新疆某水庫溢洪洞水力特性的試驗研究與數(shù)值模擬

田 錚，張耀哲，安夢雄，盧洋亮

(西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

溢洪洞是一種在水利工程中經(jīng)常應(yīng)用的泄水建筑物，多由導(dǎo)流隧洞改建而成，以節(jié)省建設(shè)成本，縱剖面上采用“龍?zhí)ь^”、“龍彎腰”或“龍落尾”等型式，開敞式進口，后銜接隧洞，具有高水頭和大流速等特點，在泄洪過程中常發(fā)生脈動、振動、空化、空蝕及霧化等不利的水力學問題。國內(nèi)外學者針對溢洪洞開展了諸多研究。王利等[1]對去學水電站泄洪洞進行水力特性研究，提出了“等流速”明流泄洪洞底坡計算公式。張學琴等[2]采用水工模型試驗方法，針對小浪底水利樞紐龍?zhí)ь^式泄洪洞高速水流產(chǎn)生的水力學問題進行試驗研究。姜攀等[3]研究了不同庫水位條件下有壓泄洪洞洞身轉(zhuǎn)彎段壓力特性，并進行試驗驗證。劉嘉夫等[4]采用FLOW-3D軟件對青海省某水電站龍?zhí)ь^泄洪洞工程進行三維數(shù)值模擬研究，得到各部位水力參數(shù)，與試驗實測結(jié)果吻合良好。鄧建偉等[5]通過試驗研究提出了適合龍?zhí)ь^式泄洪洞導(dǎo)泄“二合一”隧洞出口消能工體型。

針對溢洪洞的研究成果眾多，方法比較成熟，但研究從初期針對某一特定部位[2-3,6]到開展整體水力特性研究[4-5，7]，研究對象多以導(dǎo)流洞改建的有壓隧洞為主，除龍?zhí)ь^段坡度變化外其他部位坡度平緩，且隧洞斷面不存在較大的收縮變化；對開敞式進口，存在大陡坡結(jié)構(gòu)及斷面收縮變化的明流溢洪洞研究較少。由于工程實際情況千差萬別，既有相似性，又有獨特性，不能完全照搬工程經(jīng)驗。本文以新疆某水庫溢洪洞原設(shè)計方案為研究對象，結(jié)合模型試驗與數(shù)值模擬方法，重點針對溢洪洞進口段、斜井段、反弧段及洞身段等部位水流流態(tài)、時均壓強、水流流速等進行全面分析研究，提出優(yōu)化體型，改善消能防沖措施，為實際工程設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 工程概況

新疆某水庫工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，總庫容2 488.1萬m3。工程由攔河壩、表孔溢洪洞、導(dǎo)流兼深孔泄洪洞及灌溉放水洞等組成，攔河壩為瀝青混凝土心墻壩，壩高111 m，表孔溢洪洞布置在左岸，采用有閘門控制的開敞式進口，由引渠段、控制段、漸變段、斜井段、反弧段、洞身段、泄槽段、鼻坎段及護坦等部分組成，全長399.385 m?？刂贫芜M口底板高程1 474.50 m，閘頂高程同壩頂高程1 487.50 m，堰型為WES實用堰、3孔，單孔堰寬5.0 m、堰頂高程1 477.50 m；漸變段坡度1∶1.5，斷面形式由16.734 m×10.000 m(寬×高)的矩形洞斷面漸變?yōu)? m×8 m(寬×高)的城門洞形；斜井段坡度1∶1.5，斷面形式為8 m×8 m的城門洞形，末端接半徑60 m的反圓??；洞身段及泄槽段縱坡1∶20，洞身段斷面形式同斜井段，泄槽段長10.0 m，底寬8.0 m，為整體式U型框；出口挑流鼻坎段長15 m，鼻坎寬8.0 m，反弧半徑為35.0 m，具體工程布置見圖1，典型斷面尺寸圖見圖2。

圖1 表孔溢洪洞平面及縱剖面示意圖(高程及樁號單位：m)

圖2 表孔溢洪洞典型斷面尺寸圖(尺寸單位：mm)

2 研究方法

2.1 物理模型

依據(jù)水利部《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》[8](SL 155—2012)中的標準與方法，按照重力相似準則設(shè)計[9]。按照試驗任務(wù)要求，在綜合考慮試驗場地及試驗設(shè)備供水能力基礎(chǔ)上，物理模型采用1∶50的正態(tài)模型。上游庫區(qū)按照表孔溢洪洞中心線方向，自進口向上至對面山坡，長度約200 m，庫區(qū)河道縱向長度約260 m；下游河道從導(dǎo)流兼深孔泄洪洞出口挑坎末端向下游270 m。模型流量比尺Qr=Lr5/2=17677.7，流速和時間比尺Vr=Tr=Lr1/2=7.071，糙率比尺Nr=Lr1/6=1.919。模型材料采用有機玻璃以便于流態(tài)觀察，滿足糙率相似，為便于測量數(shù)據(jù)，模型不設(shè)置頂蓋，邊墻高度同洞頂高度。地形高程用水準儀控制，建筑物用經(jīng)緯儀和水準儀控制。庫區(qū)地貌、下游河道表面采用水泥砂漿抹面，制作模型地形時采用斷面法，斷面間距取30 m，對地形變化復(fù)雜處增加斷面處理，采用測壓管測量時均壓力，三角量水堰測量流量。

