胸墻式泄洪閘模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬優(yōu)化研究

王月華，劉 云，韓曉維，王自明，葉 龍，周盛侄

(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310016)

0 引 言

泄洪閘是用以宣泄洪水并調(diào)節(jié)控制水庫水位的建筑物。在滿足泄洪要求下，為了減小閘底板高程，可設(shè)置較低的堰頂高程，同時(shí)又考慮擋水閘門高度不宜過大，?？稍O(shè)置胸墻擋水，形成胸墻式泄洪閘，其優(yōu)點(diǎn)是可在庫水位較低時(shí)泄洪、減少閘門孔數(shù)和閘門尺寸。

研究泄水建筑物主要依靠物理模型和數(shù)值模擬[1-3]，這兩種方法相互依賴相互補(bǔ)充。劉世裕[4]通過模型試驗(yàn)分析了影響直角胸墻溢洪道泄流能力的因素，胸墻底緣由直角胸墻改為橢圓曲線形胸墻，可顯著增加孔口的泄流能力。王敏[5]對(duì)溢洪道進(jìn)口翼墻布置形式進(jìn)行了試驗(yàn)研究，推薦圓弧翼墻，使溢洪道進(jìn)口水流流態(tài)平順，流速均勻，提高了溢洪道泄洪閘的泄流能力。羅岸等[6]通過模型試驗(yàn)表明孔口胸墻底緣和進(jìn)口引渠翼墻形式以1/4橢圓曲線較佳。郭慧敏[7]通過水工模型試驗(yàn)對(duì)胸墻式泄洪閘的泄流能力及影響因素進(jìn)行了分析總結(jié)。楊京廣等[8]應(yīng)用紊流數(shù)值模型和VOF方法對(duì)低水頭大流量河床式電站大壩泄洪流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，結(jié)合物理模型成果計(jì)算分析了各工況下泄洪閘閘室及下游流場(chǎng)的流態(tài)，水面線，閘室內(nèi)流速、壓力分布等水力特性值。郭園等[9]采用最新CFD方法對(duì)具體工程泄洪閘水流流態(tài)進(jìn)行模擬分析，詳細(xì)分析了水力參數(shù)的規(guī)律性，并通過方案比較優(yōu)化了吸氣漩渦和脫流現(xiàn)象。李蕾[10]和王新雷[11]利用FLUENT軟件對(duì)泄洪閘泄流進(jìn)行了三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，利用標(biāo)準(zhǔn)湍流數(shù)值模型得到校核工況下泄洪閘的泄流能力、水流流態(tài)、水面高程、速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)等計(jì)算結(jié)果。

本文研究的泄洪閘位于水庫右岸，若水流進(jìn)口體形不當(dāng)，則可能造成局部流態(tài)紊亂、閘前吸氣漩渦、閘底板負(fù)壓和泄流能力不足等問題。因此，采用模型試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬方法，對(duì)泄洪閘水流特性進(jìn)行綜合性分析。

1 工程概況

某除險(xiǎn)加固工程的泄洪閘采用胸墻式泄洪閘。原設(shè)計(jì)方案是泄洪閘2孔，每孔凈寬4.5 m。泄洪閘的形式既非寬頂堰式閘孔，也不是常規(guī)的實(shí)用堰式閘孔，閘底高程和消力池池底高差為6.5 m。進(jìn)口導(dǎo)墻為直立墻，與水流方向夾角20°。胸墻厚 0.6 m，胸墻底緣是橢圓形式，孔口上部采用內(nèi)凹形式。水庫正常蓄水位12.6 m，設(shè)計(jì)洪水位16.5 m，校核洪水位17.5 m。平剖面布置見圖1a。原設(shè)計(jì)方案存在以下問題：①進(jìn)水渠左側(cè)導(dǎo)墻頭部存在局部繞流；②校核工況泄洪時(shí)，進(jìn)口前緣存在連續(xù)吸氣漩渦，大量挾氣漩渦進(jìn)入閘室。針對(duì)原設(shè)計(jì)方案存在的問題，對(duì)泄洪閘進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案一是改善孔口上游的導(dǎo)墻形式，減小平面?zhèn)仁湛s的影響，二是采用流線形胸墻底緣，減小水流受胸墻影響產(chǎn)生的垂直收縮影響。因此優(yōu)化方案閘室進(jìn)口設(shè)置圓弧導(dǎo)墻，圓弧直徑17 m。在閘孔前緣設(shè)置垂直胸墻，胸墻厚3.2 m，胸墻底緣保持橢圓形式不變。平剖面布置見圖1b。

圖1 泄洪閘平面和剖面示意(單位：m)

2 研究方法

2.1 物理模型

模型試驗(yàn)采用正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶35。模型由水庫、進(jìn)口段、閘室段及消能設(shè)施段、泄洪渠段組成。模型長約18 m，寬2～11 m。泄洪閘模型用有機(jī)玻璃制作，其糙率為0.009，而原型混凝土抹面糙率為0.011～0.017，按照相似比尺計(jì)算出模型糙率為0.016，滿足糙率相似要求。

