閘站樞紐閘下非連續(xù)底坎整流措施研究

曾 昊

（湖州南太湖水利水電勘測設(shè)計院有限公司寧波分公司,浙江 寧波 315000）

1 模型建立及計算方法

1.1 閘站樞紐工程概況

本文以某閘站樞紐為例,泵站與節(jié)制閘并列布置,分別位于西東兩側(cè)。節(jié)制閘閘孔寬14 m,底板檻頂高程-0.50 m,河道底高程-0.74 m,外河消力池以0.5 m平臺與閘底板相連,之后接1∶4 斜坡,高程由-0.50 m降至-1.00 m,消力池長14 m。海漫段長40 m,高程為-0.24 m,見圖1。

圖1 閘站樞紐圖

1.2 計算模型

本文模擬的是閘站樞紐工程水閘出水口的流動,屬于復(fù)雜的三維紊流運動,是不可壓流動,模擬區(qū)域為閘站合建樞紐中閘后水流。采用雷諾平均方程和Realizable k-ε模型方程對其進(jìn)行模擬,四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格混合劃分（總網(wǎng)格數(shù)約470 萬）,采用SIMPLEC算法。假定水體為不可壓縮流體,由閘進(jìn)水的流量和入水口斷面大小可求出入流處的水流流速,因此選擇入流處的邊界條件是速度邊界條件。以距離閘門斷面250 m處作為出口斷面,在此斷面流速分布較為均勻,滿足邊界條件要求。在FLUENT計算中取出流條件為自由流出（Outflow）。采用剛蓋假定自由表面處理[1]。

式中：xi（j=1,2,3）為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；ui為速度矢量u在i方向的分量；gi為沿i方向的質(zhì)量力；ν為水的運動粘度系數(shù)；νt為渦粘性系數(shù)。

其中：σε=1.2, σk=1.0,C2=1.9 ;

計算模型與網(wǎng)格劃分情況見圖2、圖3。

圖2 閘站樞紐三維計算模型圖

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 計算結(jié)果

水閘、泵站分別運行時,水流從水閘、泵站一側(cè)流出,由于斷面突擴的影響,水流發(fā)生一定角度的偏移,改變了水流動力分布,在泵站、水閘側(cè)形成了大范圍回流和橫向流動。水閘單獨運行時,下游出流偏向水閘側(cè),泵閘結(jié)合處的水流繞著導(dǎo)流墻進(jìn)入泵站出水池,產(chǎn)生回流。同時由于回流的影響主流區(qū)與回流區(qū)形成了壓差,水面產(chǎn)生了橫向水面坡降,使水流沿河道單側(cè)前進(jìn),形成了偏流[2]。圖4 中可以觀察到水流受水閘與泵站分側(cè)布置影響,出閘水流左側(cè)沿翼墻擴散,在80 m左右的位置形成一脫壁水流；右側(cè)水流突然擴張,在泵站側(cè)形成了范圍較大的回流區(qū)。回流區(qū)長約100 m,最大寬度約占河道寬度的1/2。在典型斷面處水流流態(tài)分布極不均勻,對樞紐下游通航、防沖及景觀是極為不利[3]。

圖4 設(shè)計水位近表層流速分布圖

選取水閘出水流道防沖槽斷面（0+076.5）作為典型斷面,縱向流速分布圖見圖5。

圖5 縱向流速分布圖

由圖5 可以看出水流呈右正左負(fù)的狀態(tài),主流集中于水閘側(cè),水流明顯分布不均,惡化了樞紐的出水流態(tài),對下游的通航與消能防沖造成了危害,降低了樞紐的效率及安全性。

2 非連續(xù)底坎間距研究

根據(jù)前文研究成果[4],將底坎位置與閘后隔墩至防沖槽的距離之比l /L設(shè)定為0.4 ,底坎寬度與出口河底寬度之比b/B為0.5,底坎高度與出口水深之比h/H為0.5 進(jìn)行試驗研究。先將底坎分為兩段,將底坎中間分隔,間距d（見圖6）分別設(shè)置為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m。