2.2 數(shù)值模擬

基于FLOW-3D軟件進行三維數(shù)值模擬，采用RNGk-ε湍流模型來模擬水流流動，該模型在泄水建筑物的流場模擬等研究中被廣泛應(yīng)用[10-13]，具有一定的可靠性；VOF模型能精準跟蹤自由表面，適用于水工建筑物內(nèi)水流流動[14-16]。軟件網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格，以控制段進口中點為xy平面零點，設(shè)置z坐標為進口高程1 474.50 m，x正方向與水流流動方向一致，z正方向沿高程向上，網(wǎng)格單元尺寸x方向采用1 m，y、z方向為0.5 m，網(wǎng)格數(shù)量約為750萬個。模型以校核工況為算例，進口采用壓力邊界進口并設(shè)置水位為1 486.55 m(校核水位)，出口邊界采用自由出流，上部進口采用對稱邊界，左右及底部采用壁面邊界，壁面邊界采用無滑移邊界條件。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 泄流能力

根據(jù)設(shè)計洪水標準，土石壩校核洪水重現(xiàn)期為2 000年一遇，相應(yīng)洪峰流量為975 m3/s，其中表孔溢洪洞最大泄流量為746 m3/s，特殊工況為假定僅依靠表孔溢洪洞暢泄校核洪水，最大泄流量879 m3/s。為驗證溢洪洞泄流能力是否滿足設(shè)計要求，通過模型試驗進行流量率定，得到了表孔溢洪洞3孔全開庫水位-流量關(guān)系曲線，結(jié)果見圖3。結(jié)果表明，特殊虛擬工況與校核工況的下泄流量滿足設(shè)計要求，相較于設(shè)計值分別有5.72%和4.29%的富余量，能夠滿足安全下泄水庫上游對應(yīng)頻率洪水的要求。

圖3 表孔溢洪洞3孔全開庫水位-流量關(guān)系曲線圖

3.2 水流流態(tài)

試驗對表孔溢洪洞3孔全開流態(tài)進行觀察，進口水流順暢，校核洪水位時引渠段兩側(cè)邊墻存在較弱的繞流漩渦，但對溢洪洞過流沒有影響，堰面水面平穩(wěn)，水面光滑，流態(tài)較好，過堰水流受閘門體型影響，在墩后形成明顯水翅，同時水流受控制段兩側(cè)邊墻收縮及漸變段向斜井段斷面形式改變等影響，邊壁水翅和折沖水流在斜井段交匯形成強烈的交匯水翅，并伴有大量濺水，交匯水翅逐步擴散，又形成邊壁水翅，如此的折沖水流從交匯到擴散有規(guī)律地向下游傳播，強度沿程減弱。洞身段水面平順，無較大波動，水流經(jīng)挑流鼻坎挑射入下游河道，由于鼻坎為連續(xù)坎且水流流速大，水舌集中，對下游河道沖刷強烈，沖坑較深。校核工況下測試斷面處水深分布見表1。

表1 測試斷面處水深

數(shù)值模擬較為準確的模擬出了表孔溢洪洞內(nèi)的水流流態(tài)，但鑒于墩后水翅、邊壁水翅較薄，相對于網(wǎng)格單元尺寸太小，難以精準捕捉，溢洪洞各段水流流態(tài)見圖4。

圖4 表孔溢洪洞水流流態(tài)示意圖

3.3 底板壓強分布

校核洪水位工況，表孔溢洪洞底板中心線上壓強分布見圖5，溢流堰堰面壓強分布存在小范圍的負壓，其最小值只有-0.611×9.8 kPa，在規(guī)范允許范圍內(nèi)，可判斷堰面體型合理。在反弧段及挑坎段存在較大壓強，最大壓強出現(xiàn)在反弧段中段，其值為15.997×9.8 kPa，說明斜井下泄水流沖擊強烈，試驗值與計算值壓強比較見圖5，可以看出計算值與試驗值基本吻合。

圖5 底板中心線壓強分布圖

3.4 水深分布

溢洪洞中心線水深沿程分布見圖6。

圖6 底板中心線水深分布圖

由圖6可見水面線在斜井段因交匯水翅存在較大波動，流態(tài)不理想，整個沿程水面高度未超過洞頂，洞身段水深相對穩(wěn)定，計算值大部分與試驗值吻合良好，誤差原因可能在于水面波動與破碎，測量水深偏高。

