某水庫臺階式溢洪道泄流水力特性研究

洪琛

（遼寧省湯河水庫管理局 遼陽市 111000）

某水庫臺階式溢洪道泄流水力特性研究

洪琛

（遼寧省湯河水庫管理局 遼陽市 111000）

隨著碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)、施工技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能的不斷增強(qiáng)，其在流體力學(xué)的計(jì)算應(yīng)用也在快速普及，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)逐漸成為水庫臺階溢洪道水力特性的模擬研究的主要方法，促進(jìn)了臺階溢洪道的實(shí)踐應(yīng)用，而對臺階溢洪道泄流水力特性的實(shí)踐研究也就具有十分具有重要的意義。

臺階溢洪道 水庫泄流 數(shù)值模擬 水力特性

水是自然界最豐富的能源，其通過技術(shù)手段可轉(zhuǎn)化為生活所必須的電能。水能資源的合適利用與水利工程的運(yùn)行狀況密切相關(guān)，因此水利工程的科學(xué)研究和合理設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。世界范圍內(nèi)每年依舊有很多水利工程處于危險(xiǎn)狀態(tài)，一旦這些大庫、高壩出現(xiàn)決口或潰壩現(xiàn)象，這將給社會經(jīng)濟(jì)和國民生活帶來不可估量的破壞和損失。

在傳統(tǒng)水利工程中，為設(shè)計(jì)消除水流過壩時的能量，水庫溢洪道普遍采用光面設(shè)計(jì)。隨著時代的進(jìn)步，實(shí)踐證明溢洪道采用光面設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足水利工程設(shè)計(jì)運(yùn)行所需的逐步提升的消能要求。在此應(yīng)用背景下，臺階溢洪道進(jìn)入了水利科研重點(diǎn)方向，與光面設(shè)計(jì)相比其更加適應(yīng)時代的發(fā)展和滿足水利工程的實(shí)際需求[1]。水庫溢洪道采用臺階式設(shè)計(jì)，可以有效降低溢洪道水流流出時的流速，實(shí)現(xiàn)了減小下游消能設(shè)施規(guī)模的目標(biāo)。

1 工程概況

某水庫總庫容約為231萬m3，其洪水位經(jīng)校核約為1 417 m，工程設(shè)計(jì)中設(shè)的計(jì)洪水位為1 413 m。該水庫的工程規(guī)模屬于Ⅳ等小型，工程的樞紐布置包括混凝土重力壩、上壩公路及輸水管線等水利工程的重要結(jié)構(gòu)。

水庫的大壩設(shè)計(jì)的壩頂高程為1 440 m，工程最大壩高設(shè)計(jì)為45 m。大壩設(shè)計(jì)選址時考慮“V”型河谷為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工程實(shí)際，其主體壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為對稱建設(shè)。壩體的中間部分屬于河床溢流段，滿足了壩體流水需要；壩體的兩邊設(shè)計(jì)為非溢流壩段，分別為左岸及右岸非溢流壩段。該水庫的壩體泄洪洞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括進(jìn)水塔、洞身段、斜洞段及消力池四個重要部分。

2 臺階溢洪道數(shù)值模型

2.1 建立模型

通過CAD建立該水庫臺階溢洪道的模型。設(shè)計(jì)三維模型的臺階溢洪道水流水頭的設(shè)計(jì)值和校核值分別為37.1 m和38.9 m，設(shè)計(jì)臺階溢洪道的標(biāo)準(zhǔn)長為38.1 m，寬為29.1 m。

三維模型需要進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格的劃分，其由CAD建模且導(dǎo)入前處理器ICEM處理，并需要設(shè)置設(shè)計(jì)系統(tǒng)的邊界條件。為了滿足臺階溢洪道的模型計(jì)算，采用ICEM中的四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距設(shè)定為0.8 m，且對溢洪道模型的臺階處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，其臺階處網(wǎng)格總加密層數(shù)設(shè)定為4層，且采用逐層加密方式。臺階溢洪道的邊壁和臺階模型經(jīng)網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖

2.2 邊界條件及參數(shù)

水庫臺階溢洪道的模型計(jì)算選擇采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε兩方程紊流模型， 采用離散化控制方程的方法為有限體積法[2]。模型計(jì)算設(shè)定的邊界條件包括：①模型計(jì)算進(jìn)口邊界條件，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定采用溢洪道水流進(jìn)口壓力，采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型，進(jìn)口邊界k和ε值的給定會影響計(jì)算模型的收斂速度， 相應(yīng)缺少的計(jì)算參數(shù)需要以默認(rèn)值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算； ②模型計(jì)算出口邊界條件，出口邊界設(shè)定為壓力出口，其他相應(yīng)缺少的計(jì)算參數(shù)需要以默認(rèn)值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算；③模型計(jì)算壁面邊界條件，壁面的相關(guān)參數(shù)采用設(shè)置為WALL默認(rèn)值，溢洪道壁面邊界設(shè)定了無滑移狀態(tài)速度，近壁區(qū)域的計(jì)算值通過壁面函數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)整定；④自由水面條件：自由水面的追蹤設(shè)定采用VOF法，且由于建模的限制，計(jì)算模型設(shè)定為定常流模型。

對設(shè)計(jì)洪水和校核洪水的兩種工況進(jìn)行建模模擬。模型計(jì)算的收斂依據(jù)設(shè)定為溢洪道進(jìn)出口流量差值，且進(jìn)行收斂判斷需結(jié)合設(shè)定系統(tǒng)的殘差圖進(jìn)行。該臺階溢洪道模型進(jìn)出口計(jì)算流量對比如附表所示。

