不同大小臺階組合的過渡階梯對階梯溢流壩面壓強(qiáng)特性的影響

王 強(qiáng)，楊具瑞，龍遠(yuǎn)莎，蔣 瑜，卜 寧，萬云嬌

(1.銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，貴州銅仁554300； 2.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明650500)

0 引 言

“寬尾墩+階梯溢流壩+消力池”是把泄流和消能有機(jī)結(jié)合的一體化消能工，在國內(nèi)已取得了廣泛應(yīng)用，如索風(fēng)營水電站、阿海水電站、水東水電站、大朝山水電站[1- 4]等。這種消能方式兼有寬尾墩消能和階梯溢流壩消能的優(yōu)點(diǎn)，既利用階梯溢流壩面進(jìn)一步增進(jìn)了寬尾墩的消能率，同時(shí)通過寬尾墩后水舌底部的無水區(qū)向階梯壩面通氣來避免空蝕空化破壞，從而使階梯溢流壩向高水頭大單寬流量方向發(fā)展[5]。

但是，隨著壩高及單寬流量的增大，壩面摻氣濃度降低，階梯壁面負(fù)壓增大，較低的摻氣濃度不能有效保護(hù)階梯壁面，容易階梯壁面產(chǎn)生空蝕破壞，針對階梯式溢流壩這一局限，彭勇[6]、尹進(jìn)步[7]提出在階梯溢流壩前端的適當(dāng)位置增設(shè)摻氣坎，通過水舌底部強(qiáng)迫摻氣，從而增強(qiáng)階梯壩面的摻氣保護(hù)作用。張挺[5]在對索風(fēng)營水電站X形寬尾墩+階梯溢流壩+消力池一體化消能工的流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，在第1級臺階豎直壁面與溢流壩面交接處存在負(fù)壓，這是過去試驗(yàn)中未測到的，根據(jù)數(shù)值模擬提供的負(fù)壓位置，在模型中重新布置測點(diǎn)，驗(yàn)證了負(fù)壓的存在。后小霞[8]對阿海水電站Y形寬尾墩+階梯溢流壩+消力池溢流表孔進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單寬流量達(dá)160 m2/s時(shí)，階梯溢流面負(fù)壓為-5.55～-9.48 kPa，最大負(fù)壓出現(xiàn)在階梯溢流壩與WES曲面連接處。陳群[9]對帶有曲線自由水面的階梯溢流壩面流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到階梯面上可能出現(xiàn)負(fù)壓的位置在階梯立面的上半部分，階梯水平面上的壓強(qiáng)都為正，壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在下泄水流沖擊的位置。從已建工程來看，水東水電站盡管采用寬尾墩與階梯溢流壩聯(lián)合消能設(shè)施，在通過較大單寬流量時(shí)，階梯溢流壩面同樣遭到了輕微的空蝕破壞[10]。丹江口水電站在單寬流量為120 m2/s時(shí)，階梯溢流壩面也發(fā)生了嚴(yán)重的空蝕破壞。阿海水電站在運(yùn)行不到半年，臺階沿程就發(fā)生了空蝕破壞[11]。為了減小或消除階梯壁面負(fù)壓，需要為水舌底部創(chuàng)造摻氣條件，從而降低空化空蝕的力度[12]。為此，工程實(shí)踐中已認(rèn)識到WES曲面與階梯溢流壩的連接形式對壩面壓強(qiáng)分布的重要性，已開始這方面的研究，提出在階梯溢流壩頂端的適當(dāng)位置設(shè)置摻氣坎，從而改善壩面的水力特性。然而，對WES曲面與階梯溢流壩過渡連接段的過渡階梯連接方式僅僅是依靠工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選定。筆者采用三維數(shù)值模擬方法，分析WES曲面與階梯溢流壩的過渡階梯連接形式，采用不同大小臺階組合的過渡階梯，分析該連接形式對“寬尾墩+階梯溢流壩+消力池”一體化消能工壩面壓強(qiáng)特性分布規(guī)律的影響，從而改進(jìn)WES曲面與階梯溢流壩連接形式，對水利水電工程向高水頭大單寬流量發(fā)展具有一定的實(shí)踐意義。

1 物理模型與模擬方案

本次模擬以阿海水電站“Y形寬尾墩+階梯溢流壩+消力池”一體化消能工為對象，具體模型參見文獻(xiàn)[13]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)6種方案，如圖1所示。①方案1。由12個(gè)0.5 m×0.375 m(高×寬)的臺階組成過渡階梯。②方案2。將方案1首級階梯設(shè)置為2 m×1.5 m(高×寬)。③方案3。將方案1首級階梯設(shè)置為3 m×2.25 m(高×寬)。④方案4。由6個(gè)1 m×0.75 m(高×寬)臺階組成過渡階梯。⑤方案5。將方案4首級階梯設(shè)置為2 m×1.5 m(高×寬)⑥方案6。將方案4首級階梯設(shè)置為3 m×2.25 m(高×寬)。對比分析不同大小臺階組合的過渡階梯對“寬尾墩+階梯溢流壩+消力池”一體化消能工壩面壓強(qiáng)特性分布規(guī)律的影響。

