河湾水电站消力池T型墩体型优化数值模拟研究

高兴辉

（喀左县水利局，辽宁朝阳122300）

1 工程背景

河湾水电站属于典型的河道式径流电站，坝址位于辽宁丹东凤城市汤山城镇河湾村境内的爱河干流上，主要由混凝土重力坝、电站及附属水工建筑构成，装机总容量为750 MW[1]。河湾水电站为河道型水库，按照百年一遇洪水设计、千年一遇洪水标准校核，水库的正常蓄水位为602.0 m，对应的库容为843 万m3，校核洪水位为604.5 m。水库大坝为碾压混凝土重力坝，坝轴线长231 m，坝顶宽8.0 m，坝基高程574.0 m，坝顶高程603.5 m，最大坝高29.5 m。

河湾水电站的溢流坝段主要由进口段、控制段、泄槽段、消力池段及出水渠段五部分组成，设计洪水流量为570 m3/s，校核洪水流量为1 057 m3/s。在水利水电工程施工过程中，泄流建筑物中的高速水流往往蕴含着较大的动能，不仅会威胁泄水建筑物本身的安全，还会对下游的河道和河床造成显著的空蚀和冲刷破坏[2]。显然，仅凭消力池实现下泻水流的消能，需要较大的设计深度，进而大幅增加施工难度和成本。因此，设计辅助消能工就显得尤为重要。其中，T 型宽尾墩-消力池联合消能工是一种新型综合消能工，而河湾水电站的消能设施也采用了这种消能方式[3]。但是，目前关于T型墩的研究主要集中于矩形形状，在结构改进和布置形式方面尚缺乏新的研究成果[4]。基于此，此次研究以河湾水电站消能工为例，进行消力池T型墩体型优化数值模拟研究，力求为相关工程设计提供理论和实践借鉴。

2 有限元计算模型的构建

2.1 软件选择

FLUENT 是一种利用C 语言编写的大型通用有限元软件，可以对复杂几何区域的流体运动及热传导问题进行精确模拟，允许用户结合实际情况对计算网格进行整体或局部上的修改，同时该软件还具备自适应特点，可以在较大梯度的流动区域对流体流动进行精确模拟[5]。FLUENT还支持各种网格生成软件包，并与其具有较好的相容性[6]。鉴于FLUENT软件的优势和特点，以及此次研究需要对多种不同设计方案进行计算分析的实际需求，选择FLUENT软件进行有限元模型的构建。

2.2 模型的构建

根据模拟研究的实际需求，结合相关的研究成果和经验，确定有限元模型的模拟范围为进口段上游库区150.0 m 至出水渠下游217.0 m[7]。以河湾水电站大坝初始设计资料为依据，利用CAD软件进行模拟区域的几何模型构建，然后进行疏密程度相当的结构化网格划分，所有网格均采用六面体结构化网格。鉴于消力池T 型墩和闸墩进口区域的水流状态十分复杂，对上述两个区域进行适当地加密处理。整个有限元模型被划分为612 870 个网格单元和756 578 个计算节点。鉴于模型的网格单元划分已经可以保证模拟计算的精度，因此没有对水气边界部位进行加密处理[8]。

2.3 模型的边界条件

模型的泄槽段、消力池底板、边墙及T 型墩设置为固壁边界条件；模型的进口主要包括气体入口和水入口两大部分。其中，水流入口为上游断面，采用速度进口条件，即根据水库的上游水位高度和单宽流量确定入口流速，气体边界采用压力边界条件，边界处的压力为大气压设置。模型的出口为自由边界条件，整个模型的上部均为压力出口条件，给定大气压。为了提高模拟计算的精度，将上游水库水位线以下部位全部充满水，而水面以上的区域全部充满空气。在模拟研究过程中，采用k-ε紊流模型和VOF模型相结合的方式进行消能工的数值模拟，获得泄水过程中的水力特征分布规律，并进行T型墩体型结构和位置的优化。其中，模型的自由水面利用VOF 法计算获取，方程的离散采用有限体积法，并利用PISO 算法对模型的速度及水面线进行必要的耦合计算。

