和图3所示的射流消能段和旋流消能段的流速矢量分布图。由图2、图3可知，射流消能段进口部位的流速分布比较有规律，进入射流消能洞之后在前端洞壁两侧部位形成了一些小尺度的漩涡和回流。在尾水段，水流的流速开始减小并按照流速方向波动进入竖井。射流段的流速在20～21m/s之间，最大流速为24m/s，射流段的流速梯度较大，是射流消能的主体部分。在旋流段，水流形成了一定的漩涡，且漩涡会随着气水的扩散而发展[9- 10]。

图2 射流消能段流速矢量图

图3 旋流消能段流速矢量图

3.2.2壁面压强试验结果与分析

利用壁面压强的试验结果，绘制出如图4和图5所示的射流段和旋流段的壁面压强分布图。由图4、图5可知，射流段的压强最小值一般为440～490kPa，且均位于射流段的顶部；旋流段的下空腔部位存在一定的负压，空腔与水流交接部位之后的壁面压强迅速增加，同时上壁面的压强略小于下壁面的压强，说明重力对该段的壁面压强的影响比较有限。

图4 射流消能段壁面压强分布图

图5 旋流消能段壁面压强分布图

3.2.3紊动能试验结果与分析

利用试验中获取的数据，对模型各段的紊动能进行计算，根据计算结果获得如图6和图7所示的紊动能云图。由图6、图7可知，在射流消能段，进口的紊动能强度较小，射流主流和洞内水体的交汇部位的紊动能最大，最大值达到了12.1m2/s2，说明该部位的水流紊动作用最为强烈，是消能的主要部分。同时，随着水流向下游流动，水流的紊动能逐渐减小，在水流到达尾水段部位时，紊动能基本保持稳定。从旋流消能段来看，其紊动能基本在1.3～9.2m2/s2之间变动，其最大值位于空腔与水流的交界部位，说明气水交界面部位的紊动作用最为强烈[11- 12]。

图6 射流消能段紊动能云图

图7 旋流消能段紊动能云图

3.2.4消能率计算结果与分析

根据试验获得的数据，对设计的射流-旋流梯级内消能工的总消能率进行计算，结果见表1。由计算结果可知，在不同工况下，消能工的总消能率在71.3%～82.3%之间，且上游水位越高，消能效果越明显。从消能率来看，文章设计的消能工具有良好的消能效果，建议在工程设计中采用。

表1 消能率计算结果

4 结论

(1)射流段和旋流段水流的流速梯度较大，是消能的主体部分，其余部分的流速比较稳定。

(2)从紊动能云图来看，射流段和旋流段水流的紊动能较大，是消能的主体部分，其余部分的紊动能较小，说明水流比较稳定。

(3)射流-旋流梯级内消能工的总消能率在71.3%至82.3%之间，且上游水位越高，消能效果越明显。从消能率来看，文章设计的消能工具有良好的消能效果，建议在工程设计中采用。