突扩比对跌扩型消力池消能特征的影响研究_王继东.pdf

突扩比对跌扩型消力池消能特征的影响研究王继东（建昌县水利事务服务中心，辽宁 葫芦岛 125300）摘 要跌扩式消力池的突扩比是影响消力池消能效果和工程量的重要指标，对其进行优化设计具有重要的意义和作用。基于此，文中以具体工程为例，利用数值模拟的方式探讨了突扩比对消力池临底流速、紊动能及消能率的影响，并获得了具体的影响规律，可为类似工程应用提供理论依据。关键词消力池；突扩比；消能率中图分类号 TV135.21文献标识码B文章编号 10020624（2023）040012020 引 言某水电站是一座以发电为主，兼有防洪、养殖、旅游等诸多功能的综合性水利工程。该工程主要由混凝土面板堆石坝、表孔溢洪道、泄洪洞、引水发电系统组成。工程的溢洪道全长160 m，主要由引渠段、闸室段、泄槽段、消力池和下游海漫段组成。为了防止挑流消能结构所产生的雾雨对下游发电厂房及两侧已有道路和建筑的影响，溢洪道泄槽段出口采用跌坎型底流消能结构。为了提高消力池的安全度，在溢洪道泄槽的末端设置突扩，以减小高速水流对消力池两侧边墙的冲击作用1。按照工程的初始设计，消力池顶端的宽度和泄槽宽度之比为1.5。跌扩型底流消能工的主要优势是增加了入池水流和消能水体，加大了池内水流的动能，有效增加了主流和两侧水体的摩擦和剪切2。同时，跌坎的存在使消力池内的水深显著增加，可以对入池水流起到缓冲作用，降低下泄水流的临底流速。此外，由于跌扩式消力池在进口处存在比例较大的横向突扩，因此，下泄水流在进入池内之后会发生流场形态的突变，特别是水流本身会脱离边壁形成漩涡，使池内流体结构形态十分复杂3。当然，池内流态的影响因素较多，其中突扩比无疑是影响最为显著的因素之一，因此，利用数值模拟的方式研究突扩比对消能特征的影响并获得其最佳值，具有十分重要的理论意义和工程价值。1 有限元计算模型1.1 模型的建立Flow-3D 是美国 Flow Science 公司研发的一款三维流体力学和传热分析商业软件，其功能强大、简单易用、适用性强，在流体动力学和传热学领域得到了广泛应用4。该软件的功能涵盖了几何模型导入、网格生成、边界条件定义、计算求解和后处理的全部流程，可以保证使用者迅速完成计算方案待结果输出过程。因此，此次研究选择Flow-3D软件进行背景工程计算模型的构建。此次模型试验的模拟范围包括溢洪道上下游原型河道，长675 m，涵盖上游库区200 m以内的地形及消力池下游100 m的天然河道。在Flow-3D软件中利用 FAVORTM方法能够实现网格和模型边界的良好拟合，在网格形式上采用结构式有限差分网格5。与 CFD 中常见的贴体网格相比，该软件使用的完全正交网格具有较高的计算效率和较小的数值累积误差，但是对具有复杂结构的研究对象，需要采用更精细的网格6。基于此，模型上游和下游采用0.500 m网格，跌坎和消力池等关键部位采用0.250 m的网格。整个计算模型划分为112 455个网格单元，120 678个节点。规划设计东北水利水电2023年第4期 12DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.0201.2 边界条件研究中利用Flow-3D软件的自动划分功能，确定各区块的边界条件。其中，模型的进水区设为压力进口，水面高程为不同计算工况下的上游和下游水位，设置压力值为0；模型的出水区面为压力边界条件，设置体积分数为1，设定压力值为0；模型的左侧和右侧边墙及底部设置为固壁边界条件；模型的顶部设置为压力边界条件，水利体积分数设置为0；模型的其余部位均设置为对称边界条件7。1.3 网格无关性验证在有限元模型计算过程中，模型网格尺寸是影响计算结果精度的重要因素8。同时，Flow-3D软件对网格尺寸的要求较高，因此需要进行网格无关性验证。验证过程中，分别采用1.000，0.500，0.250和0.125 m等4种不同的网格尺寸，对模型进行网格单元离散，并对设计工况下的模型尾水段流速与实测结果进行对比，计算出模拟结果误差，其变化曲线如图1所示。由图1可以看出，当网格单元尺寸为0.250 m时，其计算误差值为1.76%，已经小于2%的标准要求，虽然0.125 m的网格尺寸误差更小，但是计算量会大幅增加。综合考虑计算精度和计算量，将模型单元尺寸设置为0.250 m。图1 模拟误差变化曲线1.4 计算方案此次研究的主要目的是探索跌扩型消力池的突扩比对消力池消能效果的影响，结合背景工程现场的实际情况，确定1.2，1.3，1.4，1.5，1.6等5种不同大小的突扩比。为了计算不同突扩比对消力池消能效果的影响，保持模型的其他参数不变，对不同突扩比方案在工程的设计工况（工况1）和校核工况（工况2）下消力池的临底流速、紊动能及消能率进行计算，通过对比分析计算结果，获得最佳突扩比。2 计算结果与分析2.1 临底流速利用构建的有限元计算模型，对不同突扩比方案下的临底流速进行计算，从计算结果中提取中线、泄槽延长线及邻近边墙0.5 m线等3个关键部位的临底流速最大值，见表 1。从表 1 可以看出，不同突扩比方案下，临底流速的最大值存在比较显著的差异。具体来看，消力池中线和泄槽延长线的临底流速最大值随着突扩比的增大呈现出先减小后增大的变化特点，当突扩比为1.4时，上述两部位的临底流速值最小。临近边墙线由于受到回流等诸多因素的影响，其临底流速的最大值随着突扩比的增大呈现出不断减小的变化特点，且减小的速率也不断减小，当突扩比由1.2增大到1.4时，该部位的临底流速最大值减小较快；当突扩比由1.4增大到1.6时，该部位的临底流速最大值减小有限。总体来看，突扩比为1.4时对控制消力池临底流速的效果最佳，对提高消力池消能率最为有利。表1 临底流速最大值计算结果2.2 紊动能利用构建的有限元软件，对不同突扩比方案下的消力池紊动能分布进行模拟计算。跌扩式消力池的突扩会造成水流横向扩散，可以有效降低消力池中线部位的紊动能。因此，该部位的紊动能计算结果和分布规律可以作为方案优选的指标。从计算结果中提取出消力池中线部分关键点位的紊动能计算结果，见表2。