立新水庫溢洪道工程泄流消能設(shè)計下水力特性研究

岑灼輝

(開平市立新水庫(開平市小娘潭水庫),廣東 開平 529346)

1 概 述

溢洪道作為水電站、水庫等水利樞紐工程不可或缺的一環(huán),對控制泄流、消能減排具有重要作用[1-2]。研究溢洪道工程結(jié)構(gòu),不可忽視其消能構(gòu)件設(shè)計,需確保消能設(shè)計與溢洪道的泄流運營相匹配,使之綜合性能最優(yōu)。武英豪等[3]、李權(quán)海[4]針對溢洪道摻氣坎結(jié)構(gòu)設(shè)計,由水工模型試驗方法入手,研究摻氣坎不同挑角方案下溢洪道斷面上滲流特征影響變化,分析摻氣坎挑角設(shè)計對沿程斷面流速、水位線的影響,有助于提高摻氣坎結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。鄧碩彥[5]、魯洪[6]采用三維滲流場數(shù)值計算方法,建立溢洪道結(jié)構(gòu)模型,分析溢洪道寬尾墩體等消能結(jié)構(gòu)設(shè)計,研究消力池內(nèi)流速、水位以及壓強等水力參數(shù)變化,以此反映消能設(shè)計與滲流場變化關(guān)系。李婷婷[7]、李鎮(zhèn)旭[8]借助水工模型與數(shù)值計算兩種方法開展對比研究,評價了溢洪道消能結(jié)構(gòu)體型、進水口體型以及溢流階梯體型等設(shè)計方案的優(yōu)劣性,對提高溢洪道設(shè)計方案合理性有重要價值。

本文依托立新水庫溢洪道增設(shè)前置尾坎方案,在校驗數(shù)值計算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,對前置尾坎不同體型方案下的水力特性、消能特征影響進行分析,可為實際工程優(yōu)化設(shè)計提供參考。

2 研究方法

2.1 工程介紹

作為開平地區(qū)重要水利樞紐,立新水庫承擔(dān)著灌溉、蓄水、養(yǎng)殖以及泄洪等重要作用,其與大沙河水庫、錦江水庫、潭江一、二期水利樞紐組成了潭江上游水力調(diào)節(jié)體系,對佛山、江門地區(qū)水資源分布調(diào)整具有宏觀意義,區(qū)域內(nèi)潭江水系發(fā)育分布見圖1。

圖1 潭江水系發(fā)育分布

立新水庫控制流域面積超過23.9km2,上游河道為潭江一級支流鎮(zhèn)海水,設(shè)計總庫容1 259×104m3,洪水位33.5m,建設(shè)有多個水工建筑,是調(diào)節(jié)開平河、烏水、鎮(zhèn)海水流量、控制上下游泄流的關(guān)鍵載體。

立新水庫樞紐工程包括主壩、輸水干渠、泄流建筑及其他附屬水工設(shè)施,設(shè)計主壩高13.5～15m,壩體主軸長120m,采用堆石壩與土石壩的組合形式,前者壩體軸長占比65%,構(gòu)建有混凝土防滲面板與防滲墻等防滲結(jié)構(gòu)體系,校核洪水位運營下,壩體滲透坡降不超過0.15,這與防滲結(jié)構(gòu)體系良好運營有關(guān),也離不開泄流建筑有效調(diào)節(jié)洪峰流量。輸水干渠作為立新水庫發(fā)揮灌溉作用的直接設(shè)施,建設(shè)干支渠全長超過150km,最大輸水流量可達2.25m3/s,對開平縣、恩平市等地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要推動意義。特別是與泄流建筑有效配合,使之上游鎮(zhèn)海水洪峰過境,可將相關(guān)流量分流至干支渠中,借助智慧水利系統(tǒng),保障水資源的調(diào)節(jié)、泄洪。立新水庫樞紐溢洪道是二期建設(shè)工程,見圖2,其設(shè)計最大泄流為350 m3/s,全軸長685.5m,分布有閘門進水段、過渡消能段、泄流段以及出流段。在泄流段上,為階梯式溢流面設(shè)計,共有28級,每級階梯高度為25cm,步長為93.5cm;摻氣坎設(shè)置在過渡段末端,挑角8°,空腔分布長度占主軸長0.5%,部分臺階空蝕嚴(yán)重;從出流段以及干渠渠首流量監(jiān)測得知,存在局部較高水力勢能渦流分布,灌渠渠首閘身受損較嚴(yán)重。水庫管理部門認(rèn)為,要確保立新水庫的安全運營,不可忽視泄流消能、泄流調(diào)量。因此,必須針對性解決立新水庫溢洪道消能與滲流協(xié)調(diào)問題。