3 模拟结果与分析

3.1 消力板的影响结果分析

为了研究消力板对T型墩消能工消能效果的影响，研究中在无消能板的原始设计方案基础上，在T型墩的两个迎水面全部设置消力板。消力板与T型墩的前墩固定在一起的部分应按水流方向防线安装凸起的部分，后部则与T型墩的前墩相连，扩展部分设计为40°的倾斜角度，厚度为前墩高度的1/4，即1.0 m。

对构建的三维有限元模型进行局部调整，获得添加消力板方案的有限元模型，对有无消力板两种工况下的泄水结构水力特征进行计算，获得水跃高度和消能率与泄流量之间的关系，结果如表1 所示。由表1 中的计算结果可知，在所有的情况下，设置消力板可以显著降低水跃高度，同时提高消能工的消能率。因此，设置消力板可以提高消能效果，建议在工程设计中采用。

表1 有无消力板消能特征计算结果

3.2 T 型墩位置影响的计算结果与分析

鉴于T 型墩的支腿长度与消力池的池长、前墩边缘与消力池进水口的距离及前趾长度之间具有线性关系，因此研究中以支腿长度作为T 型墩位置的主要表征量，结合工程的设计资料，在添加消能板设计方案的基础上，提出11，13，15 m 等3种不同的支腿长度，并结合不同支腿长度对构建的有限元模型进行局部调整，获得与计算方案相对应的有限元模型，然后对不同泄流量水平下的消能率进行模拟计算，结果如图1 所示。由图1 可知，在各种泄流量水平下，支腿长11 m 时的消能率最低；当泄流量较大，接近校核流量时，支腿长13 m 时的消能率最大；当泄流量相对较小，接近设计流量时，支腿长15 m 时的消能率最大。虽然东北地区的水利工程一般会处于小水状态，但是受当地气候特征的影响，也不排除出现较大洪峰的可能性，因此，水利工程设计必须要将安全放在突出地位。同时，减小支腿长度还有利于降低施工成本，所以12 m 的支腿长度应该为消能效果最佳的设计方案。

图1 不同支腿长度消能率随泄流量变化曲线

3.3 T 型墩墩型影响的计算结果与分析

目前的T 型墩墩型设计均为矩形形状，分析认为其他形状的墩型或许可以取得更好的消能效果。基于此猜想，在已确认的最优位置的前提下，结合T 型墩前墩和后墩的不同型式设计，获得如表2 所示的墩型计算方案表。

表2 不同墩型设计表

通过局部调整获得针对不同墩型的有限元模型，通过模拟计算获得不同墩型、不同流量水平下的消能率，结果如图2 所示。由图2 可知，各墩型消能率随泄流量的变化规律基本一致，均为先增大后减小：在流量低于800 m3/s 的情况下，消能率随着泄流量的增加而增大，当流量高于800 m3/s 的情况下，消能率随着泄流量的增加而减小。对比不同墩型，6 种T 型墩型式按照消能率的大小排列顺序为：墩型6，2，5，1，4，3。由此可见，无论在何种泄流量水平下，墩型6 的消能效果均为最佳，为推荐墩型设计。该墩型的前墩迎水面为弧形，可以有效改善该部位的水流流态，并在凹陷部位形成絮流，消减一部分水流能量；梯形的支腿可以使尾坎的横截面积增大，显著增加了阻水作用，因此消减的能量也明显增加。上述两方面的作用，使墩型6 获得了较高的消能率。

4 结论

此次研究以河湾水电站为工程背景，利用数值模拟的方法对T 型墩的体型设计对消能效果的影响进行模拟计算研究：1）设置消力板可以提高消能效果，建议在工程设计中采用；2）通过模拟计算，综合考虑水利工程的安全性和工程成本，建议支腿长度设计为12 m；3）采用前墩梯形、后墩弧形的T 型墩墩型消能率最高，可以获得最佳消能效果，建议在工程设计中采用。