圖1 過渡階梯組合方案

2 數(shù)學(xué)模型、計(jì)算域網(wǎng)格劃分及邊界條件處理

本次模擬采用的數(shù)學(xué)模型、計(jì)算域網(wǎng)格劃分及邊界條件處理參見文獻(xiàn)[13]。計(jì)算域以阿海水電站5個(gè)溢流表孔為對象，劃分網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，為獲得高質(zhì)量網(wǎng)格，將模型轉(zhuǎn)化為虛體后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并遵循疏密適當(dāng)?shù)脑瓌t，在WES曲面與階梯溢流壩連接過渡段、階梯溢流壩段及水氣交界面的區(qū)域等關(guān)鍵部位的網(wǎng)格應(yīng)適當(dāng)加密。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 階梯溢流壩面負(fù)壓分布規(guī)律

模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)各方案均在摻氣空腔內(nèi)產(chǎn)生局部負(fù)壓，除方案1負(fù)壓分布在前幾級階梯外，其他方案負(fù)壓均分布在首級階梯內(nèi)，各方案負(fù)壓等值線分布如圖2所示。本文側(cè)重分析各方案空腔內(nèi)臺階壁面負(fù)壓的大小分布規(guī)律，主要包括y=0 m剖面階梯豎直壁面和水平壁面負(fù)壓分布規(guī)律及同一方案、不同剖面階梯豎直壁面和水平壁面負(fù)壓分布規(guī)律。

圖2 各方案首級臺階壓強(qiáng)等值線

3.1.1 各方案階梯豎直及水平壁面負(fù)壓分布規(guī)律

圖3為各方案前幾級階梯y=0 m剖面豎直及水平壁面壓強(qiáng)分布。

圖3 各方案豎直及水平壁面壓強(qiáng)分布

由圖3a可知，各方案豎直壁面壓強(qiáng)有相同的分布規(guī)律，沿首級階梯豎直壁面壓強(qiáng)從正壓迅速減小過渡到負(fù)壓，最大負(fù)壓基本發(fā)生在同一位置，然后壓強(qiáng)又逐漸增大。方案1豎直壁面負(fù)壓最小，為-0.6 kPa；方案4負(fù)壓最大，為-4.68 kPa；過渡階梯首級臺階尺寸相同的方案2、5的豎直壁面最大負(fù)壓大小接近，分別為-0.72、-0.84 kPa；過渡階梯首級臺階尺寸相同的方案3、6的豎直壁面最大負(fù)壓大小相近，分別為-0.33、-0.36 kPa，均小于方案2、5。

由圖3b可知，各方案水平壁面壓強(qiáng)先緩慢減小然后逐漸增大。方案4負(fù)壓最大，為-3.9 kPa，而其他各方案負(fù)壓均比較小，且變化也比較緩慢。過渡階梯首級臺階尺寸相同的方案2、5水平壁面最大負(fù)壓均為-0.54 kPa，過渡階梯首級臺階尺寸相同的方案3、6水平壁面最大負(fù)壓大小相近，分別為-0.21、-0.24 kPa，均小于方案2、5。

綜上所述，當(dāng)過渡階梯由小臺階組合或者首級階梯由大臺階組合時(shí)，均可減小階梯內(nèi)豎直壁面和水平壁面負(fù)壓，其中過渡階梯首級臺階對壩面負(fù)壓影響最大，隨著首級臺階尺寸的增大，壩面負(fù)壓將逐漸減小。同時(shí)，較小的負(fù)壓還有助于階梯壩面的摻氣，有效避免壩面發(fā)生空蝕破壞。

3.1.2同一方案不同剖面階梯豎直及水平壁面負(fù)壓分布規(guī)律

為探討摻氣空腔內(nèi)整個(gè)階梯壩面的負(fù)壓分布規(guī)律，本文對同一方案、不同剖面的壓強(qiáng)分布規(guī)律進(jìn)行對比分析，圖4為方案4的不同剖面臺階豎直壁面和水平壁面壓強(qiáng)分布。