3.5 流 速

流速是影響溢洪洞是否產(chǎn)生空化空蝕的重要依據(jù)，重點關(guān)注表孔溢洪洞內(nèi)水流流速，由于控制段到反弧段比降陡，水流從過堰時低流速迅速沿程增加，到反弧段起點時，模型試驗測量底流速為30.87 m/s，屬于高速水流區(qū)間，易引起空蝕破壞，對表孔溢洪洞沿程流速進行測量，并與數(shù)值模擬計算值比較，結(jié)果詳見表2。從表中可以看出，二者擬合情況大部分基本相近，最大誤差出現(xiàn)在樁號0+113.902 m處，為反弧段末端，可能由于此處水流沖擊，水流紊動大，流速波動大的原因；可以看出反弧段后水流流速基本處于高速狀態(tài)，需要考慮摻氣減蝕。

表2 溢洪洞近底流速沿程分布

3.6 原設(shè)計結(jié)果小結(jié)

水工模型試驗表明，表孔溢洪洞進出口平面位置布置合理，泄流能力滿足要求，但因為存在體型斷面變化，造成漸變段及斜井段存在較強水翅及折沖水流，對泄水建筑物極為不利，需要進行體型的調(diào)整。數(shù)模計算結(jié)果與水工模型試驗資料基本吻合，由于流場存在水翅及折沖水流，造成二者存在一定的誤差，軟件可應(yīng)用于表孔溢洪洞的優(yōu)化設(shè)計。

4 體型優(yōu)化研究

由試驗結(jié)果知：原設(shè)計方案過堰水流由于受控制段邊墻收縮，形成邊壁水翅，并于漸變段得到疊加而形成強烈的交匯水翅，逐步擴散又形成邊壁水翅，強度沿程減弱；出口挑射水舌由于鼻坎體型，存在落點靠近左岸岸坡，擴散不充分，集中沖坑明顯等問題。

針對以上問題確定原設(shè)計體型優(yōu)化原則為：(1) 盡可能讓過堰水流平順與下游銜接，降低折沖水流及交匯水翅強度；(2) 盡可能使挑流水舌遠離岸坡，落點于河道中間，并在空間上實現(xiàn)擴散，降低集中水舌造成的沖坑深度。

優(yōu)化措施：(1) 在控制端后設(shè)置一定長度的緩坡調(diào)整段，使?jié)u縮水流盡可能在緩坡距離內(nèi)進行流態(tài)調(diào)整，降低折沖波強度，使下泄水流流態(tài)平順，避免高速水流出現(xiàn)折沖波，提高體型抗空化能力；(2) 挑流鼻坎左岸邊墻向河道偏轉(zhuǎn)，將水舌導(dǎo)向河道中心方向，為實現(xiàn)水流橫向擴散效果，考慮去掉右岸邊墻并斜切鼻坎。

對比不同方案，最終采用推薦為：漸變段后設(shè)置40 m長度的調(diào)整段，通過渥曲面段和斜井段與原洞身段相接，漸變段與調(diào)整段縱坡采用1/20；為充分向下游挑流，挑坎半徑保持不變，弧長加長，挑射角增加，左邊墻向河道方向偏移1.5 m，去掉右邊墻，對挑坎出口斜切，水舌右邊挑射距離縮短。對推薦體型進行模型試驗，以校核工況為例，將水流流態(tài)、水面線及水舌與原設(shè)計對比分析，分析結(jié)果如下。

4.1 流態(tài)分析

相較于原設(shè)計方案，調(diào)整段起到了調(diào)整流態(tài)的作用，沿程流態(tài)大大改善，但由于比降變緩，過堰水流從急流向緩流變化，水面壅高，水深增加，流速減緩，折沖水流強度變?nèi)酰粎R水翅減弱，鑒于平面體型布置的原因，無法完全消除折沖水流。

4.2 水深分析

通過設(shè)置調(diào)整段的方式放緩水流，一定程度上降低了原設(shè)計方案下折沖水流強度，減少濺水的發(fā)生，但同時帶來了水面線升高，交匯水翅升高的問題，從圖7可以看出左右側(cè)水深從平均4.0 m升至接近6.5 m，逼近邊墻高度6.69 m，交匯水翅最高大約8 m；相較于原設(shè)計方案流態(tài)有所改善。

圖7 水深對比圖

4.3 挑流水舌分析

推薦方案水舌見圖8，通過對左側(cè)邊墻向河道導(dǎo)向，強迫水舌偏轉(zhuǎn)，將水舌落點遠離河道左岸，防止沖刷岸坡；通過去掉右側(cè)邊墻約束，釋放空間，為避免大流量下水舌對河道右岸的沖刷，將挑坎出口斜切，讓水舌右側(cè)挑射距離變短，實現(xiàn)水舌擴散。

圖8 推薦鼻坎水舌形態(tài)圖

5 結(jié) 語

本文以新疆某水庫溢洪洞為研究對象，重點解決原設(shè)計方案體型存在的流態(tài)及水舌問題，通過設(shè)置緩坡調(diào)整段，降低流速，減弱折沖水流給洞身帶來的沖擊，保證了各工況流量下結(jié)構(gòu)的安全；通過對挑流鼻坎的改動，實現(xiàn)水舌在下游河道內(nèi)縱橫向的擴散，避免了集中水舌對岸坡及河床的沖刷，降低了沖坑深度。