圖2 立新水庫溢洪道平面圖

2.2 建模求解

為探討立新水庫溢洪道泄流消能設(shè)計問題,引入50%設(shè)計泄流量工況中的模型試驗,并按照同樣邊界條件,在Fluent三維滲流平臺中完成建模求解[6,9],包括水流流態(tài)、水位變化以及流速等水力參數(shù)特征在內(nèi),均具有良好契合性,見圖3。

圖3 模型試驗與數(shù)值計算對比

圖3(a)為模型試驗布置圖;圖3(b)為模型試驗與仿真計算下的溢洪道泄流段流速特征。從計算結(jié)果考慮,邊界條件以及計算模型能夠滿足設(shè)計論證需求。

基于Standk-ε三維滲流方程,借助離散元仿真方法,從紊流模型的建立與離散化處理,確保模型中每一個質(zhì)點的求解均滿足精度要求。按照立新水庫溢洪道現(xiàn)狀,依據(jù)水工物理模型設(shè)計,以1:1的標(biāo)尺建立溢洪道物理模型,見圖4。

圖4 溢洪道物理模型

該計算模型中,主軸長30m,總高度5m,階梯長寬為6.5×4.6cm,計劃采用前置尾坎的形式提升泄流消能水平,其所在位置位于臺階末端。研究工況中,設(shè)定泄流量350m3/s,模型劃分后的頂、底面分別設(shè)置有壓強、流速條件,出流段為壓強出口邊界。網(wǎng)格模型見圖5(a),而前置尾坎處進行了網(wǎng)格精密劃分,見圖5(b)。

圖5 溢洪道計算模型

溢洪道增設(shè)前置尾坎后,不僅需要考慮尾坎設(shè)計參數(shù)對消能水平的影響,同樣也需考慮尾坎設(shè)計對沿程斷面水力特性影響,特別是不同體型的尾坎會影響沿程斷面的壓強、流速等滲流參數(shù)。因此,需要綜合對比不同體型尾坎,確保尾坎體型設(shè)計方案能夠與溢洪道運營相匹配。

尾坎體型包括截面形狀、截面尺寸等,通過模型試驗結(jié)果比較認(rèn)為,正方形截面體型最優(yōu),故只需探討不同尺寸的正方形截面尾坎。在模型試驗中,尾坎邊長為5.8mm,結(jié)合數(shù)值計算對比要求,設(shè)定尾坎截面邊長為3.6、5.8、8、10.2、12.4、14.6mm共6個方案?；诓煌部搀w型方案下的水力特性與消能特征分析,探討適合立新水庫溢洪道泄流消能的最佳方案。

3 前置尾坎設(shè)計對水力特性影響

3.1 流速特征

基于不同體型尾坎方案下的滲流場特征計算,獲得溢洪道斷面上的流速變化特征,見圖6。由圖6可知,不論尾坎尺寸為何值,沿程斷面流速均為先增后減變化,但峰值流速所在位置各有差異。在邊長3.6mm方案中,其峰值流速為9.1m/s,所在位置為斷面10m;而邊長5.8、10.2、14.6mm方案下峰值斷面分別為8、6、2m,且峰值流速較之前者分別減小7.9%、26.6%、47.4%;當(dāng)尾坎邊長每遞增2.2mm,其峰值流速平均減少12.5%。

