洪琛

（遼寧省湯河水庫管理局 遼陽市 111000）

某水庫臺(tái)階式溢洪道泄流水力特性研究

洪琛

（遼寧省湯河水庫管理局 遼陽市 111000）

隨著碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)、施工技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能的不斷增強(qiáng)，其在流體力學(xué)的計(jì)算應(yīng)用也在快速普及，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)逐漸成為水庫臺(tái)階溢洪道水力特性的模擬研究的主要方法，促進(jìn)了臺(tái)階溢洪道的實(shí)踐應(yīng)用，而對臺(tái)階溢洪道泄流水力特性的實(shí)踐研究也就具有十分具有重要的意義。

臺(tái)階溢洪道 水庫泄流 數(shù)值模擬 水力特性

水是自然界最豐富的能源，其通過技術(shù)手段可轉(zhuǎn)化為生活所必須的電能。水能資源的合適利用與水利工程的運(yùn)行狀況密切相關(guān)，因此水利工程的科學(xué)研究和合理設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。世界范圍內(nèi)每年依舊有很多水利工程處于危險(xiǎn)狀態(tài)，一旦這些大庫、高壩出現(xiàn)決口或潰壩現(xiàn)象，這將給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和國民生活帶來不可估量的破壞和損失。

在傳統(tǒng)水利工程中，為設(shè)計(jì)消除水流過壩時(shí)的能量，水庫溢洪道普遍采用光面設(shè)計(jì)。隨著時(shí)代的進(jìn)步，實(shí)踐證明溢洪道采用光面設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足水利工程設(shè)計(jì)運(yùn)行所需的逐步提升的消能要求。在此應(yīng)用背景下，臺(tái)階溢洪道進(jìn)入了水利科研重點(diǎn)方向，與光面設(shè)計(jì)相比其更加適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和滿足水利工程的實(shí)際需求[1]。水庫溢洪道采用臺(tái)階式設(shè)計(jì)，可以有效降低溢洪道水流流出時(shí)的流速，實(shí)現(xiàn)了減小下游消能設(shè)施規(guī)模的目標(biāo)。

1 工程概況

某水庫總庫容約為231萬m3，其洪水位經(jīng)校核約為1 417 m，工程設(shè)計(jì)中設(shè)的計(jì)洪水位為1 413 m。該水庫的工程規(guī)模屬于Ⅳ等小型，工程的樞紐布置包括混凝土重力壩、上壩公路及輸水管線等水利工程的重要結(jié)構(gòu)。

水庫的大壩設(shè)計(jì)的壩頂高程為1 440 m，工程最大壩高設(shè)計(jì)為45 m。大壩設(shè)計(jì)選址時(shí)考慮“V”型河谷為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工程實(shí)際，其主體壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為對稱建設(shè)。壩體的中間部分屬于河床溢流段，滿足了壩體流水需要；壩體的兩邊設(shè)計(jì)為非溢流壩段，分別為左岸及右岸非溢流壩段。該水庫的壩體泄洪洞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括進(jìn)水塔、洞身段、斜洞段及消力池四個(gè)重要部分。

2 臺(tái)階溢洪道數(shù)值模型

2.1 建立模型

通過CAD建立該水庫臺(tái)階溢洪道的模型。設(shè)計(jì)三維模型的臺(tái)階溢洪道水流水頭的設(shè)計(jì)值和校核值分別為37.1 m和38.9 m，設(shè)計(jì)臺(tái)階溢洪道的標(biāo)準(zhǔn)長為38.1 m，寬為29.1 m。

三維模型需要進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格的劃分，其由CAD建模且導(dǎo)入前處理器ICEM處理，并需要設(shè)置設(shè)計(jì)系統(tǒng)的邊界條件。為了滿足臺(tái)階溢洪道的模型計(jì)算，采用ICEM中的四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距設(shè)定為0.8 m，且對溢洪道模型的臺(tái)階處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，其臺(tái)階處網(wǎng)格總加密層數(shù)設(shè)定為4層，且采用逐層加密方式。臺(tái)階溢洪道的邊壁和臺(tái)階模型經(jīng)網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖

