郭斐學(xué)

(京水江河(北京)工程咨詢有限公司 新疆分公司，烏魯木齊 830000)

溢洪道泄槽采用柔性土工膜襯護(hù)階梯消能，依靠邊界摩阻力促使水流內(nèi)部形成渦體，發(fā)生劇烈紊動、摩擦和碰撞，通過內(nèi)部渦體耗能，實現(xiàn)整個過流的能量消減。與不均勻沉降、相對形變較大的土石壩壩身溢洪道或土石壩溢流面相比較，它具有良好的功能和經(jīng)濟(jì)的雙重實用性。本文就柔性土工膜襯護(hù)階梯溢洪道泄槽消能功效進(jìn)行實驗?zāi)M研究，并圍繞實驗結(jié)果開展討論，探討和分析其水力特性，以期為同類泄槽消能工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 柔性土工膜襯護(hù)階梯泄槽消能實驗設(shè)計及基本方法

1.1 實驗梯臺模型概述

本實驗物理模型是在某農(nóng)業(yè)大學(xué)水工實驗室內(nèi)進(jìn)行搭建，實驗中的水槽模型是由有機(jī)玻璃材料按1∶10縮尺制成。實驗分別針對1∶3和1∶1.5的坡度分兩組進(jìn)行。柔性土工膜襯護(hù)階梯泄槽消能實驗結(jié)構(gòu)模型及階梯規(guī)格見圖1。

圖1 柔性土工膜襯護(hù)階梯泄槽消能實驗結(jié)構(gòu)模型及階梯規(guī)格示意圖

槽首連接規(guī)格為2.2 m×2.1 m×3.2 m(長×寬×高)的蓄水池，實驗前蓄水池滿水，實驗進(jìn)程中由水泵持續(xù)供水。本實驗水泵工作流量為0.077 m3/s。水流在槽尾處跌落水箱，該水箱的出口設(shè)計為矩形量水堰，便于流量監(jiān)測；水槽邊壁高0.5 m，寬度0.3 m，斜長8.759 m；泄槽底部末端距堰頂?shù)母叱虨?.77 m；石紗網(wǎng)袋排水層敷設(shè)于水槽底部，實驗土工膜袋，分鋪疊壓敷設(shè)于水槽內(nèi)，構(gòu)成梯臺狀態(tài)，其中梯臺的規(guī)格為1.155 m×0.385 m(長×高)，共設(shè)計72個梯階。當(dāng)坡度設(shè)計為1∶1.5時，則水槽斜長規(guī)格為5 m，梯臺的規(guī)格為0.578 m×0.385 m(長×高)。

1.2 土工膜袋及實驗擺位設(shè)計

為節(jié)約成本，實驗中以塑料袋填裝土替代土工膜袋。因為膜袋端頭流線形態(tài)，故實驗梯階截面形成弧面突出的流線階降形態(tài)。進(jìn)行數(shù)值模擬時，將這種弧面突出的流線階降形態(tài)，簡化視作半圓形球弧外邊界臺階。因為膜袋的柔性特質(zhì)，所構(gòu)成的膜袋臺階邊界在實際水流中，并不標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)為便于測量的“剛性固定邊界”，但在本實驗?zāi)M中選擇典型簡化，將其視作是一個“剛性固定邊界”，這是便于實驗計算實施的適用選擇。實驗“土工膜袋”臺階邊界基本形態(tài)見圖2。

圖2 實驗“土工膜袋”臺階邊界基本形態(tài)

以土工膜袋構(gòu)建實驗梯臺，有水平和傾斜兩種堆疊方式。其中，傾斜堆疊以及“翅”“尾”結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠增加階梯堆疊的穩(wěn)定性。實驗土工膜袋“翅”“尾”及兩種堆疊狀態(tài)見圖3。

圖3 實驗土工膜袋“翅”“尾”及兩種堆疊狀態(tài)

土工膜袋傾斜堆疊具有更好的穩(wěn)定優(yōu)勢，兩種堆疊狀態(tài)的消能性狀，對比文獻(xiàn)還相對缺乏。所以本實驗決定采用相同的數(shù)值模擬方法，將向上傾斜7°堆疊與水平堆疊的性狀進(jìn)行比對，探究其中的功用狀態(tài)，為工程設(shè)計選用提供依據(jù)。

1.3 水槽模型及數(shù)值模擬初始條件

本實驗水槽模型采用二維空間模型。水槽設(shè)計兩個入口，即下部的水流入口和上部的氣體入口。對上部氣體入口，選擇壓力進(jìn)口邊界條件；對下部水流入口，選用流速入口邊界條件。泄槽的底部選擇固壁邊界條件，采用U=0，V=0無滑移邊界，以壁函數(shù)，采用4組流量2種坡度，處理近壁區(qū)的黏性底層數(shù)值模擬，其初始條件具體見表1。