从表2可以看出，中线部位的紊动能呈现出沿程不断下降的变化特点，紊动能最大的部位位于池首。从不同的突扩比方案来看，在中线相同部位，水流紊动能随着突扩比的增加呈现出先减小后小幅增大的变化特点，当突扩比为1.4时的水流紊动能最小，这对于改善池内水流流态具有重要意义。4681020.12500.2500.5001.000网格尺寸/m误差/%m/s突扩比1.21.31.41.51.6中线工况14.444.033.473.884.28工况28.477.406.277.098.06泄槽延长线工况14.233.883.163.774.03工况27.556.174.744.855.05邻近边墙线工况14.083.983.833.723.62工况27.506.074.694.544.44（下转第17页）2023年第4期东北水利水电规划设计 13挖，可减少因明挖施工对自然环境的破坏。综合超前支护结构，将部分荷载有效地吸收和传递到已封闭的支护结构上，在软弱松散不良地质地带，通过管棚注浆补充固结土体，增强隧洞上方土体的稳定性，避免人为地质灾害发生，也不影响隧洞施工区域其他施工作业。该施工方法对工程地质条件较差的类围岩地层隧洞洞挖工程领域有着广泛的应用前景。参 考 文 献1中工武大设计研究有限分公司.一种水工隧洞开挖支护结构：202120342965.4 P.2021-02-04.2刘雪霞，陈雪燕，魏珂，陈浩东.超前管棚支护在输水隧洞复杂地层中的应用 J.人民黄河，2019（8）：134-137.3刘献求.管棚法超前支护在板坡隧洞施工中的应用 J.低碳技术，2016（7）：75-76.收稿日期 2022-09-16收稿日期 2022-11-17（上接第13页）表2 紊动能计算结果2.3 消能率利用模型计算获得的相关数据，计算出不同方案下消力池的消能率，绘制消能率随突扩比的变化曲线，如图2所示。由图2可以看出，消力池的消能率随着突扩比的增大呈现出先增大后小幅减小的变化特点，无论是设计工况还是校核工况，突扩比为1.4时的消能率均最高。因此，将背景工程消力池的突扩比设置为1.4时，可以获得最佳的消能效果。图2 消能率变化曲线综合上述计算结果，建议该水电站消力池的突扩比为1.4。3 结 语突扩式跌坎消力池是一种能够适用于高水头、大单宽且对环境友好的消能工，有着良好的应用前景。突扩式跌坎消力池作为高坝泄洪的消能建筑物，其自身的稳定性不论对消能防冲还是整体水工结构的安全都具有重大意义。此次研究主要利用数值模拟的方式分析了突扩比对消能特征的影响，建议消力池的突扩比为1.4。研究结论对背景工程和相关类似工程的设计建设具有十分重要的理论意义和工程价值。当然，入射角度、跌坎高度、消力池长度等因素的变化都会影响消力池内水流紊动的特性，在今后的研究中可以增加变量，研究多种因素影响下消力池的最优设计，为工程应用提供理论依据。参 考 文 献1官夏菲，刁明军，蒋雷，路信.基于SVR-GA算法的跌扩型消力池优化研究 J.水力发电学报，2018，37（10）：66-75.2朱友军.某水电站台阶式溢洪道设计及消能研究 J.内蒙古水利，2018（11）：21-23.3熊俊华.雁田水库溢洪道消力池的优化设计研究 J.吉林水利，2019（3）：12-15.4向庆银，刘杰.岸坡弯道式溢洪道优化设计应用 J.水利技术监督，2017，25（6）：166-169.5陆杨，刘焕芳，金瑾，刘文华，李强.T形墩消力池消能率的计算及优化设计试验 J.水利水电科技进展，2012，32（6）：42-45.6罗昌辉.不同体型条件下消力池消能效果模型试验研究 J.红水河，2020，39（4）：22-24.7刘菊莲.基于Fluent的某水库溢洪道消能结构设计分析研究 J.水利技术监督，2022（1）：140-143.8董登科.水库溢洪道泄洪闸结构设计的有限元分析 J.中国水运(下半月)，2021，21（1）：78-79.707274681.6661.51.31.2突扩比消能率/%1.4工况12突扩比1.21.31.41.51.61.21.31.41.51.6与池首不同距离点位/m02.762.352.042.122.243.452.942.552.652.8052.232.091.761.881.792.792.612.202.352.24101.671.721.221.481.522.092.151.531.851.90151.251.061.321.151.431.561.331.651.441.79200.760.540.430.570.660.950.680.540.710.83250.430.220.150.160.230.540.280.190.200.29300.050.030.010.030.060.060.040.010.040.08工况1工况22023年第4期东北水利水电工程施工 17No.4 2023（Total No.465）Water Resources&Hydropower of NortheastDesign and evaluation of reinforcement scheme for hydraulic tunnelthrough broken zone surrounding rockDAI Cheng-zongAbstractScientific and reasonable selection of various hydraulic tunnel reinforcement schemes in broken zone of surroundingrock has very important significance and function for construction monitoring and analysis.In order to provide a strong support forthe construction of water-rich fractured rock underground cavern,this paper takes the