2.2 邊界條件及參數(shù)

水庫臺(tái)階溢洪道的模型計(jì)算選擇采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε兩方程紊流模型， 采用離散化控制方程的方法為有限體積法[2]。模型計(jì)算設(shè)定的邊界條件包括：①模型計(jì)算進(jìn)口邊界條件，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定采用溢洪道水流進(jìn)口壓力，采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型，進(jìn)口邊界k和ε值的給定會(huì)影響計(jì)算模型的收斂速度， 相應(yīng)缺少的計(jì)算參數(shù)需要以默認(rèn)值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算； ②模型計(jì)算出口邊界條件，出口邊界設(shè)定為壓力出口，其他相應(yīng)缺少的計(jì)算參數(shù)需要以默認(rèn)值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算；③模型計(jì)算壁面邊界條件，壁面的相關(guān)參數(shù)采用設(shè)置為WALL默認(rèn)值，溢洪道壁面邊界設(shè)定了無滑移狀態(tài)速度，近壁區(qū)域的計(jì)算值通過壁面函數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)整定；④自由水面條件：自由水面的追蹤設(shè)定采用VOF法，且由于建模的限制，計(jì)算模型設(shè)定為定常流模型。

對設(shè)計(jì)洪水和校核洪水的兩種工況進(jìn)行建模模擬。模型計(jì)算的收斂依據(jù)設(shè)定為溢洪道進(jìn)出口流量差值，且進(jìn)行收斂判斷需結(jié)合設(shè)定系統(tǒng)的殘差圖進(jìn)行。該臺(tái)階溢洪道模型進(jìn)出口計(jì)算流量對比如附表所示。

附表 溢洪道進(jìn)出口計(jì)算流量對比

3 計(jì)算結(jié)果對比分析

3.1 流態(tài)及水面線

目前臺(tái)階溢洪道的水流流態(tài)一般可分為三種，分別為跌落、滑行和過渡水流[3]。 跌落水流一般指流到的臺(tái)階溢洪道的水流在跌落中變現(xiàn)為水流的不連續(xù)，水流流態(tài)明顯表現(xiàn)為水躍。滑行水流是指臺(tái)階上的水流的狀態(tài)根據(jù)不同位置發(fā)生不同反應(yīng)， 臺(tái)階的水流發(fā)生漩渦反應(yīng)，而主流流過臺(tái)階依舊流向下游。過渡水流則是介于跌落水流和滑行水流之間的水流狀態(tài)。 不同工況下臺(tái)階溢洪道中剖面水流流態(tài)如圖2所示。 分析圖2可知臺(tái)階溢洪道水流會(huì)發(fā)生水流分層，且分層現(xiàn)象較為明顯，臺(tái)階內(nèi)部水流會(huì)產(chǎn)生漩渦，且已以順時(shí)針為水流旋轉(zhuǎn)方向，主流的流動(dòng)位置主要處于兩個(gè)臺(tái)階凸角連線的虛擬面， 因此根據(jù)該圖推斷該水庫臺(tái)階溢洪道的水流流態(tài)屬于滑行水流。

圖2 不同工況下臺(tái)階溢洪道中剖面水流流態(tài)的對比

臺(tái)階溢洪道的水流處于高速下泄?fàn)顟B(tài)， 水流會(huì)發(fā)生劇烈的霧化現(xiàn)象， 該現(xiàn)象水工模型試驗(yàn)中一般不會(huì)發(fā)生。臺(tái)階溢洪道數(shù)值模擬，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下臺(tái)階溢洪道水流的原型試驗(yàn)， 模擬中設(shè)定的水流摻氣量相對較多， 且其水流深處摻氣現(xiàn)象更為嚴(yán)重[4]。圖3分別為該臺(tái)階溢洪道建模校核和設(shè)計(jì)洪水下不同摻氣工況的水面線與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，分析洪水工況下上游河道段和WES曲線段可知，其實(shí)測水面與摻氣50%的水面基本保持一致，但臺(tái)階段的摻氣濃度的水面線與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與規(guī)律不一致。

