何家溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程消能墩體型和位置優(yōu)化研究

付云鵬

（凌源市水利工程管理站，遼寧省朝陽(yáng)市凌源市 122500）

1 工程概述

何家溝水庫(kù)位于遼寧省凌源市刀爾登鎮(zhèn)南店村，是一座主要以防洪為主兼顧灌溉、養(yǎng)魚的?。á颍┬退畮?kù)。何家溝水庫(kù)于1969年完成初步設(shè)計(jì)，于1971年建成并投入使用。2008年水庫(kù)進(jìn)行過簡(jiǎn)單維修，但是維修不徹底，2016年4月，朝陽(yáng)市水務(wù)局組織專家對(duì)該水庫(kù)大壩進(jìn)行安全鑒定，結(jié)果為三類壩，需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固。在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案中，溢洪道總體布置不變，由引渠、溢流堰、陡坡、跌坎組成。本次設(shè)計(jì)原溢洪道邊墻高程不滿足泄洪要求的拆除重建，底板重新以鋼筋混凝土襯砌，采用0.3m厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；跌坎下游設(shè)10m消力池，池深0.6m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚0.5m，在鋼筋混凝土下再鋪設(shè)0.2m碎石墊層，在消力池埋設(shè)排水管。下游設(shè)15m石籠海漫防沖，厚度為0.5m。受到地形因素的影響，消力池的池長(zhǎng)與加固前相同，由于防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高，傳統(tǒng)挖深消力池已經(jīng)不能滿足消能要求，因此計(jì)劃采取在消力池內(nèi)設(shè)置消能墩的方式解決[1]。基于此，此次研究通過模型試驗(yàn)的方式，探討最加佳的消能墩墩型和設(shè)置位置，為工程設(shè)計(jì)和施工提供支持。

2 有限元計(jì)算模型

使用FLUENT軟件，對(duì)梯度較大的流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行模擬計(jì)算，可以對(duì)流動(dòng)情況進(jìn)行精確預(yù)測(cè)[2]。

2.1 模型的構(gòu)建

為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，此次研究計(jì)算模型包括上游100m庫(kù)區(qū)，溢洪道引渠、溢流堰、陡坡、跌坎段，下游消力池以及海漫段[3]。其中，上游庫(kù)區(qū)的地形起伏較大，其靜思園區(qū)域難以通過規(guī)則圖生成，因此將上游地形點(diǎn)導(dǎo)入CFD前處理軟件，再生成幾何圖形，對(duì)于其余規(guī)則形狀部分，則在autoCAD中生成實(shí)體，導(dǎo)入CFD前處理軟件，并與上游計(jì)算區(qū)域相連，最終形成完整的計(jì)算區(qū)域[4]。模型構(gòu)建過程中對(duì)整個(gè)模型結(jié)構(gòu)全部進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。鑒于T型墩部位的水流流態(tài)復(fù)雜多變，為了保證計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和有效性，對(duì)T型墩附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，整個(gè)模型共劃分為39個(gè)體、245個(gè)面，618 895個(gè)網(wǎng)格單元。其中，T型墩附近區(qū)域的模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 T型墩附近區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 邊界條件

此次模擬計(jì)算研究涉及到的邊界類型有三個(gè)，分別為水流入口、水流出口以及固壁邊界[5]。模型進(jìn)口采用速度進(jìn)口，由上部的氣體入口和下部的水流入口兩大部分組成。其中，水流進(jìn)口在水庫(kù)的水流入口veolicity—inlet，以水位和單寬流量給定進(jìn)口速度；氣體邊界部位采用壓力邊界條件，其壓力值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[6]。模型的出口為自由出流，整個(gè)計(jì)算模型的頂部為壓力出口，為給定大氣壓強(qiáng)。模型的溢洪道邊墻和底板均采用固壁邊界條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。為了提高模型計(jì)算的精度，在設(shè)置完成邊界條件之后，將上游水庫(kù)部分水位線以下全部充滿水，其他區(qū)域全部充滿空氣[7]。

2.3 計(jì)算方案

消能墩主要依靠依靠水流紊動(dòng)產(chǎn)生的小尺度漩渦的局部摻混、剪切消除水流能量，降低消力池下游的水流流速，減輕沖刷破壞[8]。為了獲得最佳的消能墩設(shè)計(jì)方案，同時(shí)減小運(yùn)算量，試驗(yàn)中首先將消能墩的位置確定在消力池池首，對(duì)梯形墩、T型墩和頂角60°T型墩三種常見的墩型進(jìn)行計(jì)算和比選，以確定最佳墩型。然后，針對(duì)最佳墩型選擇消力池池首、池中和池尾三個(gè)不同的位置進(jìn)行比選研究，以確定最佳的消能墩位置。

