基于Fluent計算泄流建筑體型設(shè)計對水力特性影響分析研究

黃志豪

(廣州市花都區(qū)赤坭鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村技術(shù)服務(wù)中心，廣東 廣州 510830)

泄流建筑乃是水利樞紐工程的重要組成部分[1-2]，保障泄流建筑的運營安全是工程設(shè)計的重要考量因素，提升泄流建筑設(shè)計水平很大程度上需要考慮水工結(jié)構(gòu)的滲流特征[3-4]，其與水利工程安全運營密切相關(guān)。周望武[5]、施得兵等[6]、傅長鋒等[7]通過分析水工設(shè)計參數(shù)，引入模型試驗理論，設(shè)計開展水工模型試驗，研究水閘、溢洪道等水工設(shè)施的滲流安全性，進而評價設(shè)計方案合理適配性。水工結(jié)構(gòu)滲流活動與水利材料防滲特性密切相關(guān)，通過研究防滲結(jié)構(gòu)滲流活動或分析滲流場特征[8-9]，有利于提升對水工結(jié)構(gòu)滲流的認知水平。當然，滲流特征也可采用仿真計算手段，朱冬晉等[10]、王星等[11]、王靜[12]研究各類水工建筑在不同工況或不同設(shè)計方案下，滲流場與設(shè)計參數(shù)、工況荷載關(guān)系，評價不同方案的利弊性，作為評價方案的依據(jù)。本文針對水電站泄流建筑中溢流壩、消力池等水工建筑的消能設(shè)計，研究了階梯式溢流壩過渡段截面體型設(shè)計方案對滲流特征的影響，為評價溢流壩截面最優(yōu)體型方案提供參考。

1 工程概況

水電站樞紐工程設(shè)計控制流域面積為1200 km2，年均流量為580 m3/s。該樞紐工程包括攔水大壩、溢流孔、消力池、發(fā)電廠房及泄水設(shè)施，壩體高度為52.0 m，最大庫容達3.5億m3，惠及農(nóng)田面積超過66 666.7 hm2，每年可為地區(qū)提供綠色電力資源超過20億kW·h。攔水大壩采用重力壩設(shè)計型式，壩頂最寬處為3.6 m，壩體內(nèi)埋設(shè)有多類型滲流、力學監(jiān)測傳感器，下游壩趾處鋪設(shè)有防滲墊層，厚度為55 cm，壩基位于灰?guī)r層上，前期現(xiàn)場標準貫入試驗表明最大承載力超過250 kPa，壩肩與壩平臺處均加設(shè)有防沖刷墻，有效降低水力沖刷對壩體影響。溢流孔尺寸設(shè)計為12 m×8 m，采用弧形鋼面板作為控水設(shè)施，另在面板背水側(cè)設(shè)置有多支臂壓桿支撐系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)允許其最大靜力位移為5 mm；溢流表孔前設(shè)置有排沙閘設(shè)施，有效降低上游泥沙淤積對溢流孔影響，孔內(nèi)含沙量最大不超過2.5 kg/m3，且孔內(nèi)滲流活動較平靜，無渦流、紊流等現(xiàn)象，此為弧形面板與溢流表孔良好適配的原因。消力池內(nèi)鋪設(shè)有6～8個消能坎，各坎高可根據(jù)上游泄流量進行人工調(diào)整，一方面降低水能，另一方面延長消力池運營壽命；在池兩側(cè)設(shè)置有預(yù)制水工擋土邊墻，頂、底厚度分別為1.2 m、1.4 m，箱涵內(nèi)可承受最大土壓力超過2.6 MPa，墻后土坡內(nèi)滑移量較少，并未形成顯著滑移面，邊坡穩(wěn)定性較佳。泄水建筑包括有溢流壩、泄洪閘及消力池等一體系泄洪設(shè)施，其中泄洪閘設(shè)計最大泄流量超過300 m3/s，采用寬尾墩作為結(jié)構(gòu)支撐體系，共有4根尾墩，每根尾墩間均采用橫、縱連系梁作為加固結(jié)構(gòu)，有效提升尾墩支撐體系整體性，降低泄流對尾墩動水沖擊效應(yīng)，溢流壩采用階梯式體型設(shè)計。

2 模型概況

為分析該溢流壩設(shè)計體型對水力特征影響，本文利用UG平臺建立溢流設(shè)施模型圖[13-14]，該模型根據(jù)溢流壩階梯式體型，共設(shè)置有25級階梯，泄洪閘與溢流壩間設(shè)置有高度為16.7 mm的摻氣坎，布設(shè)角度為水平方向10°，此為上、下游水工設(shè)施連接載體。為簡化溢流壩計算模型，本文將部分邊墻及導墻或墊層設(shè)施簡化，僅研究溢流壩0+2.5～0+37.5 m區(qū)段內(nèi)水力特征，該區(qū)域內(nèi)消力池區(qū)域位橫向2.5～5.2 m。所建立的計算模型如圖1所示。