圖6 非連續(xù)底坎間距位置示意圖

各不同間距控制條件下閘下近表層的流速分布見圖7。

圖7 各不同間距控制條件下閘下近表層流速分布圖

從圖7中可以看出,當(dāng)間距為0.5 m時,出閘水流在流經(jīng)底坎后,水流通過間隙,在間隙后水流變紊亂。間距逐漸增大時,水流紊亂程度同時增大。

各不同間距控制條件下典型斷面的流速分布見圖8。

圖8 各不同間距控制條件下典型斷面流速分布圖

通過圖8可以看出,間距越大,間隙對流速的影響范圍越大,但對流速垂向影響不明確。

運用前面提到的流速分布不均勻系數(shù)公式分別計算上述幾種不同間距控制條件下閘后典型斷面的流速分布不均勻系數(shù),將結(jié)果列于表1。并將流速分布不均勻系數(shù)和底坎間距繪制成折線圖,見圖9。

表1 不同間距工況下典型斷面流速分布不均勻系數(shù)

圖9 不同間距典型斷面流速分布不均勻系數(shù)變化趨勢圖

根據(jù)圖9 可以看出,隨著間距的增大,流速橫向分布不均勻系數(shù)在增大。流速垂向分布不均勻系數(shù)先增大后減小,但流速垂向分布不均勻系數(shù)變化不大。所以底坎之間間距越小對下游河道的流態(tài)越有利。

3 非連續(xù)底坎間隙數(shù)量研究

通過上節(jié)研究分析,底坎之間間距越小對下游河道的流態(tài)越有利。因此,我們依舊將底坎位置與閘后隔墩至防沖槽的距離之比l/L設(shè)定為0.4,底坎寬度與出口河底寬度之比b/B為0.5,底坎高度與出口水深之比h/H為0.5,底坎之間間距設(shè)為0.5 m,增加底坎的間隙數(shù)量進(jìn)行試驗研究。將底坎間隙數(shù)量分別設(shè)置為1、2、3、4、6、8。間隙布置方式見圖10 。

圖10 不同間距典型斷面流速分布不均勻系數(shù)變化趨勢圖

各不同底坎間隙數(shù)量控制條件下閘下近表層的流速分布見圖11。

圖11 各不同底坎間隙數(shù)量控制條件下閘下近表層流速分布圖

從圖11 中可以看出,當(dāng)間隙數(shù)量逐步增多時,出閘水流在流過孔隙后,水流變得更加均化；間隙增多的同時,水流經(jīng)過底坎后,底坎對底流無法實施完全阻斷,原水流被迫從間隙中流出,使得水流從底坎兩側(cè)越過底坎,減弱了底坎的整流作用。

各不同底坎間隙數(shù)量控制條件下典型斷面的流速分布見圖12。

圖12 各不同底坎間隙數(shù)量控制條件下閘下典型斷面流速分布圖

通過圖12 可以看出,底坎間隙數(shù)量越多,對流速垂向分布影響越大。

運用前面提到的流速分布不均勻系數(shù)公式分別計算上述幾種不同間隙數(shù)量控制條件下閘后典型斷面的流速分布不均勻系數(shù),將結(jié)果列于表2。并將流速分布不均勻系數(shù)和底坎間隙數(shù)量繪制成折線圖,見圖13。

圖13 不同底坎間隙數(shù)量典型斷面流速分布不均勻系數(shù)變化趨勢圖

表2 不同底坎間隙數(shù)量工況下典型斷面流速分布不均勻系數(shù)

從表2 中數(shù)值可以看出,在增加間隙數(shù)量,即減小底坎的有效長度時,流速橫向分布不均勻系數(shù)變化范圍與連續(xù)底坎的橫向分布不均勻系數(shù)變化范圍基本一致。因此,合適的非連續(xù)底坎與連續(xù)底坎同樣能夠改善水流流態(tài),并且為河流生物多樣性提供有利條件,帶來一定的社會效益。

根據(jù)圖13 可以看出隨著底坎間隙數(shù)量的增大,流速橫向分布不均勻系數(shù)在減??；當(dāng)?shù)卓查g隙數(shù)量增大至3 個之后,流速橫向分布不均勻系數(shù)開始增大。流速垂向分布不均勻系數(shù)隨著底坎間隙數(shù)量的增大而增大。綜合考慮這兩個指標(biāo),當(dāng)?shù)卓查g距取0.5 m時,底坎孔隙數(shù)量取3 個較合適,對本工程下游河道的流態(tài)較有利。

4 結(jié)論

通過對閘站樞紐工程非連續(xù)底坎的初步研究,表明合適的非連續(xù)底坎與連續(xù)底坎同樣能夠改善下游河道流態(tài)。非連續(xù)底坎之間間距越小對下游河道的流態(tài)越有利；對于本工程而言,底坎間隙數(shù)量取3 個較為合適,對下游河道的流態(tài)較有利。