3 不同墩型計(jì)算結(jié)果

3.1 流速

對(duì)位于消力池池首的不同墩型和不同下瀉流量條件下的各關(guān)鍵斷面的流速進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取最大流速值，結(jié)果如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著下瀉流量的增大，T型墩對(duì)流速的消減最為明顯，而下瀉流量較小時(shí)，由于其沒有和尾坎相連，其相對(duì)流速的控制作用不如梯形墩。但是，對(duì)于背景工程為代表的低水頭溢洪道而言，其消能結(jié)構(gòu)的主要作用體現(xiàn)在大流量條件下，因此認(rèn)為T型墩最為適合。

表1 不同墩型最大流速計(jì)算結(jié)果

3.2 水躍高度

水躍高度也是評(píng)價(jià)消能結(jié)構(gòu)消能效果的重要指標(biāo)，研究中利用構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對(duì)不同墩型、不同下瀉流量條件下的水躍高度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。由表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，在下瀉流量較小的情況下，三種墩型的水躍高度比較接近，隨著下瀉流量的增大，T型墩的水躍高度明顯偏小，而頂角60°墩的水躍高度最大。這說明，T型墩可以產(chǎn)生相對(duì)較好的消能效果。

表2 不同墩型水躍高度計(jì)算結(jié)果

3.3 能量損失系數(shù)

利用有限元模型對(duì)不同墩型方案的綜合能量損失系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于背景工程而言，T型墩方案在不同流量條件下的綜合能量損失系數(shù)最大，具有顯著的消能優(yōu)勢(shì)。因此，推薦采用T型墩墩型。

表3 不同墩型能量損失系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 不同消能墩位置計(jì)算結(jié)果

4.1 流速

對(duì)位于不同位置和不同下瀉流量條件下的各關(guān)鍵斷面的流速進(jìn)行模擬計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取最大流速值，結(jié)果如表4所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)T型消能墩位于池首時(shí)的流速最大，其次是位于池中，最大流速最小的是池尾方案。由此可見，對(duì)于水流動(dòng)能的消減，將消能墩置于池尾和尾坎相連時(shí)的效果最好。

表4 不同消能墩位置流速最大值

4.2 水躍高度

研究中利用構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對(duì)不同T型墩位置、不同下瀉流量條件下的水躍高度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。由表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，三種墩型的水躍高度比較接近，隨著下瀉流量的增大，T型墩的水躍高度明顯偏小，而頂角60°墩的水躍高度最大。這說明，T型墩可以產(chǎn)生相對(duì)較好的消能效果。由表中的結(jié)果可以看出，池首和池尾方案下的水躍高度比較接近，池中方案下的水躍高度相對(duì)偏大，但是差距并不明顯。由此可見。消能墩位置對(duì)水躍高度的影響不明顯。

表5 不同消能墩位置水躍高度計(jì)算結(jié)果

4.3 能量損失系數(shù)

利用有限元模型對(duì)不同消能墩位置方案的綜合能量損失系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表6所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于背景工程而言，在各種不同泄流量工況下，消能墩位于池尾時(shí)的綜合能量損失系數(shù)最大，其次是池中部位，位于池首時(shí)的綜合能量損失系數(shù)最小。由此可見，當(dāng)T型消能墩位于池尾時(shí)可以獲得最佳消能效果。因此，推薦在工程設(shè)計(jì)時(shí)將T型墩墩型設(shè)置在池尾。

表6 不同消能墩位置能量損失系數(shù)計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

此次研究以具體工程為背景，利用數(shù)值模擬的方式，探討了消能墩的最佳設(shè)計(jì)方案，獲得的主要結(jié)論如下：

1）模擬計(jì)算結(jié)果顯示，相對(duì)于梯形墩和頂角60°墩，T型墩方案的有助于控制大泄流量下的斷面流速，水躍高度最小，綜合能量損失系數(shù)最大，具有最佳消能效果。

2）相對(duì)于池首和池尾，將T型消能墩置于池尾時(shí)，斷面流速和水躍高度最小，綜合能量損失系數(shù)最大，具有最佳消能效果。

3）綜合模擬計(jì)算結(jié)果，建議工程設(shè)計(jì)中在消力池的池尾設(shè)置T型消能墩?！?/p>