concrete project as the background and usesthe numerical simulation method to analyze and evaluate the reinforcement scheme of hydraulic tunnel passing through the fracturedrock zone,which can provide certain support and reference for the related research.Key wordshydraulic tunnel；broken zone；reinforcement schemeStudy on influence of sudden expansion ratio on energy dissipationcharacteristics of down-expansion type stilling poolWANG Ji-dongAbstractThe ratio of sudden expansion is an important index which affects the energy dissipation effect and engineering quantityof the down-expansion type stilling pool.It is of great significance and effect to optimize its design.Based on this,taking a specificproject as an example,this paper discusses the effects of sudden expansion ratio on the bottom velocity,turbulent kinetic energy andenergy dissipation rate of the tank by numerical simulation,and obtains the specific influence rules,which can provide theoreticalreference for similar engineering applications.Key wordsstilling pool；sudden expansion ratio；energy dissipation rateResearch on drop depth prediction of well group pumping area basedon ArcGIS and ExcelZHANG Feng-haiAbstractIn order to simplify the calculation method of the drop depth prediction of the pumping area of the well group,this papertakes the pumping of a representative irrigation area well group in the efficient water-saving irrigation water resources demonstrationproject of Fuyu County as an example,and uses ArcGIS software for spatial analysis and derivation function to calculate the distancebetween each point in the well group area and each mining well.Using Excel software to design a simple and applicable calculationtable to complete a lot of complex calculation work,which makes the analytical method to calculate the well group pumping dropdepth and water level recovery feasible and simple.Key wordswell group pumping；ArcGIS；Excel；prediction of drop depth and water level recoveryApplication of spray film waterproof lining structure in hydraulic tunnelLI Yong-guangAbstractIn order to ensure the quality and durability of the water conveyance tunnel project,the paper proposes the compositelining structure of spray film waterproof on the background of the concrete project,and discusses its application value in the hydraulictunnel by means of numerical simulation,and obtains good engineering application effect,which can be used for reference in the future engineering design and construction.Key wordshydraulic tunnel；pray film waterproof lining；lining structure 71