圖6 沿程流速變化特征

由此可知,尾坎體型尺寸不改變沿程流速變化趨勢,增設(shè)前置尾坎后,除閘前段受沖擊水力勢能影響,造成一定流速升高,但從臺階面至出流段,總體上流速逐步削弱;當(dāng)尾坎邊長愈大,則流速水平愈低,且峰值流速所在斷面愈提前,即流速遞增段維持距離愈小。從尾坎消能提效考慮,增大前置尾坎尺寸,臺階面與流體的接觸面積增大,相互之間的摩擦、攪動作用更強[4,10],流體占比愈多,動水勢能減少,故流速降低。

雖然增設(shè)前置尾坎后,有助于削弱溢洪道斷面水力勢能,但不可忽視,當(dāng)尾坎邊長過大時,沿程斷面流速具有不穩(wěn)定段。如尾坎邊長12.4、14.6mm兩方案中,分別在斷面14～24m、8～18m具有流速的震蕩區(qū)間,局部出現(xiàn)雍流、渦漩等。分析認(rèn)為,尾坎尺寸愈大,會使之漩渦作用空間增大,影響范圍更廣,造成沿程斷面流體涌動,加劇產(chǎn)生非穩(wěn)定泄流。因而,從滲流安全性與泄流消能考慮,尾坎邊長應(yīng)低于12.4mm。

為準(zhǔn)確描述溢流面上增設(shè)前置尾坎后流速特征,從滲流場中提取獲得各方案中峰值斷面處流速等線圖,圖7為尾坎邊長5.8、10.2、14.6mm下的流速圖。根據(jù)圖7中流速等值線分布可知,溢流階梯內(nèi)部為渦漩流中心,且流速為0,而溢流面外層流速水平要高于內(nèi)層。當(dāng)尾坎邊長愈大,臺階內(nèi)分布流速等值線趨于平穩(wěn),且主流流速遞減。

圖7 流速等值線圖

3.2 壓強特征

溢洪道壓強分布特征可反映空蝕現(xiàn)象,基于各方案滲流計算,獲得沿程斷面壓強變化特征,見圖8。從圖8中可知,改變尾坎邊長,各方案中均未出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象,表明增設(shè)前置尾坎有助于改善空蝕現(xiàn)象。

圖8 沿程壓強變化特征

在不同尾坎邊長方案中,壓強變化特征有所差異。當(dāng)尾坎不超過10.2mm時,全斷面壓強均為遞增變化,僅在靠近斷面末端時稍許減少;而尾坎為12.4～14.6mm時,在溢流面中部存在壓強一次遞減段,且在靠近出流段末端同樣具有稍許降幅。由此可知,尾坎邊長體型會影響溢洪道沿程斷面壓強分布變化特征。

從設(shè)計方案可靠性考慮,壓強的多次變幅對溢洪道沿程控流、消能均有負(fù)面影響,故而前置尾坎邊長應(yīng)盡量避免為12.4～14.6mm。另一方面,當(dāng)尾坎邊長愈大,沿程斷面壓強量值水平為遞增。

以斷面12m為對比點,在尾坎邊長3.6mm方案中,壓強值為216Pa,而邊長5.8、12.4、14.6mm中壓強值較之前者分別提高50.7%、133.8%、239.2%,當(dāng)尾坎邊長每增大2.2mm,在該斷面處壓強值平均可增大28.9%。

由峰值壓強對比可知,尾坎邊長3.6～14.6mm各方案中,分布為523.7～1000.2Pa,方案間峰值壓強的增幅為14.1%。

從壓強值影響變化特征可知,控制尾坎邊長在合理區(qū)間,有助于保持較高水平壓強,抑制溢洪道空蝕作用。

根據(jù)壓強特征計算,可獲得溢洪道臺階處壓強分布,圖9為代表方案。

圖9 臺階處壓強分布特征

從圖9中各尾坎處壓強分布區(qū)域放大可看出,尾坎邊長愈大,高量值壓強區(qū)分布占比愈多,且集中在臺階步長方向上。但不可忽視,過大的尾坎邊長會導(dǎo)致臺階與尾坎的凸角區(qū)出現(xiàn)局部負(fù)壓強,表明尾坎通過自身負(fù)壓強遷移,從而減弱溢洪道上負(fù)壓分布[6,11]。