圖1 溢流壩計算模型

該模型采用Fluent劃分非結(jié)構(gòu)化微單元體[15-16]，在溢流壩面、消力池等模型區(qū)域加密劃分，適應(yīng)水流體態(tài)特征。模型進水口設(shè)置為速度與壓力邊界條件，分別以氣液兩相流作為模型介質(zhì)，在出口設(shè)置為壓力邊界條件；而模型頂部為無限制邊界條件，底部為零自由度邊界，壩體側(cè)壁為摩擦邊界。計算流量以上游峰值流量2500 m3/s為條件，流速與紊動能分別設(shè)定為0.3 m/s、0.0023 m2/s2，在上述基礎(chǔ)設(shè)計條件下，針對階梯式溢流壩上、下游過渡段設(shè)計體型開展水力特征分析。

3 溢流壩流態(tài)與流速特征

針對階梯式溢流壩設(shè)計功能，本文對過渡段階梯體型改良設(shè)計成弧形截面，但過渡段截面尺寸參數(shù)并未確定，本文設(shè)定過渡段弧形階梯半徑分別為4.2 mm(A方案)、4.7 mm(B方案)、5.2 mm(C方案)，其截面如圖2所示，三種過渡段階梯體型設(shè)計方案其他水力參數(shù)均保持一致，計算弧形階梯體型下水力特性。

3.1 流態(tài)特征

基于氣液二相流水力特征計算，獲得典型方案下溢流壩流態(tài)特征，三種方案下流態(tài)特征基本類似，差異性較小。上游水流受尾墩影響，具有受約束效果，出現(xiàn)“水舌”效應(yīng)，且具有層次感，當經(jīng)摻氣坎影響，水舌逐步與溢流壩階梯產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、滾動效應(yīng)，不同截面弧形階梯半徑，則旋轉(zhuǎn)的影響區(qū)域有所差異，以半徑5.2 mm時水舌擾動影響效果最顯著，但最終均會在下游出水口前匯入主流，并趨于平穩(wěn)態(tài)勢。水舌的旋轉(zhuǎn)過程會局部產(chǎn)生碰撞、摩擦效應(yīng)，造成局部紊動能，最終形成壅流效應(yīng)[17-18]。

基于三種截面過渡段階梯設(shè)計方案對比，計算獲得溢流壩上摻氣空腔分布特征，過渡段階梯截面弧形半徑增大，則無水區(qū)分布蔓延，半徑4.2 mm 方案中僅涉及前14個階梯，而在半徑4.7 mm、5.2 mm無水區(qū)空腔階梯長度均為15個，表明改變過渡段階梯弧形截面，對溢流壩上空腔分布范圍影響較小。從溢流壩空腔延伸長度來看，在半徑4.2 mm方案中其空腔長度為10.8 m，而半徑4.7 mm、5.2 mm方案中溢流壩空腔長度相比前者分別增長了3.7%、6.5%，分析表明，過渡段階梯圓弧截面有利于提升溢流壩面摻氣，空腔面積擴大，氣相分布更利于溢流面。

3.2 流速特征

根據(jù)對三種設(shè)計方案中溢流壩滲流參數(shù)計算，獲得泄流建筑中消力池中水位變化特征，圖3為三種過渡段階梯式設(shè)計方案下消力池斷面上水位特征。從圖3可知，三種設(shè)計方案下消力池中水位從上游至下游為遞增效應(yīng)，直至在出水口出現(xiàn)回落；各設(shè)計方案中消力池水位最高、最低分別位于斷面31.0 m與斷面1.5 m處，即消力池中水位所在斷面位置不受過渡段截面階梯尺寸參數(shù)影響，具有一致性，但峰、谷水位值與過渡段階梯截面尺寸具有正相關(guān)，半徑4.2 mm方案消力池峰、谷水位分別為17.74 m、12.58 m，而方案4.7 mm峰、谷水位較前者分別增長了6.8%、9.6%，同樣在方案5.2 mm中增幅分別為11.8%、22.8%。在過渡段截面半徑4.7 mm下消力池峰、谷水位分布為19.94、13.78 m，當截面半徑增至5.2 mm后，其整體水位增大4.7%～12.1%。在斷面10.0 m處截面半徑4.2 mm方案的水位為15.09 m，而半徑4.7 mm、5.2 mm下同斷面水位較前者分別增長了7.3%、19%。分析認為，過渡段截面圓弧尺寸增大，消力池中水流方向受影響更顯著，本質(zhì)上是產(chǎn)生了池中的向心力，并且消耗大量紊動能，提升消力池消能水平，降低下游建筑受水力沖刷影響。

