王 強(qiáng)，楊具瑞，龍遠(yuǎn)莎，蔣 瑜，卜 寧，萬(wàn)云嬌

(1.銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，貴州銅仁554300； 2.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明650500)

0 引 言

“寬尾墩+階梯溢流壩+消力池”是把泄流和消能有機(jī)結(jié)合的一體化消能工，在國(guó)內(nèi)已取得了廣泛應(yīng)用，如索風(fēng)營(yíng)水電站、阿海水電站、水東水電站、大朝山水電站[1- 4]等。這種消能方式兼有寬尾墩消能和階梯溢流壩消能的優(yōu)點(diǎn)，既利用階梯溢流壩面進(jìn)一步增進(jìn)了寬尾墩的消能率，同時(shí)通過(guò)寬尾墩后水舌底部的無(wú)水區(qū)向階梯壩面通氣來(lái)避免空蝕空化破壞，從而使階梯溢流壩向高水頭大單寬流量方向發(fā)展[5]。

但是，隨著壩高及單寬流量的增大，壩面摻氣濃度降低，階梯壁面負(fù)壓增大，較低的摻氣濃度不能有效保護(hù)階梯壁面，容易階梯壁面產(chǎn)生空蝕破壞，針對(duì)階梯式溢流壩這一局限，彭勇[6]、尹進(jìn)步[7]提出在階梯溢流壩前端的適當(dāng)位置增設(shè)摻氣坎，通過(guò)水舌底部強(qiáng)迫摻氣，從而增強(qiáng)階梯壩面的摻氣保護(hù)作用。張挺[5]在對(duì)索風(fēng)營(yíng)水電站X形寬尾墩+階梯溢流壩+消力池一體化消能工的流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，在第1級(jí)臺(tái)階豎直壁面與溢流壩面交接處存在負(fù)壓，這是過(guò)去試驗(yàn)中未測(cè)到的，根據(jù)數(shù)值模擬提供的負(fù)壓位置，在模型中重新布置測(cè)點(diǎn)，驗(yàn)證了負(fù)壓的存在。后小霞[8]對(duì)阿海水電站Y形寬尾墩+階梯溢流壩+消力池溢流表孔進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單寬流量達(dá)160 m2/s時(shí)，階梯溢流面負(fù)壓為-5.55～-9.48 kPa，最大負(fù)壓出現(xiàn)在階梯溢流壩與WES曲面連接處。陳群[9]對(duì)帶有曲線自由水面的階梯溢流壩面流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到階梯面上可能出現(xiàn)負(fù)壓的位置在階梯立面的上半部分，階梯水平面上的壓強(qiáng)都為正，壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在下泄水流沖擊的位置。從已建工程來(lái)看，水東水電站盡管采用寬尾墩與階梯溢流壩聯(lián)合消能設(shè)施，在通過(guò)較大單寬流量時(shí)，階梯溢流壩面同樣遭到了輕微的空蝕破壞[10]。丹江口水電站在單寬流量為120 m2/s時(shí)，階梯溢流壩面也發(fā)生了嚴(yán)重的空蝕破壞。阿海水電站在運(yùn)行不到半年，臺(tái)階沿程就發(fā)生了空蝕破壞[11]。為了減小或消除階梯壁面負(fù)壓，需要為水舌底部創(chuàng)造摻氣條件，從而降低空化空蝕的力度[12]。為此，工程實(shí)踐中已認(rèn)識(shí)到WES曲面與階梯溢流壩的連接形式對(duì)壩面壓強(qiáng)分布的重要性，已開始這方面的研究，提出在階梯溢流壩頂端的適當(dāng)位置設(shè)置摻氣坎，從而改善壩面的水力特性。然而，對(duì)WES曲面與階梯溢流壩過(guò)渡連接段的過(guò)渡階梯連接方式僅僅是依靠工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選定。筆者采用三維數(shù)值模擬方法，分析WES曲面與階梯溢流壩的過(guò)渡階梯連接形式，采用不同大小臺(tái)階組合的過(guò)渡階梯，分析該連接形式對(duì)“寬尾墩+階梯溢流壩+消力池”一體化消能工壩面壓強(qiáng)特性分布規(guī)律的影響，從而改進(jìn)WES曲面與階梯溢流壩連接形式，對(duì)水利水電工程向高水頭大單寬流量發(fā)展具有一定的實(shí)踐意義。

