劉卓 劉國強(qiáng)

底格攔柵壩是用金屬攔柵排除較粗粒徑推移質(zhì)并由廊道引水的首部樞紐建筑物，其結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、造價低廉，在多泥沙、小流量的引水工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。水流通過格柵進(jìn)入廊道后，由廊道將水流導(dǎo)入取水口并流至引水渠、沉沙池等設(shè)施。因此，采用底格攔柵壩作為取水樞紐時，既要使透過格柵的進(jìn)水流量滿足取水要求，也要保證廊道具有足夠的輸水能力，否則水流進(jìn)入廊道內(nèi)會逐漸蓄積，最終溢出廊道泄向下游河道，從而無法滿足取水流量要求。格柵進(jìn)水流量可采用相應(yīng)的水力學(xué)公式進(jìn)行計算[2-4]，而廊道內(nèi)過流能力通常采用差分法進(jìn)行近似計算[2，4-5]，差分法在計算時需要對廊道首端與末端的流速進(jìn)行假定[2]，但廊道內(nèi)的實際水流流速與廊道寬度、高度、底坡坡度等因素直接相關(guān)，所假定的取值可能與其實際流速存在較大出入，從而造成取水能力的不足。因此，對廊道內(nèi)的實際輸水能力的研究十分重要。本文將基于FLOW-3D 對某水電站工程在前期階段所設(shè)計的底格攔柵壩進(jìn)行數(shù)值模擬分析及優(yōu)化研究，以保證其取水能力滿足工程要求。

1 工程概況

巴基斯坦某水電站為低流量高水頭引水式水電站，位于Kalam 鎮(zhèn)上游14 km 處的Anakar 河。根據(jù)其可行性研究報告，首部樞紐采用底格攔柵壩進(jìn)行取水及泄流。底格攔柵壩布置于主河床上，總寬度49.5 m，去除橋墩后的凈寬度為45 m，堰頂高程2 527.00 m，堰高1.50 m。底格攔柵壩頂部設(shè)寬1.5 m 的鋼柵格，柵格順河流方向坡度i=0.3。底格欄柵下部設(shè)矩形引水廊道，寬1.437 m，縱向底坡i=0.03。進(jìn)入底格欄柵廊道內(nèi)的水流經(jīng)過左岸連接段進(jìn)入引水渠，用于沖沙及機(jī)組發(fā)電。正常運(yùn)行水位2 527.27 m，取水要求為9.5 m3/s。

2 數(shù)值模型建立

2.1 基本控制方程

本計算采用FLOW-3D 軟件進(jìn)行分析。FLOW-3D 軟件是由美國Flow Science 公司研發(fā)的應(yīng)用于建立流體運(yùn)動及熱傳導(dǎo)模型的計算流體力學(xué)軟件。本計算采用k-ε 作為基本控制方程：

連續(xù)性方程：

動量方程：

k方程：

ε方程：

G—— 剪 切 產(chǎn) 生 項， 表 達(dá) 式 為G=

ρ——流體密度；

p——壓力；

t——時間；

Ui——i方向的速度分量；

Fi——作用于單位質(zhì)量水體的體積力；

k=-- --u'iu'j/2是單位質(zhì)量紊動動能；

ε——紊動動能耗散率；

ν——運(yùn)動黏性系數(shù)；

vt——紊流運(yùn)動黏性系數(shù)，它由紊流動能k及紊流動能耗散率ε確定，

Cμ、C1ε、C2ε、σk、σε——模型通用常數(shù)，分別為0.09、1.44、1.92、1.0和1.3。

2.2 網(wǎng)格劃分

本次數(shù)值模擬計算范圍包括底格攔柵壩上游5 m及下游8 m，計算模型根據(jù)招標(biāo)文件按照比尺1∶1建立。網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，進(jìn)口蓄水池網(wǎng)格總數(shù)約383 萬個，計算模型如圖1 所示，底格攔柵壩縱斷面如圖2 所示。通過建立Baffle監(jiān)測上游流量、下泄流量及取水流量。

圖1 原方案底格攔柵壩計算模型

圖2 原方案底格攔柵壩模型縱斷面圖

3 原方案數(shù)值分析結(jié)果

原方案的底格攔柵壩通過數(shù)值模擬所得流量結(jié)果見表1。由此可知底格欄柵取水流量僅為3.78 m3/s，明顯低于9.5 m3/s，不能滿足取水要求。由圖3 及圖4可以看出，引水廊道大部分區(qū)域內(nèi)的水流并未流向取水口，從而使得引水廊道導(dǎo)向取水口的流量較少，并導(dǎo)致廊道內(nèi)水流逐漸累積，水位不斷上漲，最終引水廊道內(nèi)的水流向下游溢出較多，無法滿足取水能力的要求。

表1 原方案過流能力計算結(jié)果 m3/s

圖3 原方案底格攔柵壩流態(tài)三維示意圖

圖4 原方案底格攔柵壩引水廊道內(nèi)水壓及流速矢量2D分布圖

而根據(jù)Dritan Bratko[6]等人的計算理論，格柵進(jìn)水流量可按式（5）進(jìn)行計算，由此公式得到的流量為11.65 m3/s。但該公式并未考慮底格攔柵壩中引水廊道的坡度，因此將改變底格攔柵壩的體型參數(shù)進(jìn)行試算驗證。

式中Q——進(jìn)水格柵取水流量，m3/s；

c——進(jìn)水格柵系數(shù)，c=0.6×（a/b）×cos1.5β，a為柵條間距，b為相鄰柵條中心距，β為進(jìn)水格柵坡度；

m——格柵流量系數(shù)，按不同的進(jìn)水格柵形狀進(jìn)行取值；

b——進(jìn)水格柵寬度，m；

Lcal——進(jìn)水格柵計算長度，其實際長度取值為L=1.2Lcal；

h——上游進(jìn)水格柵末端水深，m。h=kc×hcr，其中kc=0.88×cosβ，hcr=2/3×hc，hc為 初 始水頭。

4 優(yōu)化方案結(jié)果與分析

4.1 改進(jìn)方案

參考國內(nèi)采用底格攔柵壩底格攔柵取水建筑物的設(shè)計，其引水廊道底坡取為0.1。因此將引水廊道全程范圍內(nèi)的底坡均改為0.1，其頂高程不變，底高程降至2 521.126 m。計算模型如圖5 所示，底格攔柵壩縱斷面如圖6 所示。

圖5 優(yōu)化方案底格攔柵壩計算模型

圖6 優(yōu)化方案底格攔柵壩模型縱斷面圖

4.2 計算結(jié)果與分析

優(yōu)化方案底格攔柵壩流量計算結(jié)果見表2。由此可知底格欄柵取水流量為9.68 m3/s，取水能力得到明顯提升，但仍略低于取水要求。由圖7 及圖8可以看出，引水廊道內(nèi)的水流明顯具有流向取水口的速度分量，取水流量明顯變大，僅在最左端附近有溢出的下泄流量。

圖7 優(yōu)化方案底格攔柵壩流態(tài)三維示意圖

圖8 優(yōu)化方案底格攔柵壩引水廊道內(nèi)水壓及流速矢量2D分布圖

表2 優(yōu)化方案過流能力計算結(jié)果 m3/s

5 結(jié) 語

引水廊道的底坡坡度對其引水能力具有顯著影響。若坡度過緩，則流向取水口的能力過小，進(jìn)入廊道內(nèi)的水體將不斷蓄積，直至溢出廊道泄向河道下游，導(dǎo)致取水能力不足。適當(dāng)增大廊道底坡坡度可提高水流流速，從而增大其取水能力，使其滿足工程取水要求。