吳春水

（昌吉回族自治州呼圖壁河流管理處，新疆 昌吉 831100）

1 引言

溢洪道是在蓄洪壩和攔洪壩上設置的一種水工建筑物，用于釋放不能安全儲存在水庫中的多余水，當洪水超過水庫蓄水能力時，水流越過溢洪道頂部，并沿著泄槽加速，在坡腳處產生高速沖刷，會對水工建筑物下方的天然河道帶來不利影響，作為一種補救措施各種形式的消能機制已在實踐中得到廣泛應用，如簡單的護坦、消力池、沖擊池、折流槽和消力塘等。盡管這些方法已被證明在耗散能量方面是有效的，但其建設成本大，并且會影響溢洪道結構完整性的缺陷，可能導致大壩故障[1]。

因此提出一種階梯形溢洪道，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光滑溢洪道。在壩頂附近到坡腳的仰拱處設置一系列階梯式溢洪道，階梯作為粗糙度元件，使下泄水流產生巨大能量損失，降低水流末端速度。近年來，階梯式溢洪道以其低成本、高性能等優(yōu)勢，快速在蓄洪壩和攔洪壩中廣泛應用。但階梯式溢洪道的水流計算建模方面進展甚微，基于此，本文使用有限元方法對階梯式溢洪道的水流進行建模，對階梯式溢洪道水力特性進行模擬研究，為大壩安全運行提供可靠依據(jù)[2～4]。以昌吉呼圖壁河流域某攔洪壩溢洪道模型為研究對象，對其進行同比例建模研究。

2 模型特征參數(shù)設置

溢洪道傾角為60°，在其下端有一段圓弧用來連接溢洪道和消力池，使下泄水流平穩(wěn)過度。模型溢洪道從坡腳到壩頂?shù)目偢叨菻s等于380 mm，由上到下沿泄槽引入臺階，臺階選擇高度為1/20Hs（19 mm）的大臺階或高度為1/40Hs（9.5 mm）的小臺階，模型溢洪道整體高度為342 mm，通過改變溢洪道上下部臺階高度共建立四個模型，具體參數(shù)見表1。

表1 溢洪道模型具體參數(shù)設置

初始條件設置見圖1，在底部邊緣和溢洪道沿線（所有標記為A的線）施加固定墻邊界條件，初始水面由標記為B的三條直線模擬。在入口（標記為C的直線）處，給定了0.107 m/s的均勻流速，該值是通過將流速除以上游水深的實驗測量值計算得出的。

圖1 溢洪道模型初始條件設置

模型網(wǎng)格劃分見圖2。由多個三角形三節(jié)點單元網(wǎng)格組成，在位置1、2和3處使用高分辨率網(wǎng)格，以便解析（或捕獲）更復雜的水流運動，其他位置均采用相似的網(wǎng)格。表1給出了每種情況下使用的網(wǎng)格總數(shù)[5]。

圖2 分析中使用的有限元網(wǎng)格劃分

3 數(shù)值分析及結果討論

采用ADINA軟件中計算流體力學模塊ADINA-F模擬階梯式溢洪道的水流，ADINA-F是一種通用的有限元程序，可用于模擬各種流體流動問題，實驗設置部分概述的所有四個案例均已建模，為方便比較，同時對光滑溢洪道進行模擬，模擬過程的一個關鍵點是對壩頂之前的上游、溢洪道上方和坡腳之后的下游的整個水面精確跟蹤，水流在溢洪道上的流動本質上是湍流，因此采用k-ε紊流模型，除上述參數(shù)設置外，其余所有默認參數(shù)由ADINA-F提供[6]。

3.1 瞬態(tài)過程模擬

瞬態(tài)過程均包括200個時間步，每個時間步的恒定幅度為0.005 s，總計模擬時間為1.0 s，瞬態(tài)模擬過程見圖3。

圖3 溢洪道水流瞬態(tài)模擬過程

圖3為溢洪道水流瞬態(tài)模擬過程，描述了網(wǎng)格的幾何結構隨時間的變化，一共分為200個時間步，波峰處和波峰下游的自由面部分在0.005 s～0.8 s（共160步）的時間跨度內，在這個時間范圍內水流形態(tài)急劇演變。在0.8 s～1.0 s之間的時間跨度（共40步），網(wǎng)格幾何沒有明顯變化，其他情況下網(wǎng)格幾何演化的穩(wěn)態(tài)解都相似。