1 物理模型與模擬方案

本次模擬以阿海水電站“Y形寬尾墩+階梯溢流壩+消力池”一體化消能工為對(duì)象，具體模型參見文獻(xiàn)[13]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)6種方案，如圖1所示。①方案1。由12個(gè)0.5 m×0.375 m(高×寬)的臺(tái)階組成過(guò)渡階梯。②方案2。將方案1首級(jí)階梯設(shè)置為2 m×1.5 m(高×寬)。③方案3。將方案1首級(jí)階梯設(shè)置為3 m×2.25 m(高×寬)。④方案4。由6個(gè)1 m×0.75 m(高×寬)臺(tái)階組成過(guò)渡階梯。⑤方案5。將方案4首級(jí)階梯設(shè)置為2 m×1.5 m(高×寬)⑥方案6。將方案4首級(jí)階梯設(shè)置為3 m×2.25 m(高×寬)。對(duì)比分析不同大小臺(tái)階組合的過(guò)渡階梯對(duì)“寬尾墩+階梯溢流壩+消力池”一體化消能工壩面壓強(qiáng)特性分布規(guī)律的影響。

圖1 過(guò)渡階梯組合方案

2 數(shù)學(xué)模型、計(jì)算域網(wǎng)格劃分及邊界條件處理

本次模擬采用的數(shù)學(xué)模型、計(jì)算域網(wǎng)格劃分及邊界條件處理參見文獻(xiàn)[13]。計(jì)算域以阿海水電站5個(gè)溢流表孔為對(duì)象，劃分網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，為獲得高質(zhì)量網(wǎng)格，將模型轉(zhuǎn)化為虛體后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并遵循疏密適當(dāng)?shù)脑瓌t，在WES曲面與階梯溢流壩連接過(guò)渡段、階梯溢流壩段及水氣交界面的區(qū)域等關(guān)鍵部位的網(wǎng)格應(yīng)適當(dāng)加密。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 階梯溢流壩面負(fù)壓分布規(guī)律

模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)各方案均在摻氣空腔內(nèi)產(chǎn)生局部負(fù)壓，除方案1負(fù)壓分布在前幾級(jí)階梯外，其他方案負(fù)壓均分布在首級(jí)階梯內(nèi)，各方案負(fù)壓等值線分布如圖2所示。本文側(cè)重分析各方案空腔內(nèi)臺(tái)階壁面負(fù)壓的大小分布規(guī)律，主要包括y=0 m剖面階梯豎直壁面和水平壁面負(fù)壓分布規(guī)律及同一方案、不同剖面階梯豎直壁面和水平壁面負(fù)壓分布規(guī)律。

圖2 各方案首級(jí)臺(tái)階壓強(qiáng)等值線

3.1.1 各方案階梯豎直及水平壁面負(fù)壓分布規(guī)律

圖3為各方案前幾級(jí)階梯y=0 m剖面豎直及水平壁面壓強(qiáng)分布。

圖3 各方案豎直及水平壁面壓強(qiáng)分布

由圖3a可知，各方案豎直壁面壓強(qiáng)有相同的分布規(guī)律，沿首級(jí)階梯豎直壁面壓強(qiáng)從正壓迅速減小過(guò)渡到負(fù)壓，最大負(fù)壓基本發(fā)生在同一位置，然后壓強(qiáng)又逐漸增大。方案1豎直壁面負(fù)壓最小，為-0.6 kPa；方案4負(fù)壓最大，為-4.68 kPa；過(guò)渡階梯首級(jí)臺(tái)階尺寸相同的方案2、5的豎直壁面最大負(fù)壓大小接近，分別為-0.72、-0.84 kPa；過(guò)渡階梯首級(jí)臺(tái)階尺寸相同的方案3、6的豎直壁面最大負(fù)壓大小相近，分別為-0.33、-0.36 kPa，均小于方案2、5。

由圖3b可知，各方案水平壁面壓強(qiáng)先緩慢減小然后逐漸增大。方案4負(fù)壓最大，為-3.9 kPa，而其他各方案負(fù)壓均比較小，且變化也比較緩慢。過(guò)渡階梯首級(jí)臺(tái)階尺寸相同的方案2、5水平壁面最大負(fù)壓均為-0.54 kPa，過(guò)渡階梯首級(jí)臺(tái)階尺寸相同的方案3、6水平壁面最大負(fù)壓大小相近，分別為-0.21、-0.24 kPa，均小于方案2、5。

綜上所述，當(dāng)過(guò)渡階梯由小臺(tái)階組合或者首級(jí)階梯由大臺(tái)階組合時(shí)，均可減小階梯內(nèi)豎直壁面和水平壁面負(fù)壓，其中過(guò)渡階梯首級(jí)臺(tái)階對(duì)壩面負(fù)壓影響最大，隨著首級(jí)臺(tái)階尺寸的增大，壩面負(fù)壓將逐漸減小。同時(shí)，較小的負(fù)壓還有助于階梯壩面的摻氣，有效避免壩面發(fā)生空蝕破壞。

