石桥水电站溢洪道进口体型优化设计研究

朱少楠

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳110000）

1 研究背景

石桥水电站是一座以发电为主，兼有防洪、养殖、旅游等功能的综合性小型径流式水电站，坝址位于辽宁丹东凤城市的爱河下游干流上，属于爱河水力资源梯级开发的重要规划工程[1]。根据相关工程规划，石桥水电站的设计库容3 664 万m3，装机容量9 600 kW[2]，电站大坝为混凝土重力坝设计，最大坝高为34.35 m，坝顶宽7.00 m，坡比为1∶0.7。

电站采用的表孔溢洪道设计，总长度为113.62 m，主要由引渠段、控制段、圆弧段、斜坡段、反弧段和挑坎段组成，其中，引渠段长度为31.49 m，底板高程为321.50 m，控制段长度为30.00 m，顶高程为342.20 m，圆弧段采用的是WES 堰型设计，堰宽12.00 m，堰顶高程为325.00 m，泄槽段和反弧段的侧墙高为12.00 m，反弧段半径为38.726 m，挑坎段的挑流鼻坎宽度为12.00 m，反弧段的半径为25.50 m，挑角32.20°。由于溢洪道进口的部分部位存在风化岩层，地质条件不够理想，在进口设计过程中，采取两端不对称的形态，以避开风化不稳定的部位。其中，进口的左侧为高导流墙设计，长25.00 m、高3.00 m；右侧为依附山体，长35.00 m，高10.00 m，坡度为1∶0.5 的倾斜边墙设计。

2 进口导流墙优化设计方案

由于水电站泄洪过程中，行进中的水头由低到高以一定的进水角进入溢洪道进口，可能会产生比较大的环流量，产生吸气漩涡的可能性比较大[3]。由于来水水流的分布并不均匀，同时受到不规则进口边界的影响，导流墙并不能充分发挥应有的导流作用，因此水流容易发生大角度的扰流作用，进而造成控制段两岸的水体分布极不均匀，对溢洪道的整体流态分布造成直接影响[4]。基于上述分析，结合电站溢洪道进口的实际情况，提出如下优化设计方案：利用与溢洪道纵轴平行的2道平直导流墙代替原方案中的喇叭口翼墙，直墙的高度设定为13.60 m，长度为20.00 m，在进口的外侧2.00 m 的部位设置2 道平行的直墙，顶部为直径1.80 m 的半圆柱设计，以减小水流在此处的爬高，起到改善收缩效应的作用。为了验证优化方案的合理性和有效性，研究中通过数值模拟的方式对原设计方案和优化设计方案条件下的水力特征进行模拟计算。

3 优化方案的数值模拟分析

3.1 三维计算模型的构建

结合ANSYS 软件的优势和研究对象的特征，此次模拟分析选用ANSYS 软件进行计算模型的构建。针对研究的实际需求，利用非结构网格对模拟计算区域进行网格划分[5]，对引渠段和溢洪道沿程的底板以及导流墙部位进行加密处理，最终获得网格数量为76万左右，模型尺寸在2 ～100 cm之间，原方案和优化方案进口部位的网格划分示意图如图1所示。

图1 进口网格划分示意图

计算过程中，导流墙、引渠段以及溢洪道底板设定为无滑移固壁边界条件，利用标准壁面函数处理边界层的流动；上游进口设计为压力进口条件，以校核水位条件下的平均流速作为进口部位的初始条件；下游挑流出口设置为压力出口条件，无需控制出口水位条件[6]。

研究中利用RNGk-ε模型对溢洪道进口湍流进行模拟，利用有限体积法对控制方程进行离散[7]。研究中，利用非稳态计算方法进行研究区域内的动态模型计算，时间步长设定为0.001 s，以保证计算结果收敛；在流动基本趋于稳定之后，逐步将计算步长调整为0.050 s，以提高计算的效率。在迭代计算至模型进出口的流量误差小于5%时，认为计算达到稳定状态。

3.2 模拟计算结果与分析

3.2.1 进口流态

利用构建的数值计算模型对2 种方案溢洪道进口的流态进行模拟计算。由计算结果可知，在原设计方案条件下，溢洪道引渠段两侧的来流存在十分明显的不均匀现象，由于两岸的导流墙设计形态不同，右侧导流墙为靠近山体的倾斜平板结构，因此入口区域的流速分布明显不均匀，同时受进口地形以及横向水流等因素的综合影响，水流难以平顺进入闸室内。此外，在原设计方案条件下，存在面积比较大的旋滚水流雍高区域，水流明显向左边墙部位集中，造成水流脱离固体边界产生水流分离区，产生了宽度大约为13 m 的漩涡。由此可见，原设计方案的水流流态极不稳定，极易引发建筑结构的振动，进而威胁到水工建筑物的安全。

优化方案条件下，原方案下库区水流的紊乱流态有一定的改善，水流的滚漩和漩涡基本消失。同时，进口的导流墙发挥一定的阻水作用，水流在靠近左岸边墙时产生了一定的回流现象，但是对整体流态的影响相对较小。总体而言，下泻水流的流线分布比较均匀，进口流态得到显著改善，优化效果十分明显。

3.2.2 沿程水位

利用构建的模型对原方案和优化设计方案的沿程水位进行计算，根据计算结果绘制出如图2所示的沿程水位线图。

由图2（a）可知，在原设计方案条件下，水流流态不佳，水位沿程呈现出比较明显的波动起伏特征，在控制段至圆弧段，溢洪道左岸水位呈现出明显的雍高，两岸水位差最大值为2.01 m，水面横比降达到0.18。溢洪道斜坡段以下部位逐渐转换为左边低右边高的态势，但是水面线分布不均的情况仍存在。原方案条件下的水位沿程分布特征不理想。

由图2（b）可知，在优化方案条件下，由于改进后的导流墙对引渠段的水流紊动作用产生了明显的限制作用，对下泻水流的疏导更为有利，沿程水位分布的均匀度明显提高，特别是控制段至圆弧段，溢洪道左右两岸的沿程水位分布较均匀，圆弧段的水位超高最大值为0.76 m，挑流消能段的水体波动虽然有所加大，但是幅度明显偏小，符合水位设计要求。

3.2.3 堰面压强

利用构建的模型对堰面压强水头进行计算，各主要测点的压强水头如表1 所示。由计算结果可知，底板的圆弧段压强较小，在泄槽和挑坎段明显增大。其中，圆弧段存在比较明显的负压，可能会诱发水流空化，不利于底板结构的稳定。在优化方案条件下，沿程压强的峰值分别出现在WES堰面部位和下游的挑流消能部位，圆弧段部分区域仍存在负压，但是负压值极小，不会对水工结构产生明显影响。由此可见，优化方案在减小底板压强的峰值和圆弧段负压方面存在明显的作用，优化效果良好。

图2 沿程水位线

4 结语

此次研究通过数值模拟的方法对石桥水电站对非对称来流条件下的溢洪道进口体型进行优化，验证结果显示优化设计方案对改善溢洪道水力特征具有显著作用，可以对溢洪道的工程设计提供有益的支持，研究方法本身对相关类似工程的优化设计也有一定的借鉴价值。另一方面，此次研究没有考虑导流墙附近的脉动压力，对计算结果存在一定的影响，在今后的研究中，需要进一步完善研究机理，提高研究结果的准确度。

表1 各测点压强水头m