表1 數(shù)值模擬初始條件

1.4 實驗?zāi)M水深度與水線比對

土工膜袋采取傾斜向上堆疊與水平堆疊的對應(yīng)模擬水深，具體見表2。

表2 土工膜袋兩種角度堆疊對應(yīng)的模擬水深

從表2中可以看出，泄槽的模擬水深在傾斜向上堆疊狀態(tài)下的水深趨勢，大于水平堆疊狀態(tài)下的槽內(nèi)水深，可見采取傾斜向上堆疊狀態(tài)，增大了適應(yīng)水深。實驗?zāi)M的兩種方案堆疊的泄槽內(nèi)水線沿程狀態(tài)見圖4。

在上述兩種設(shè)計狀態(tài)下，實驗泄槽內(nèi)水線沿程穩(wěn)定，即傾斜堆疊土工膜袋時，保持水流穩(wěn)定，維持流態(tài)性狀基本完好的目標(biāo)仍能實現(xiàn)。

圖4 兩種方案堆疊的泄槽內(nèi)水線沿程狀態(tài)

1.5 實驗網(wǎng)格模型與基本計算方法

本實驗采用VOF方法對水氣交界面實施處理，控制方程選用RNGk-ε紊流模型方程，對兩種泄槽底坡(1∶3和1∶1.5) 和不同流量狀態(tài)下的柔性襯護(hù)梯臺溢洪道消能功效展開數(shù)值模擬。采用PISO算法，即隱式壓力算子分割法，提高實驗?zāi)M計算效率。在模擬計算過程中，對計算區(qū)域以三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散，每一梯面均適當(dāng)加密網(wǎng)格，其劃分呈現(xiàn)方式見圖5。

圖5 實驗?zāi)M加密網(wǎng)格圖示

2 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

2.1 基于不同流量的各斷面實測和模擬流速比對

表3和表4反映了基于不同流量和不同坡度的泄槽實測末端平均流速和實驗?zāi)M的平均流速對比情況，從中可以看到，模擬和實測的流速值大小基本相近，而且兩者的變化趨勢也呈現(xiàn)基本一致狀態(tài)，即同流量條件下，都是坡度越陡則泄槽末端的流速就越大；而如果坡度條件等同，便呈現(xiàn)流量增大則流速隨之增大。

表3 坡度1∶3條件下泄槽實測末端平均流速和實驗?zāi)M的平均流速對比情況

表4 坡度1∶1.5條件下泄槽實測末端平均流速和實驗?zāi)M的平均流速對比情況

2.2 泄槽內(nèi)水力特性檢測

基于1∶3坡度和各流量條件，泄槽末段梯臺上的流體紊動強(qiáng)度等值線分析。見圖6。

由圖6梯臺流體紊動強(qiáng)度等值線揭示，坡度1∶3條件下，紊動強(qiáng)度值隨流量增加而加大，這時的等值線分布逐漸變得不均勻，說明隨流量的增加，泄槽內(nèi)水流開始越來越不穩(wěn)定。在試驗中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量很大時，泄槽內(nèi)水流濺起大量水花，這使得邊壁亦振動加劇，表明實驗?zāi)M較為合理。

2.3 兩種典型坡度條件下泄槽末段流線圖

由圖7中可以看到，如果坡度緩，則流線變得平順；而坡度陡時，則流線起伏加劇。

2.4 坡度1∶3狀態(tài)下泄槽末端梯臺的等壓線

以0.028 7 m3/s流量為例，在泄槽末端梯階附近，其壓強(qiáng)等值線見圖8。

在圖8中可以看到，正壓最大值往往發(fā)生在半圓形球弧臺階水平面靠上的位置，負(fù)壓最大值則多在半圓角上側(cè)發(fā)生，在系列梯階上，正負(fù)壓強(qiáng)呈波浪狀交替分布。半圓形球弧臺階上的負(fù)壓較大，這是由于半圓形球弧臺階形狀減弱了消能，所以這時呈現(xiàn)流速增大。而且在梯階頂角的上方，正處水流的收縮斷面，因而平均流速加大。如果動能發(fā)生增大，則勢能立即開始降低，此時會呈現(xiàn)出存在較大的負(fù)壓值。這說明土工膜袋構(gòu)成的梯階相對更適合于泄槽底坡較緩和流速較小的中小型土壩應(yīng)用。