附表 溢洪道進(jìn)出口計(jì)算流量對比

3 計(jì)算結(jié)果對比分析

3.1 流態(tài)及水面線

目前臺階溢洪道的水流流態(tài)一般可分為三種，分別為跌落、滑行和過渡水流[3]。 跌落水流一般指流到的臺階溢洪道的水流在跌落中變現(xiàn)為水流的不連續(xù)，水流流態(tài)明顯表現(xiàn)為水躍。滑行水流是指臺階上的水流的狀態(tài)根據(jù)不同位置發(fā)生不同反應(yīng)， 臺階的水流發(fā)生漩渦反應(yīng)，而主流流過臺階依舊流向下游。過渡水流則是介于跌落水流和滑行水流之間的水流狀態(tài)。 不同工況下臺階溢洪道中剖面水流流態(tài)如圖2所示。 分析圖2可知臺階溢洪道水流會發(fā)生水流分層，且分層現(xiàn)象較為明顯，臺階內(nèi)部水流會產(chǎn)生漩渦，且已以順時針為水流旋轉(zhuǎn)方向，主流的流動位置主要處于兩個臺階凸角連線的虛擬面， 因此根據(jù)該圖推斷該水庫臺階溢洪道的水流流態(tài)屬于滑行水流。

圖2 不同工況下臺階溢洪道中剖面水流流態(tài)的對比

臺階溢洪道的水流處于高速下泄?fàn)顟B(tài)， 水流會發(fā)生劇烈的霧化現(xiàn)象， 該現(xiàn)象水工模型試驗(yàn)中一般不會發(fā)生。臺階溢洪道數(shù)值模擬，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下臺階溢洪道水流的原型試驗(yàn)， 模擬中設(shè)定的水流摻氣量相對較多， 且其水流深處摻氣現(xiàn)象更為嚴(yán)重[4]。圖3分別為該臺階溢洪道建模校核和設(shè)計(jì)洪水下不同摻氣工況的水面線與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，分析洪水工況下上游河道段和WES曲線段可知，其實(shí)測水面與摻氣50%的水面基本保持一致，但臺階段的摻氣濃度的水面線與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與規(guī)律不一致。

3.2 壓強(qiáng)分布

該水庫臺階式溢洪道校核洪水工況下剖面的壓力分布云和壓力分布圖如圖4（a）、（b）所示。 對圖分析可知該水庫臺階區(qū)域普遍存在負(fù)壓現(xiàn)象， 其主要發(fā)生于臺階豎面的上部區(qū)域處， 且負(fù)壓區(qū)域的分布與臺階位置相關(guān)，隨著臺階位置的下降，其負(fù)壓現(xiàn)象也相應(yīng)逐漸變小，最低處臺階負(fù)壓現(xiàn)象甚至消失。對水庫臺階式溢洪道進(jìn)行數(shù)值模擬， 可清晰觀察到負(fù)壓不同分布以及分布程度規(guī)律， 展現(xiàn)了數(shù)值模擬的優(yōu)勢[5]。其可幫助工作者清晰認(rèn)知負(fù)壓現(xiàn)象，熟悉其分布和程度， 最終為水庫臺階式溢洪道的設(shè)計(jì)實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)， 實(shí)現(xiàn)臺階負(fù)壓預(yù)測及預(yù)防水流空蝕現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 校核和設(shè)計(jì)洪水工況下提取摻氣水面線與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 溢洪道中剖面的壓力分布云圖和壓力分布等值線圖

3.3 流速矢量分布

該水庫臺階式溢洪道設(shè)計(jì)和校核工況下剖面處水流的速度矢量圖如圖5的（a）、（b）所示。臺階溢洪道水流會發(fā)生水流分層，臺階內(nèi)部水流會產(chǎn)生漩渦，以順時針為水流旋轉(zhuǎn)方向，且位于漩渦中心的水流流速最小。 對圖分析可知漩渦處水流流速由中心向四周逐漸增大。漩渦的產(chǎn)生使水流大量摻氣，在臺階式溢洪道實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)了水流流動消能防沖的目的。

4 結(jié)論

通過對某水庫臺階式溢洪道按定常流進(jìn)行了三維數(shù)值建模分析研究，研究分析了臺階溢洪道的水流流態(tài)、壓力及流速等的相關(guān)工作規(guī)律，得出以下結(jié)論：臺階溢洪道實(shí)現(xiàn)了泄流和消能功能，其消能效果良好，可實(shí)現(xiàn)節(jié)省工程造價(jià)，節(jié)省了下游消能設(shè)施的建設(shè)投資。

[1]李仲鈺,謝新生.淺談臺階式溢洪道的應(yīng)用原理及應(yīng)用前景[J].陜西水利，2013，(01)：32-34.

[2]張峰.臺階式溢洪道消能特性的研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

[3]文明宜.臺階式溢洪道水流比能特性的研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué),2016.

[4]常曉亮.臺階式溢洪道與光面溢洪道水流形態(tài)及消能率[J].山西建筑,2010，(31)：23-26.

[5]田嘉寧,大津巖夫,李建中.臺階式溢洪道各流況的消能特性[J].水利學(xué)報(bào),2003，(04)：35-37.

2016-12-30）

圖5 設(shè)計(jì)和校核工況下臺階溢洪道速度矢量圖

洪?。?984-），女，遼寧遼陽人，工程師，大學(xué)本科，研究方向：水利水電工程。