燕尾坎%2B水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究.pdf
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1、 四 川 水 利燕尾坎水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究李金键龚汉忠邹君韬马旭东杨 庆(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都 四川大学水利水电学院成都 长江勘测规划设计研究有限责任公司重庆分公司重庆)【摘 要】在抗冲流速小、水头高、流量大、水深浅的狭窄河道中采用挑流消能时由于河床冲坑深两岸坡防护难度大采用人工开挖水垫塘来减少冲刷可确保岸坡安全和节省工程投资 文章依托某具体实际工程通过 紊流模型对不同挑坎体型下的挑流特性进行分析对比分析不同挑坎体型下的水舌形态、落点、水垫塘内紊动能耗散率和底板冲击压强等水力特性 得出在兼顾水垫塘冲击压强和二道坝出流衔接平稳的前提下尽可能增加挑流水体
2、与水垫之间的剪切面积来增强水垫塘消能率 结果表明燕尾坎水垫塘方案适用于水头高、抗冲流速小的狭窄河道可为类似工程提供参考【关键词】泄洪洞 水垫塘 燕尾型挑坎 泥岩地基 中图分类号:文献标志码:文章编号:()引言位于窄深河谷中已建和在建的高水头、大流量水电工程(如乌东德、溪洛渡、白鹤滩等)泄洪消能和防冲问题突出工程上常常在下游修建二道坝及混凝土衬砌的水垫塘对高拱坝下跌水流进行消能 以保证大坝及下游建筑物的安全稳定 乌东德水电站泄洪消能建筑物具有规模大、布置难度高挖除覆盖层后坝址消能区天然水垫深厚等特点通过坝身布置挑跌流孔口坝下设置“护岸不护底”的水垫塘进行消能泄洪期间能够安全稳定运行 拉西瓦水电站
3、水垫塘具有容积较小水深较浅的特点经研究及工程实践表明反拱水垫塘更适用于河谷狭窄、岸坡陡峻、坡脚地应力较高的地形地质条件以及冲击动水压力大、入塘水舌难以形成充分扩散水力条件的高拱坝泄洪消能目前对于基岩抗冲流速小、天然水深浅的狭窄河道通过设置水垫塘进行泄洪洞泄洪消能的研究较少 本文采用 建模使用 数值模拟软件对比不同体型下燕尾坎水垫塘组合消能工的消能效果 工程概况某水利工程泄洪洞全长 采用 实用堰泄洪洞长 洞宽 采用挑流消能 校核洪水流量为 /校核水位为 对应下游水位为 天然水深 设计洪水流量为 /设计水位为 对应下游水位为 天然水深 消能防冲洪水流量 /对应下游水位为 天然水深 泄洪洞出口下游河
4、谷狭窄呈“”形河床基岩主要为泥岩及泥质粉砂岩基岩层抗冲流速为 /挑流消能布置方案见图 由模型试验得泄洪洞出口采用挑流消能时下游河床两岸冲坑深度大两岸防护难度高故采用人工开挖水垫塘来减少冲刷以保障岸坡安全和节省工程投资基金项目:科技部国家重点研发计划()*通讯作者李金键龚汉忠邹君韬马旭东杨 庆:燕尾坎水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究 图 泄洪洞布置 数值模拟 模模拟拟方方法法及及可可靠靠性性验验证证数值模拟方法基于(流体体积法)单相流模型和 方法模拟模型的水流特性使用隐式压力求解器应用 方法求解离散方程 控制方程包含:不可压缩流体湍流状态的连续性方程、动量方程、重整化紊动能耗散率方程及追踪流体
5、自由表面的流体体积函数 的输运方程连续性方程:动量方程:()方程:/()()流体体积函数 的输运方程:()()()式中为平均速度为平均压力、分别为运动粘滞系数和紊流运动粘滞系数对于高雷诺数 分别为湍动能产 生 项 和 平 均 应 变 率 张 量 ()/()()经验常数值 分别为湍动能 和耗散率 对应的 数为保证数值计算的可靠性本文在工程设计体型下将消能工况流量下的水面线数据与实测数据进行对比图 为泄洪洞泄槽段及消能段的沿程水深示意数值模拟的沿程水深与实测值误差在 之内认为选取的紊流模型、网格密度合理数值模拟结果可靠图 沿程水深对比(/)四 川 水 利 计计算算体体型型及及网网格格划划分分数值模
6、拟体型根据泄洪洞与水垫塘衔接体型的不同分为三种 体型一为自由跌流体型二及体型三泄洪洞出口分别设置挑角为 及 的对称燕尾坎燕尾坎入口部位缺口的宽度为 出口宽 左右两侧留置的挑坎宽度为 具体体型见图()体型一布置()体型二布置()体型三布置图 体型布置按原型 建立三种体型的几何实体模型模拟范围从实用堰进口断面至水垫塘出口 计算区域网格全部使用结构化正交网格划分计算网格总数约为 万上游为压力边界在给定流量下通过物理模型试验实测得到对应上游水深下游为自由出流壁面为无滑移壁面 模型分块及网格划分见图 图 模型及网格划分 水力特性分析 水水垫垫塘塘流流态态及及水水舌舌形形态态大量实验表明水垫塘内的典型流态
7、为斜向淹没冲击射流和淹没水跃的混合流态消能工况下体型一出流水舌斜向对冲水垫塘水舌落点集中入流水舌会迅速下潜至水垫塘底部对水垫塘底板产生巨大的冲击压力并在尾坎部位上涌形成大的表面旋滚区具有明显的淹没水跃特征体型二相比于体型一增设燕尾坎之后水舌纵向拉伸明显水舌落点范围增大泄洪洞与水垫塘之间的衔接流态显著改善体型三减小燕尾坎出口挑角调整水舌落点位置使水垫塘中后段流态进一步改善水流平顺 体型二相比于体型三挑坎半径更小流量集中于燕尾坎缺口处由于边墙与中部临空面造成的压力差使水舌近点相较体型一更近同时流经燕尾坎两侧的流量较少水舌落点平面呈现“”字形 体型三燕尾坎与燕尾坎缺口处过流分布均匀水舌落点平面呈现“
8、”字形 落点平面示意见图 水舌落点及特征值示意见图、图 水舌落点分布范围及形态特性见表 可知当流量增大时各个体型挑射距离均有增大 在泄洪洞出口增加燕尾坎后水舌沿纵向拉伸明显水舌落水面积与水垫接触交界线周长都显著增大体型二相较体型一落水面积增大 接李金键龚汉忠邹君韬马旭东杨 庆:燕尾坎水垫塘组合消能工的挑坎体型优化研究 触周长增加 体型三相较体型一落水面积增大 接触周长增加 ()体型一流态()体型二流态()体型三流态图 /流态对比 图 /水舌平面落点对比图 水舌特性示意 表 水舌特性统计体型水舌近点()水舌远点()周长()特征水舌厚度()面积()体型一 体型二 体型三 紊紊动动能能耗耗散散率率分
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