3.1.2同一方案不同剖面階梯豎直及水平壁面負(fù)壓分布規(guī)律

為探討摻氣空腔內(nèi)整個(gè)階梯壩面的負(fù)壓分布規(guī)律，本文對(duì)同一方案、不同剖面的壓強(qiáng)分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，圖4為方案4的不同剖面臺(tái)階豎直壁面和水平壁面壓強(qiáng)分布。

圖4 方案4的不同壩面壓強(qiáng)分布規(guī)律

由圖4可知，y=4.5 m剖面豎直壁面最大負(fù)壓為-0.56 kPa，水平壁面最大負(fù)壓為-0.34 kPa，較其他剖面豎直和水平壁面最大負(fù)壓均為小，變化也相對(duì)平緩。由于y=4.5 m剖面在出墩水流的外邊緣，與空氣大面積接觸，摻氣充分，因而負(fù)壓較小。而其他剖面豎直壁面和水平壁面壓強(qiáng)有相同的分布規(guī)律。在豎直方向，壓強(qiáng)沿首級(jí)臺(tái)階從正壓迅速減小過(guò)渡到負(fù)壓，達(dá)到負(fù)壓最大值，隨后負(fù)壓緩慢減小，在首級(jí)臺(tái)階過(guò)渡到第2級(jí)臺(tái)階時(shí)，壓強(qiáng)從負(fù)壓躍升至正壓。在水平方向，負(fù)壓沿首級(jí)臺(tái)階壁面緩慢增大，在首級(jí)階梯與第2級(jí)階梯交界處負(fù)壓躍升為正壓。其中，y=3 m剖面豎直和水平壁面最大負(fù)壓分別為-5.4、-4.35 kPa；y=1.5 m剖面豎直和水平壁面最大負(fù)壓分別為-6.06、-5.34 kPa；y=0 m 剖面豎直和水平壁面最大負(fù)壓分別為-4.5、-3.9 kPa。對(duì)比分析可知，y=1.5 m剖面負(fù)壓較其他剖面為大，比y=0 m剖面豎直壁面最大負(fù)壓增大25.7%，水平壁面增加29.3%，比y=3 m剖面豎直壁面最大負(fù)壓增大10.9%，水平壁面增加21.2%，說(shuō)明壩面最大負(fù)壓并不在水舌底部的中心剖面處，而是偏離一段距離，即階梯壁面負(fù)壓沿水舌兩邊緣向中心剖面先迅速增大，然后略有減小。其他方案也有相同的變化規(guī)律。

3.2 階梯溢流壩面沿程時(shí)均壓強(qiáng)分布規(guī)律

為探討大小臺(tái)階組合的過(guò)渡階梯對(duì)整個(gè)階梯溢流壩面時(shí)均壓強(qiáng)分布規(guī)律的影響，本文選取y=0剖面進(jìn)行對(duì)比分析，各方案在豎直和水平方向沿程時(shí)均壓強(qiáng)分布如圖5所示。由圖5可知，壓強(qiáng)在階梯溢流壩面豎直和水平方向沿程時(shí)均壓強(qiáng)有相同的分布規(guī)律，沿程略有波動(dòng)，但總體呈逐漸增大趨勢(shì)。在階梯溢流壩的前端壓強(qiáng)變化趨于平緩，略有增大，而在階梯溢流壩的后半段，隨著流速的增大，壩面水流紊亂加劇，所以壓強(qiáng)也出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

圖5 各方案壩面時(shí)均壓強(qiáng)分布

3.3 消力池底板壓強(qiáng)分布規(guī)律

泄水建筑物同時(shí)承擔(dān)泄洪和消能的兩大任務(wù)，要求在安全泄洪的同時(shí)嚴(yán)格控制下泄水流對(duì)下游基坑的沖刷，防止壩體破壞及壩基失穩(wěn)。尤其對(duì)于高水頭大單寬泄洪工程，護(hù)坦存在脈動(dòng)壓強(qiáng)較大，保護(hù)抗沖難度大，且所需消力池尺寸大，造價(jià)高等問(wèn)題，本次研究大小臺(tái)階組合的過(guò)渡階梯對(duì)消力池底板壓強(qiáng)的分布及對(duì)同一方案、不同剖面的壓強(qiáng)分布規(guī)律，如圖6所示。