3.2 速度矢量分布

圖4為模型4在溢洪道三個不同位置的速度矢量圖，從圖中可以明顯看出，滑行水流在臺階邊緣滑行，循環(huán)區(qū)（或漩渦）在臺階面形成的三角形凹坑中形成。隨著滑行水流速度的增加，渦旋水流速度不斷增大，且小于滑行水流流速，約比滑行流的速度減少1/4。其中圖4（a）代表溢洪道上部水流速度矢量分布情況，從圖中可以看出滑行水流以及渦旋水流流速范圍在0.175 m/s～1.575 m/s之間；圖 4（b）代表溢洪道中部水流速度矢量分布，從圖中可以看出滑行水流以及渦旋水流流速范圍在0.525 m/s～1.925 m/s之間；圖 4（c）代表溢洪道下部水流速度矢量分布，從圖中可以看出滑行水流以及渦旋水流流速范圍在0.525 m/s～2.275 m/s，其他三個模型的速度矢量圖都相似。

圖4 模型4溢洪道三個不同位置的速度矢量圖

3.3 階梯溢洪道表面壓力分布

當工作水頭突然增大，如洪水爆發(fā)等，溢洪道的一些位置可能產生負壓，出現(xiàn)空化和振動，因此有必要研究該狀態(tài)下階梯溢洪道的壓力分布情況。選取溢洪道兩個典型位置，靠近溢洪道的上部中間、底部中間，4個模型同一時間步，x軸方向（水平方向）和y軸方向（垂直方向）的壓力分布，見圖5。臺階表面的x和y坐標上的壓力變化在兩個位置都遵循類似的模式，沿x軸水平表面，壓力先減小，后增大，在臺階尖端之前達到最大值，到達尖端處時，壓力急劇下降，見圖5(a)。這種最大壓力是由落水對臺階的影響引起的；沿y軸垂直表面，隨著從拐角處向下距離的增加，壓力持續(xù)下降，并在靠近拐角處發(fā)生急劇變化，見圖5（b）。在水平面x軸方向會產生波動變化為正壓，在垂直面y軸方向產生的壓力在正負之間進行波動。光滑溢洪道泄槽的壓力，在第一個位置處產生負壓力接近零，在第二個位置處產生較小的正壓力。

圖5 階梯溢洪道表面壓力分布圖

3.4 階梯消能率計算

在消力池的設計中，須了解溢洪道底部的剩余動能，溢洪道的能量損失采用式（1）～式（6）進行計算:

式中:E0、E1、E2分別為上游總水頭、下游平滑溢洪道及階梯溢洪道總水頭，m；H0、H1、H2分別為上游斷面水面高程、平滑溢洪道及階梯溢洪道水面高程，m；V0、V1、V2分別為上游斷面平均流速、下游平滑溢洪道及階梯溢洪道斷面平均流速，m/s；a為流速系數(shù)，取1；η、η1、η2分別為階梯增加消能率、平滑溢洪道消能率及階梯溢洪道消能率，%。

表2 階梯消能率計算結果

通過計算可知模型 1～4的能量損失分別為:51.6%、53.1%、52.2%和48.7%，而光滑溢洪道模型的能量損失為30.5%。因此模型1～4溢洪道增加的能量損失值分別為:21.1%、22.6%、21.7%和 18.2%；這些數(shù)值與 Chatila和 Jurdi[7]報告的能量耗散率相當，同樣說明了模型計算的準確性。

4 結論

通過有限元計算流體力學模塊ADINA-F采用k-ε紊流模型與流體體積分數(shù)(VOF)法相結合詳細揭示流場的時均流特性和紊動特性，對模型1～4溢洪道水流進行模擬，結果顯示與一般流動特性定性一致，并且與測量的自由表面輪廓一致，整個求解過程只需20 min即可完成，說明了仿真軟件作為一種可用于靈敏度分析的工具的合理性，并且可以考慮多種情況，采用相同的求解過程來模擬在不同水頭下運行的各種階梯溢洪道結構，以優(yōu)化階梯式溢洪道的性能，是研究階梯溢洪道等泄水建筑物水流運動規(guī)律及消能機理的有效途徑。