3.2 壓強(qiáng)分布

該水庫臺(tái)階式溢洪道校核洪水工況下剖面的壓力分布云和壓力分布圖如圖4（a）、（b）所示。 對圖分析可知該水庫臺(tái)階區(qū)域普遍存在負(fù)壓現(xiàn)象， 其主要發(fā)生于臺(tái)階豎面的上部區(qū)域處， 且負(fù)壓區(qū)域的分布與臺(tái)階位置相關(guān)，隨著臺(tái)階位置的下降，其負(fù)壓現(xiàn)象也相應(yīng)逐漸變小，最低處臺(tái)階負(fù)壓現(xiàn)象甚至消失。對水庫臺(tái)階式溢洪道進(jìn)行數(shù)值模擬， 可清晰觀察到負(fù)壓不同分布以及分布程度規(guī)律， 展現(xiàn)了數(shù)值模擬的優(yōu)勢[5]。其可幫助工作者清晰認(rèn)知負(fù)壓現(xiàn)象，熟悉其分布和程度， 最終為水庫臺(tái)階式溢洪道的設(shè)計(jì)實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)， 實(shí)現(xiàn)臺(tái)階負(fù)壓預(yù)測及預(yù)防水流空蝕現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 校核和設(shè)計(jì)洪水工況下提取摻氣水面線與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 溢洪道中剖面的壓力分布云圖和壓力分布等值線圖

3.3 流速矢量分布

該水庫臺(tái)階式溢洪道設(shè)計(jì)和校核工況下剖面處水流的速度矢量圖如圖5的（a）、（b）所示。臺(tái)階溢洪道水流會(huì)發(fā)生水流分層，臺(tái)階內(nèi)部水流會(huì)產(chǎn)生漩渦，以順時(shí)針為水流旋轉(zhuǎn)方向，且位于漩渦中心的水流流速最小。 對圖分析可知漩渦處水流流速由中心向四周逐漸增大。漩渦的產(chǎn)生使水流大量摻氣，在臺(tái)階式溢洪道實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)了水流流動(dòng)消能防沖的目的。

4 結(jié)論

通過對某水庫臺(tái)階式溢洪道按定常流進(jìn)行了三維數(shù)值建模分析研究，研究分析了臺(tái)階溢洪道的水流流態(tài)、壓力及流速等的相關(guān)工作規(guī)律，得出以下結(jié)論：臺(tái)階溢洪道實(shí)現(xiàn)了泄流和消能功能，其消能效果良好，可實(shí)現(xiàn)節(jié)省工程造價(jià)，節(jié)省了下游消能設(shè)施的建設(shè)投資。

[1]李仲鈺,謝新生.淺談臺(tái)階式溢洪道的應(yīng)用原理及應(yīng)用前景[J].陜西水利，2013，(01)：32-34.

[2]張峰.臺(tái)階式溢洪道消能特性的研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

[3]文明宜.臺(tái)階式溢洪道水流比能特性的研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué),2016.

[4]常曉亮.臺(tái)階式溢洪道與光面溢洪道水流形態(tài)及消能率[J].山西建筑,2010，(31)：23-26.

[5]田嘉寧,大津巖夫,李建中.臺(tái)階式溢洪道各流況的消能特性[J].水利學(xué)報(bào),2003，(04)：35-37.

2016-12-30）

圖5 設(shè)計(jì)和校核工況下臺(tái)階溢洪道速度矢量圖

洪琛（1984-），女，遼寧遼陽人，工程師，大學(xué)本科，研究方向：水利水電工程。