圖3 消力池斷面上水位特征

流速作為反映水力重要特征參數(shù)，本文從滲流場中提取出消力池中各斷面上流速變化特征，如圖4所示。從圖4可知，從上游至下游消力池中流速為遞減，直至在出水口流速限制減弱，量值有所回升；三種設(shè)計方案中流速最小、最大分別位于斷面31.0 m與1.5 m處。過渡段截面圓弧半徑4.2 mm的最大、最小流速分別為13.13 m/s、3.10 m/s，降幅為76.4%，而截面半徑4.7 mm消力池中最大、最小流速降幅可達81.4%，特別是半徑5.2 mm降幅更可達93%，表明，過渡段階梯截面尺寸愈大，對流速限制效果愈好。對比三種設(shè)計方案中流速特征可知，半徑4.2 mm時在斷面12.5 m上流速值為10.45 m/s，而半徑4.7 mm、5.2 mm時同斷面流速相比前者分別減少了40.9%、62.8%，在消力池斷面上半徑4.2 mm 設(shè)計方案流速值與半徑4.7 mm、5.2 mm方案差幅分別分布為16.1%～40.9%、36.5%～81.3%。綜合分析認為，過渡段階梯截面尺寸愈大，則水流受擾動影響愈大，水流需消耗能量愈大，進而在消力池中動能轉(zhuǎn)化過程中較小，反映在流速量值降低，此有利于溢流壩消能設(shè)計目的。

圖4 消力池中各斷面上流速特征

4 溢流壩紊流特征

4.1 紊動能

溢流壩面紊流分布乃是滲流狀態(tài)的重要體現(xiàn)，三個方案中紊動能均隨溢流壩面至下游，呈逐漸遞增的態(tài)勢，在靠近中下游區(qū)域紊動能達到最大，各方案中溢流壩面上紊動能分布特征具有近似性，由于圓弧截面對水力勢能耗散影響，在過渡段階梯處紊動能分布有所差異，半徑5.2 mm設(shè)計方案中紊動能分布具有連貫、集中特性，有利于出水口水流控制。

為評價不同階梯段紊動能特征，針對典型階梯的斷面上紊動能進行分析，圖5為13#階梯上各斷面紊動能變化特征。從圖5三個設(shè)計方案對比可知，各階梯斷面上紊動能均隨斷面距離為遞增；在13#階梯上A方案中斷面3 m處的紊動能為1.26 m2/s2，而斷面4 m、6 m時紊動能較前者分別增大了11.7%、45.3%，從斷面上整體紊動能表現(xiàn)可知，斷面距離增大0.5 m，A方案中紊動能平均遞增19.5%，此種現(xiàn)象在B、C設(shè)計方案中亦是如此，其平均增幅分別為7.1%、4.1%。對比不同設(shè)計方案可知，A設(shè)計方案中紊動能分布為0.65～4.30 m2/s2，而B、C設(shè)計方案中紊動能較前者具有增幅11.9%～2.51倍、28.5%～4.48倍，表明過渡段階梯截面尺寸愈大，則水流受氣相擾動作用愈顯著，碰撞形成的紊動能愈大，此有助于下游消能減沖。

圖5 13#階梯斷面紊動能變化特征

4.2 消能率

消能率乃是泄洪水工建筑設(shè)計的最終效果參數(shù)，筆者計算獲得三種過渡段階梯體型設(shè)計方案下消能率，如表1所示。筆者認為，當過渡段階梯截面尺寸愈大，不僅可增強氣液二相流分布，也可對消力池內(nèi)流速抑制、紊動能提升具有重要作用，故在截面圓弧半徑5.2 mm設(shè)計方案中其消能率可達58.95%，而半徑4.7 mm、4.2 mm中消能率顯著不及前者，分別為56.83%、52.85%。綜合分析表明，當過渡段階梯截面體型設(shè)計為圓弧形，有助于控制水能、降低流速，提升氣液二相狀態(tài)，對泄洪安全消能具有重要正面作用，因而選擇溢流壩過渡段階梯截面尺寸半徑為5.2 mm時為最佳設(shè)計方案。

表1 三種過渡段階梯體型設(shè)計方案消能率 %

5 結(jié) 論

(1)溢流壩面流態(tài)特征受過渡段階梯體型影響較小，以半徑5.2 mm方案水能擾動效果最顯著；過渡段階梯體型參數(shù)愈大，溢流壩上摻氣空腔愈長，半徑5.2 mm與4.2 mm方案中空腔長度增幅為6.5%，更利于溢流壩面泄流。

(2)消力池中水位從上游至下游為遞增，在出水口出現(xiàn)回落，而流速為遞減；各設(shè)計方案中峰、谷水位均位于斷面31.0 m與1.5 m處，且流速最小、最大值也位于該斷面，但水位值與階梯截面尺寸具有正相關(guān)；過渡段截面圓弧尺寸增大，流速減小，池內(nèi)各斷面半徑4.2 mm方案與4.7 mm、5.2 mm方案中流速差幅分別分布為16.1%～40.9%、36.5%～81.3%，有利于提升消力池降能水平。

(3)階梯半徑5.2 mm設(shè)計方案中紊動能分布有利于出水口水流控制；紊動能隨溢流壩斷面為遞增，斷面距離增大0.5 m，半徑4.2 mm、4.7 mm、5.2 mm三方案中紊動能平均遞增19.5%、7.1%、4.1%，且后兩設(shè)計方案的紊動能相比半徑4.2 mm方案下增長11.9%～2.51倍、28.5%～4.48倍；三方案中消能率分別為52.85%、56.83%、58.95%。

(4)綜合三設(shè)計方案滲流特征分析，過渡段階梯截面尺寸半徑為5.2 mm時，消能減沖、流速控制、摻氣空腔等均具有正向作用，為最佳方案。