4 前置尾坎對消能特征影響

作為溢洪道上重要消能構(gòu)件,研究增設(shè)尾坎下溢洪道紊動能分布特征很有必要,圖10為28級溢流臺階上紊動能變化特征。

圖10 溢流臺階上紊動能特征

由圖10可知,在各尾坎邊長方案內(nèi),紊動能變化具有一致性,在前8級臺階中紊動能為遞增變化,后20級臺階上紊動能逐步減小,且在第15級臺階上紊動能降低趨勢趨緩,后各臺階上紊動能呈較小降幅狀態(tài)。在尾坎邊長8mm方案中,峰值紊動能為0.32m2/s2,而其至15級臺階時,紊動能平均減少5.7%,后在15～20級臺階時,相應(yīng)紊動能降幅僅為0.4%,紊動能分布為0.205～0.215m2/s2。該現(xiàn)象在其他尾坎邊長方案時亦是如此。

當(dāng)尾坎邊長愈大,則紊動能水平愈高。對比峰值紊動能可知,均處于第8級臺階,尾坎邊長10.2、14.6mm下較之8mm下分別增大13.8%、52.8%,而隨尾坎邊長遞增2.2mm,峰值紊動能平均可提高14.2%。當(dāng)尾坎邊長愈大,水流紊動加劇,消耗有大量水力勢能[12],進而增大了紊動能。

根據(jù)各尾坎體型方案下消能計算,獲得各方案中消能率,見表1。

表1 消能特征

表1數(shù)據(jù)表明,增大尾坎邊長,溢洪道消能率提高,尾坎邊長從3.6～8mm,消能率從48.9%增大至61.3%;當(dāng)尾坎邊長為12.4～14.6mm時,消能率與邊長10.2mm方案下較為接近。實際上,尾坎邊長10.2～14.6mm三方案中,消能率穩(wěn)定在77.7%,增大尾坎邊長,消能率在該區(qū)間內(nèi)漲幅并不顯著。

綜合尾坎各方案對比,增大尾坎邊長,總體上有利于溢洪道泄流消能[13],但應(yīng)控制在合理區(qū)間。由計算結(jié)果認(rèn)為,該合理區(qū)間為10.2～12.4mm。立新水庫溢洪道也應(yīng)參照此進行優(yōu)化設(shè)計。

5 結(jié) 論

1)尾坎體型尺寸不影響溢洪道沿程斷面流速變化趨勢,均為先增后減變化;隨尾坎體型增大,峰值流速所在斷面提前,臺階外層流速線趨穩(wěn),流速水平亦減小;尾坎邊長每遞增2.2mm,則峰值流速平均減少了12.5%;尾坎體型過大,斷面具有非穩(wěn)定流速段。

2)增設(shè)前置尾坎,溢洪道斷面均不出現(xiàn)負(fù)壓空蝕現(xiàn)象;當(dāng)尾坎邊長不超過10.2mm時,壓強呈遞增變化,僅在出流末端稍許降低,而尾坎邊長為12.4～14.6mm時,沿程具有兩次壓強降低;尾坎愈大,壓強值愈大,尾坎邊長3.6～14.6mm各方案間峰值壓強的增幅為14.1%。

3)改變尾坎體型尺寸,不影響各級臺階上紊動能變化趨勢,均在第8級達到峰值紊動能,后逐步減小,在15級臺階處降幅趨穩(wěn);尾坎邊長愈大,紊動能愈高,消能率愈大,但尾坎邊長為10.2～14.6mm,消能率較穩(wěn)定。

4)綜合計算結(jié)果認(rèn)為,增大尾坎邊長,有助于泄流消能,但應(yīng)控制在合理區(qū)間,即為10.2～12.4mm。