2.2 數(shù)值模擬

為了得到優(yōu)化方案更加詳細(xì)的水力學(xué)參數(shù)，本研究采用Flow-3D軟件對(duì)典型洪水工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究。采用RNGk-ε紊流模型，VOF自由液面處理方法。模型包括水庫、進(jìn)水渠、閘室段、消力設(shè)施段、泄洪渠段。為保證來流條件盡可能均勻，減小其對(duì)后面流場(chǎng)的干擾，計(jì)算流場(chǎng)的進(jìn)口邊界設(shè)在庫區(qū)上游200 m處。庫區(qū)入口為壓力入口，即上游邊界給定水位，出口同為壓力出口，并設(shè)置相應(yīng)的下游泄洪渠水位。固定壁面采用無滑移的壁面條件，粘性底層用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法處理。

3 成果分析

3.1 進(jìn)口流態(tài)

胸墻式泄洪閘泄流一般由堰流逐漸過渡到孔流，本工程泄洪閘起調(diào)水位為13.02 m，因此均為孔口出流，其泄流能力計(jì)算一般采用孔流公式，即

(1)

式中，Q為過閘水流量，m3/s；μ為孔流流量系數(shù)；B為閘孔過流總寬度，m；e為閘門開度，m；H0為閘上水頭，m。

從式(1)可以看出，當(dāng)閘孔凈寬和開度(全開)一定時(shí)，影響過閘流量的主要因素為流量系數(shù)和閘上水頭。當(dāng)閘上水頭一定時(shí)，進(jìn)口導(dǎo)墻及胸墻的布置形式是影響泄洪閘泄流能力的主要因素。

原設(shè)計(jì)方案為直立導(dǎo)墻+內(nèi)凹式胸墻，試驗(yàn)對(duì)其水流流態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果表明，進(jìn)水渠整體流態(tài)不平穩(wěn)，進(jìn)口上游12.5 m斷面平均流速約為1.7 m/s，F(xiàn)r=0.17。左側(cè)導(dǎo)墻有明顯繞流，側(cè)收縮明顯，導(dǎo)墻頭部繞流流速約3.0 m/s，內(nèi)外水位差約0.45 m。由于采用內(nèi)凹式胸墻，胸墻附近存在靜態(tài)水體，當(dāng)庫水位升高到校核水位時(shí)，這部分水體與來流進(jìn)閘水體相互作用，水面波動(dòng)明顯，存在連續(xù)吸氣漩渦，閘前水位發(fā)生大幅度升降，水位變幅達(dá)1.5 m，從而造成閘孔前緣水流流態(tài)不穩(wěn)定，進(jìn)水口水流流態(tài)見圖2a。

圖2 進(jìn)水口水流流態(tài)

胸墻式泄洪閘進(jìn)口形式對(duì)流量系數(shù)的影響較為顯著，為了改善帶胸墻孔口的入流流態(tài)，增大孔口的泄流能力，優(yōu)化后的方案為圓弧導(dǎo)墻+垂直導(dǎo)墻。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)水渠整體流態(tài)平穩(wěn)，進(jìn)口上游12.5 m斷面平均流速約為1.5 m/s，F(xiàn)r=0.15。左側(cè)導(dǎo)墻繞流較原設(shè)計(jì)方案有明顯改善，導(dǎo)墻頭部繞流流速約1.7 m/s，內(nèi)外水位差約0.3 m。閘室進(jìn)口右側(cè)導(dǎo)墻沿線水流平順，導(dǎo)墻擴(kuò)散角合理。胸墻前緣水面波動(dòng)較小，胸墻前緣水面僅出現(xiàn)陣發(fā)性表面凹陷渦，但沒有氣泡隨漩渦進(jìn)入閘室，流態(tài)明顯改善。胸墻底緣未發(fā)現(xiàn)脫流流態(tài)，水閘過流穩(wěn)定。進(jìn)水口水流流態(tài)見圖2b。

3.2 泄流能力

當(dāng)泄洪閘體形一定時(shí)，閘上水頭是影響孔口流量系數(shù)的主要因素。圖3是優(yōu)化前后的泄洪閘流量系數(shù)μ與相對(duì)開度e/H0關(guān)系。由圖3可知，不同開度的μ與e/H0存在較好的線性關(guān)系，流量系數(shù)隨著閘上水頭的增加而增加。

圖3 流量系數(shù)與相對(duì)開度關(guān)系

經(jīng)擬合，原設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)式為μ=-0.562 5e/H0+0.933 5，相關(guān)系數(shù)R2=0.999，適用范圍是0.27≤e/H0≤0.64。優(yōu)化方案的試驗(yàn)式為μ=-0.613 9e/H0+0.983 5，相關(guān)系數(shù)R2=0.997，適用范圍為0.29≤e/H0≤0.67。

根據(jù)式(1)分別計(jì)算兩種進(jìn)口布置形式下泄洪閘在不同作用水頭時(shí)的流量系數(shù)，結(jié)果見表1。由表1可知，進(jìn)口體形對(duì)泄洪閘過流能力的影響顯著，優(yōu)化方案對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)較原設(shè)計(jì)方案增大3%～5%。

