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近年来具有“大流量、高水头、窄河谷”特点的水电工程越来越多,修建大坝、水电站等主体设施需要布置导流建筑物,隧洞导流是水电工程中常用的导流方式之一。导流隧洞的断面形式、底坡坡度、过水断面面积、出口流态、出口边界条件、出口水位、沿程水头损失及局部水头损失等因素直接影响其泄流能力,因此准确计算导流隧洞泄流能力对工程至关重要,也为计算上游水位,确定围堰工程的工程量与造价,提供重要依据。 黄登水电站位于云南省兰坪县境内,采用堤坝式开发,是澜沧江上游古水至苗尾河段水电梯级开发方案的第五级水电站,以发电为主。该工程右岸平行布置两条导流隧道洞,两洞轴线最小间距 60m,断面型式均为方圆形。为研究导流隧洞的泄流能力等水力特性,建立一座1:50导流模型。 依据物理模型试验结果并结合黄登水电站工程资料分析得知,模型试验中1#导流隧洞泄流能力在满流条件下与设计泄流能力有较大差距。分析其原因既可能设计采用的理论计算结果不精确,也可能由于模型试验受比尺效应的影响或模型模拟的范围有限,未能准确反映其真实泄流能力。由于数值模拟既不受比尺效应的影响,也可以更全面地模拟计算域的边界条件,进而得到真实的泄流曲线。因此为能较为真实反映导流隧洞泄流过程,并获得其泄流能力、压力场及速度场分布,本文使用商业计算流体力学软件开展了数值计算,研究导流隧洞在不同出口条件下对泄流的影响,为模型试验成果提供补充,也为工程设计提供参考。 本文以黄登水电站导流工程截断河床,1#、2#导流洞泄流为背景,利用数值模拟技术,构建导流洞泄流数值模拟平台,并利用水工模型试验结果对数值计算成果加以验证。在此基础上开展导流洞在不同出口条件下对泄流影响的数值计算,研究结果表明: (1) 针对计算导流隧洞的泄流能力而言,通过比对水力学经验公式、模型试验及数值模拟等三种方法得知:在满流条件下,数值模拟能有效避免模型试验由于比尺效应和边界条件不完整所对结果造成的影响,得到的泄流能力及其它水力学指标能与模型试验互相补充、相互印证,丰富其成果。 (2) 满流条件下,下游水位的抬高对1#导流隧洞的泄流能力有明显地降低,即对上游水位抬高有明显的影响。 (3) 模型试验在受模型范围限制而缺省出口部分边界条件,与数值模拟在原型出口边界条件下对比得知:在相同位置的水面线位置及压力场、流速场,两种工况下其分布较为一致,说明在缺省出口部分边界条件对1#洞的泄流能力影响甚微,对其压力场和速度场几乎无影响。 (4) 1#、2#导流隧洞联合泄流对1#洞泄流能力、1#洞压力分布及速度分布有较大的影响,获得的研究成果为设计提供了详尽的参考。 (5) 根据本文计算工况中压力场及速度场综合分析,1#导流隧洞进口及渐变段顶部、上弯段顶部、下弯段顶部、2#洞进口顶部、渐变段顶部、上下弯段及出口压坡段顶部是出现压力较小的部位,虽经分析不会发生空蚀空化现象,但仍需对这些部位引起高度重视,预先采取一定的防护措施,以保障洞壁的稳定。数值计算成果为导流洞洞内衬砌防护及空蚀空化提供了参考依据。本文还给出了各计算工况下导流隧洞出口流场分布,为下游消能防冲提供了一定的参考依据。