圖6 各方案反弧段與消力池底板壓強(qiáng)分布

由圖6a可知，反弧段內(nèi)壓強(qiáng)急劇升高，在樁號(hào)145 m附近達(dá)到最大值后又迅速降低，說(shuō)明此處為上游水舌的跌落點(diǎn)，水流沖擊底板產(chǎn)生較高的壓強(qiáng)，水流沖擊底板后反彈，所以壓強(qiáng)在達(dá)到最大值后迅速降低，在樁號(hào)165 m后壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定，到消力池末端，受尾坎的作用，水深加大，壓強(qiáng)也隨之加大，而過(guò)渡階梯的大小臺(tái)階組合方式對(duì)護(hù)坦壓強(qiáng)影響不大。由圖6b可知，同一方案的不同剖面，反弧段和消力池底板有相同的壓強(qiáng)分布規(guī)律。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)大小臺(tái)階組合的過(guò)渡階梯的“Y形寬尾墩+階梯溢流壩+消力池”一體化消能工進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到結(jié)論如下：

(1)當(dāng)過(guò)渡階梯臺(tái)階尺寸較小時(shí)，負(fù)壓分布在前幾級(jí)階梯，且負(fù)壓較小。當(dāng)過(guò)渡階梯首級(jí)臺(tái)階尺寸較大時(shí)，負(fù)壓主要分布在首級(jí)階梯內(nèi)，隨著首級(jí)階梯臺(tái)階尺寸的增大，負(fù)壓將逐漸減小。階梯壁面負(fù)壓沿水舌兩邊緣向中心剖面先迅速增大，然后略有減小。壩面最大負(fù)壓不在水舌底部的中心剖面處。

(2)過(guò)渡階梯的不同大小臺(tái)階組合對(duì)反弧段及消力池底板壓強(qiáng)影響較小，反弧段內(nèi)壓強(qiáng)急劇升高，在消力池前端達(dá)到最大值，隨后又迅速降低，在消力池的中部壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定，到消力池末端，受尾坎的作用，水深加大，壓強(qiáng)也隨之增大，且不同剖面壓強(qiáng)大小分布基本一致。

[1] 易曉華, 盧紅. 臺(tái)階式溢洪道及其在索風(fēng)營(yíng)水電站的試驗(yàn)研究[J]. 貴州水力發(fā)電, 2003, 17(2): 70- 72．

[2] 郭軍, 劉之平, 劉繼廣, 等.大朝山水電站寬尾墩階梯式壩面泄洪水力學(xué)原型觀測(cè)[J]. 云南水力發(fā)電, 2002, 18(4): 16- 20．

[3] 楊首龍. 福建省泄水建筑物中應(yīng)用的新技術(shù)及其作用[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2004, 23(1): 84- 90．

[4] 張洛, 后小霞, 楊具瑞. 邊寬尾墩體型對(duì)邊墻區(qū)域水流水力特性的影響研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2015, 34(1)： 85- 92．

[5] 張挺. 寬尾墩和階梯溢流壩一體化數(shù)值模擬[D]. 成都： 四川大學(xué), 2005．

[6] 彭勇, 張建民, 劉善均, 等. 前置摻氣坎式階梯溢洪道摻氣水深及消能率的計(jì)算[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2009, 20(1)： 63- 68．

[7] 尹進(jìn)步, 劉韓生, 梁宗祥. 大朝山水電站臺(tái)階溢流壩摻氣減蝕問(wèn)題的研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 33(2): 137- 142．

[8] 后小霞, 楊具瑞, 甄建樹. 寬尾墩體型對(duì)寬尾墩+階梯溢流壩+消力池消能方式中階梯摻氣空腔長(zhǎng)度及負(fù)壓影響研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2014, 33(3): 203- 209．

[9] 陳群, 戴光清, 朱分清, 等. 影響階梯溢流壩消能率的因素[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2003(4): 95- 104．

[10] 駢迎春. 臺(tái)階式溢洪道強(qiáng)迫摻氣水流水力特性的試驗(yàn)研究[D]. 西安： 西安理工大學(xué), 2007．

[11] 朱利, 張法星, 劉善均. 前置摻氣坎高度對(duì)階梯溢流壩水力特性的影響[J]. 人民黃河, 2014, 36(6): 110- 112．

[12] 梁宗祥, 尹進(jìn)步, 鄭治, 等. 與寬尾墩聯(lián)合使用的階梯溢流面水流摻氣問(wèn)題研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2009, 40(5): 564- 568．

[13] 王強(qiáng), 楊具瑞, 張鐘陽(yáng), 等. 過(guò)渡階梯大小對(duì)一體化消能工消能特性的影響研究[J]. 水力發(fā)電, 2017, 43(7): 46- 52．