表1 泄洪閘流量系數(shù)

為了解優(yōu)化方案的效果，采用數(shù)值模擬進(jìn)一步對(duì)比分析。水閘兩孔全開下泄流量與水位關(guān)系量測(cè)成果見圖4。試驗(yàn)值和計(jì)算值非常接近，說明數(shù)值模擬結(jié)果能較好的反應(yīng)物理模型實(shí)測(cè)成果。表2為校核和設(shè)計(jì)工況下泄洪閘的泄流能力?？芍?，泄洪閘優(yōu)化方案泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求，并有一定富余。

表2 校核和設(shè)計(jì)工況泄流能力比較

圖4 泄洪閘水位流量關(guān)系曲線

3.3 壓力分布

為了解優(yōu)化方案閘室底板曲線和消力池池前斜坡的壓力分布，在閘孔中心線上布置了8個(gè)測(cè)壓點(diǎn)(具體位置見圖5)，測(cè)試校核水位下的壓力分布，沿程各測(cè)點(diǎn)的壓力分布結(jié)果見表3，表明壓力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值較為接近，閘室底板位置3有負(fù)壓出現(xiàn)，校核工況時(shí)最大負(fù)壓為0.69 m水柱，負(fù)壓較小，不易發(fā)生氣蝕破壞。

圖5 沿程壓力測(cè)點(diǎn)布置示意

編號(hào)測(cè)壓孔樁號(hào)高程/m壓力/m水柱物理模型數(shù)學(xué)模型10+08.6506.171.25 1.3920+011.006.060.07 0.1230+015.005.13-0.39 -0.6940+019.003.270.480.1050+020.882.023.44 3.0560+022.770.766.80 6.8470+024.49-0.059.19 10.0580+026.37-0.338.73 9.27

4 結(jié) 論

(1)泄洪閘原設(shè)計(jì)方案進(jìn)水口水面波動(dòng)明顯，存在連續(xù)吸氣漩渦，閘前水位發(fā)生大幅度升降，水位變幅達(dá)1.5 m，從而造成閘孔前緣水流流態(tài)不穩(wěn)定。優(yōu)化方案能很好的改善進(jìn)水口漩渦，胸墻前緣水面僅出現(xiàn)陣發(fā)性表面凹陷渦，水面存在一定波動(dòng)，但沒有氣泡隨漩渦進(jìn)入閘室。

(2)泄洪閘流量系數(shù)隨著閘上水頭的增加而增加。進(jìn)口導(dǎo)墻和胸墻對(duì)泄洪閘過流能力的影響顯著，優(yōu)化垂直胸墻布置方案對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)較原設(shè)計(jì)方案增大3%～5%。

(3)泄洪閘泄洪水流具有復(fù)雜的三維紊流特性。采用CFD軟件紊流模型對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行三維模擬，計(jì)算結(jié)果較好地反映了水閘的泄流能力和沿程壓力分布，可為采用此類工程設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 李秋林, 李連俠, 廖華勝, 等. 變坡溢洪道模型試驗(yàn)及數(shù)值研究[J]. 水力發(fā)電, 2017, 43(5): 56- 59．

[2] 姜攀, 尹進(jìn)步, 何武全, 等. 有壓泄洪洞彎道壓力特性數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J]. 水力發(fā)電, 2016, 42(2): 49- 53．

[3] 胡靜, 鄧軍, 陳華勇, 等. 寬尾墩對(duì)跌坎底流消能影響的試驗(yàn)研究[J]. 水力發(fā)電, 2010, 36(3): 93- 96．

[4] 劉世裕. 提高帶直角胸墻溢洪道泄流能力的研究[J]. 水利水電技術(shù), 1980(4): 15- 17．

[5] 王敏. 溢洪道進(jìn)口翼墻布置型式分析研究[J]. 河南水利與南水北調(diào), 2008(4): 58- 61．

[6] 羅岸, 黃智敏, 陳卓英. 提高帶胸墻孔口溢洪道泄流能力的分析與應(yīng)用[J]. 廣東水利水電, 1997(4): 16- 18．

[7] 郭慧敏, 武彩萍, 陳俊杰, 等. 淺談胸墻式泄洪閘體型與泄流量關(guān)系[C]∥第二屆全國水力學(xué)與水利信息學(xué)學(xué)術(shù)大會(huì)論文集, 北京: 中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì), 2005．

[8] 楊京廣, 把多鐸, 林勁松, 等. 河床式電站大壩泄洪流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬[J].長江科學(xué)院院報(bào), 2009, 26(8): 28- 31．

[9] 郭園, 程永光, 李國棟. 泄洪閘三維流態(tài)CFD優(yōu)化分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)： 工學(xué)版, 2012, 45(2): 182- 186．

[10] 李蕾. 黃豐水電站泄洪閘泄流三維數(shù)值模擬研究[D]. 西安： 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2014．

[11] 王新雷. 泄洪閘下游沖刷過程三維數(shù)值模擬研究[D]. 西安： 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2016．