圖6 坡度1∶3和各流量條件下梯臺流體紊動強(qiáng)度等值線分布圖

圖7 坡度1∶3和1∶1.5時泄槽末段流線分布圖

圖8 坡度1∶3狀態(tài)下泄槽末端梯臺的等壓線

2.5 柔性土工膜襯護(hù)階梯溢洪道泄槽消能率

柔性土工膜襯護(hù)階梯溢洪道泄槽消能率實驗檢測量值見表5。

表5中的數(shù)據(jù)揭示，1∶1.5和1∶3坡度及不同流量條件下檢測，模擬和試驗的相對消能率數(shù)據(jù)接近。這說明運用數(shù)值模擬方法也較好地檢測了相對消能率。系列檢測和計算數(shù)據(jù)表明，柔性土工膜襯護(hù)階梯溢洪道獲得了數(shù)值在70%～95%區(qū)間的試驗相對消能率，模擬檢測也基本吻合地佐證了這一結(jié)果。相同流量條件下，如果坡度加大，則相對消能率發(fā)生減?。幌嗤露葪l件下，如果流量加大，則相對消能率降低。

表5 相對消能率檢測值與模擬值對比表

3 土工膜袋傾斜堆疊與水平堆疊條件下的數(shù)值模擬比對

3.1 泄槽尾端紊動等值線及其流線的比對

圖9、圖10是膜袋傾斜向上堆疊方案時，發(fā)生在泄槽末段的水流紊動強(qiáng)度的等值線與流線圖。傾斜向上堆疊時的紊動強(qiáng)度最大值較高。在梯階隅角靠內(nèi)部分均有小漩渦發(fā)生，主流與各梯階最外邊界圓切點的連線相平行，水流也都較為穩(wěn)定。

圖9 末段水流紊動強(qiáng)度等值線

圖10 末段的水流紊動強(qiáng)度流線圖

3.2 泄槽末端處梯階上的壓強(qiáng)等值線比對

圖11是膜袋傾斜上堆疊和水平堆疊時，泄槽末端梯階上發(fā)生的壓強(qiáng)等值線。從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，梯階上的壓強(qiáng)分布規(guī)律在兩種堆疊狀態(tài)下近似相同。這里的正負(fù)壓波浪式交替呈，最大正負(fù)壓的位置分布也相同，兩者數(shù)值變動范圍也基本相同。但是傾斜上堆疊時，負(fù)壓區(qū)域開始變得較小。

圖11 泄槽末端處梯階上的壓強(qiáng)等值線比對圖

3.3 泄槽尾端梯階流速等值線比對

圖12是傾斜上堆疊和水平堆疊時，泄槽末端梯階上的流速等值線。由圖12可以發(fā)現(xiàn)，梯階上流速分布，兩者規(guī)律近似，流速最大值均發(fā)生于梯階上方的主流區(qū)域，均于臺階頂角部位呈現(xiàn)流速等值線密集。就最大流速數(shù)值來看，傾斜堆疊時的流速小于水平堆疊時的流速，說明傾斜堆疊時的流速一般較小。

圖12 兩種堆疊泄槽末端梯階上的流速等值線

3.4 泄槽尾端平均流速及其相對消能率的比對

表6是土工膜袋傾斜上堆疊與水平堆疊時，泄槽末端的平均流速與相對消能率的對應(yīng)情況。從表6可以看到，傾斜向上堆疊方案，其末端平均流速一般較小，而相對消能率則較比水平堆疊方案時有所提高，說明土工膜袋傾斜上堆疊時的消能效果比較好，而且其梯階面上發(fā)生負(fù)壓區(qū)域一般較小，流態(tài)也穩(wěn)定性較強(qiáng)。因此，建議較多采用傾斜向上堆疊的方式使用土工膜袋，此方式的消能功效相對更好。

表6 泄槽尾端平均流速及其相對消能率的比對

4 結(jié) 論

通過采用湍流RNGK-ε模型以及VOF方法，本文就柔性土工膜襯護(hù)階梯溢洪道泄槽消能進(jìn)行了模擬實驗研究，結(jié)論如下：

1) 試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相近似，規(guī)律趨勢總體基本一致，表明應(yīng)用上述方法模擬分析柔性土工膜襯護(hù)階梯溢洪道泄槽消能是可行的。

2) 相同流量情況下，柔性土工膜襯護(hù)梯階的相對消能率，坡度緩狀態(tài)下較比坡度陡狀態(tài)下相對提高；在坡度相同時，相對消能率隨流量增大而發(fā)生減小。

3) 相同流量情況下，傾斜向上堆疊土工膜袋方案較比水平堆疊方案，泄槽末端的平均流速相對變得更小，說明傾斜向上堆疊土工膜袋方案的梯階相對消能率更高。