圖4 方案4的不同壩面壓強(qiáng)分布規(guī)律

由圖4可知，y=4.5 m剖面豎直壁面最大負(fù)壓為-0.56 kPa，水平壁面最大負(fù)壓為-0.34 kPa，較其他剖面豎直和水平壁面最大負(fù)壓均為小，變化也相對平緩。由于y=4.5 m剖面在出墩水流的外邊緣，與空氣大面積接觸，摻氣充分，因而負(fù)壓較小。而其他剖面豎直壁面和水平壁面壓強(qiáng)有相同的分布規(guī)律。在豎直方向，壓強(qiáng)沿首級臺階從正壓迅速減小過渡到負(fù)壓，達(dá)到負(fù)壓最大值，隨后負(fù)壓緩慢減小，在首級臺階過渡到第2級臺階時(shí)，壓強(qiáng)從負(fù)壓躍升至正壓。在水平方向，負(fù)壓沿首級臺階壁面緩慢增大，在首級階梯與第2級階梯交界處負(fù)壓躍升為正壓。其中，y=3 m剖面豎直和水平壁面最大負(fù)壓分別為-5.4、-4.35 kPa；y=1.5 m剖面豎直和水平壁面最大負(fù)壓分別為-6.06、-5.34 kPa；y=0 m 剖面豎直和水平壁面最大負(fù)壓分別為-4.5、-3.9 kPa。對比分析可知，y=1.5 m剖面負(fù)壓較其他剖面為大，比y=0 m剖面豎直壁面最大負(fù)壓增大25.7%，水平壁面增加29.3%，比y=3 m剖面豎直壁面最大負(fù)壓增大10.9%，水平壁面增加21.2%，說明壩面最大負(fù)壓并不在水舌底部的中心剖面處，而是偏離一段距離，即階梯壁面負(fù)壓沿水舌兩邊緣向中心剖面先迅速增大，然后略有減小。其他方案也有相同的變化規(guī)律。

3.2 階梯溢流壩面沿程時(shí)均壓強(qiáng)分布規(guī)律

為探討大小臺階組合的過渡階梯對整個(gè)階梯溢流壩面時(shí)均壓強(qiáng)分布規(guī)律的影響，本文選取y=0剖面進(jìn)行對比分析，各方案在豎直和水平方向沿程時(shí)均壓強(qiáng)分布如圖5所示。由圖5可知，壓強(qiáng)在階梯溢流壩面豎直和水平方向沿程時(shí)均壓強(qiáng)有相同的分布規(guī)律，沿程略有波動(dòng)，但總體呈逐漸增大趨勢。在階梯溢流壩的前端壓強(qiáng)變化趨于平緩，略有增大，而在階梯溢流壩的后半段，隨著流速的增大，壩面水流紊亂加劇，所以壓強(qiáng)也出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

圖5 各方案壩面時(shí)均壓強(qiáng)分布

3.3 消力池底板壓強(qiáng)分布規(guī)律

泄水建筑物同時(shí)承擔(dān)泄洪和消能的兩大任務(wù)，要求在安全泄洪的同時(shí)嚴(yán)格控制下泄水流對下游基坑的沖刷，防止壩體破壞及壩基失穩(wěn)。尤其對于高水頭大單寬泄洪工程，護(hù)坦存在脈動(dòng)壓強(qiáng)較大，保護(hù)抗沖難度大，且所需消力池尺寸大，造價(jià)高等問題，本次研究大小臺階組合的過渡階梯對消力池底板壓強(qiáng)的分布及對同一方案、不同剖面的壓強(qiáng)分布規(guī)律，如圖6所示。

圖6 各方案反弧段與消力池底板壓強(qiáng)分布

由圖6a可知，反弧段內(nèi)壓強(qiáng)急劇升高，在樁號145 m附近達(dá)到最大值后又迅速降低，說明此處為上游水舌的跌落點(diǎn)，水流沖擊底板產(chǎn)生較高的壓強(qiáng)，水流沖擊底板后反彈，所以壓強(qiáng)在達(dá)到最大值后迅速降低，在樁號165 m后壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定，到消力池末端，受尾坎的作用，水深加大，壓強(qiáng)也隨之加大，而過渡階梯的大小臺階組合方式對護(hù)坦壓強(qiáng)影響不大。由圖6b可知，同一方案的不同剖面，反弧段和消力池底板有相同的壓強(qiáng)分布規(guī)律。

4 結(jié) 論

通過對大小臺階組合的過渡階梯的“Y形寬尾墩+階梯溢流壩+消力池”一體化消能工進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到結(jié)論如下：

(1)當(dāng)過渡階梯臺階尺寸較小時(shí)，負(fù)壓分布在前幾級階梯，且負(fù)壓較小。當(dāng)過渡階梯首級臺階尺寸較大時(shí)，負(fù)壓主要分布在首級階梯內(nèi)，隨著首級階梯臺階尺寸的增大，負(fù)壓將逐漸減小。階梯壁面負(fù)壓沿水舌兩邊緣向中心剖面先迅速增大，然后略有減小。壩面最大負(fù)壓不在水舌底部的中心剖面處。

(2)過渡階梯的不同大小臺階組合對反弧段及消力池底板壓強(qiáng)影響較小，反弧段內(nèi)壓強(qiáng)急劇升高，在消力池前端達(dá)到最大值，隨后又迅速降低，在消力池的中部壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定，到消力池末端，受尾坎的作用，水深加大，壓強(qiáng)也隨之增大，且不同剖面壓強(qiáng)大小分布基本一致。

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