周振興 吳 成

(江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200)

1 引 言

泄洪閘作為水利樞紐工程中重要組成部分之一，是水資源控制調(diào)度的重要水利設(shè)施，研究泄流運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下其流場(chǎng)安全穩(wěn)定性具有重要作用。泄洪閘由消能池及尾坎等水工結(jié)構(gòu)組成，研究泄洪閘應(yīng)系統(tǒng)性考慮整體流場(chǎng)狀態(tài)。因此，許多水利工程師或?qū)W者通過(guò)水工模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了適應(yīng)不同水電站運(yùn)營(yíng)下的泄洪閘泄流模型試驗(yàn)，提升了泄洪閘設(shè)計(jì)水平。當(dāng)然，在泄洪閘工程現(xiàn)場(chǎng)安裝流速測(cè)試傳感器或靜力監(jiān)測(cè)傳感器等，可獲取工程現(xiàn)場(chǎng)泄洪閘運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究數(shù)據(jù)之間的規(guī)律性，為其他類(lèi)似水利工程設(shè)施設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)等提供參考。相比而言，數(shù)值方法較為高效，且可用來(lái)研究較為復(fù)雜工況下的泄洪閘泄流運(yùn)營(yíng)情況，對(duì)提升泄洪閘的泄流認(rèn)識(shí)具有重要作用。本文借助三維建模軟件與流體分析后處理軟件，研究不同泄流工況下淮河入海水道二河新泄洪閘的水力特性，為揭示泄洪閘泄流時(shí)流場(chǎng)特征提供一定參考。

2 泄流數(shù)值計(jì)算理論

泄洪閘正常泄流運(yùn)營(yíng)時(shí)，按照流體力學(xué)理論，其紊動(dòng)能與耗散率可采用雙方程形式表述

(1)

式中ui、uj——流速，m/s；

k——流場(chǎng)特征參數(shù)，紊動(dòng)能；

CD、μt、μ——與流場(chǎng)相關(guān)的特征參數(shù)；

σt——體力，N。

而方程中重要流場(chǎng)特征參數(shù)耗散率可表述為

(2)

聯(lián)立以上方程可得到流體介質(zhì)傳輸運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

(4)

式中Cμ——常數(shù)；

Ck、Gb——與紊動(dòng)能有關(guān)的參數(shù)項(xiàng)；

YM——流場(chǎng)擴(kuò)張項(xiàng)參數(shù)。

在上述方程基礎(chǔ)上，獲得N-S方程為

(5)

式中Fx、Fy、Fz——體力分量，N；

p——壓力，Pa；

τii——黏性力分量，Pa。

綜合動(dòng)量與能量守恒原理，則雙特征參數(shù)流場(chǎng)特性的方程可歸納總結(jié)為

(6)

式中 Г、S——能量參數(shù)系數(shù)；

在FLUENT后處理軟件計(jì)算過(guò)程中，以有限元離散插分為原則，如下

(7)

式中A——矢量斷面截面積，m2；

另結(jié)合梯度離散化方程如下：

(8)

求解獲得每個(gè)網(wǎng)格單元體的參數(shù)解，以線性化表述為

(9)

式中αp、αnb——離散后線性系數(shù)。

另流場(chǎng)域內(nèi)自由水面按照流體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)限制特點(diǎn)，確定其自由界面方程為

(19)

式中aw——自由界面高度，m。

在上述理論分析基礎(chǔ)上，借助FLUENT后處理軟件，計(jì)算每個(gè)單元體流場(chǎng)特征，并限定在邊界約束條件內(nèi)，獲得整個(gè)研究模型的流場(chǎng)特征。

3 工程概況

淮河入海水道是江蘇濱海城市重要輸水線路工程，承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)水資源調(diào)度以及豐、枯水季供應(yīng)，全長(zhǎng)168km，設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)洪水流量800m3/s，下游建設(shè)有泄洪閘等水利設(shè)施，其中二河新泄洪閘是工程線路上一級(jí)控制水閘，采用鋼筋混凝土材料澆筑形成，設(shè)計(jì)為多孔式，共10孔，總寬度超過(guò)120m，泄洪閘尾端建設(shè)有消能池，降低水力沖刷對(duì)水工建筑結(jié)構(gòu)的損害，另在泄流區(qū)段兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)。二河新泄洪閘位于壩體右岸，閘頂高程約為1555m，各孔間距為15m，以閘墩為基本承重構(gòu)件，閘墩分布在閘室兩側(cè)，每根閘墩厚度約為2.4m，下部建有承重平臺(tái)與閘室接觸，閘室底部高程為1538.5m。工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，控制閘正常運(yùn)營(yíng)期間，泄流量最大為2270m3/s，根據(jù)不同洪水發(fā)生頻率，泄流量可適應(yīng)性調(diào)整，其中30年一遇洪水泄流量最大可為2890m3/s。本文針對(duì)輸水線路上游不同水位條件下泄流量的變化，研究各工況中流場(chǎng)分布特征。

為了更好開(kāi)展數(shù)值試驗(yàn)，需了解該泄洪閘所處工程現(xiàn)場(chǎng)基本地質(zhì)狀況，從地質(zhì)勘察資料中得知，所處區(qū)域內(nèi)無(wú)顯著破壞性地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，僅在泄洪閘左側(cè)翼墻岸坡上見(jiàn)有延伸較短的向斜，穩(wěn)定性較好，無(wú)破碎帶夾層。工程場(chǎng)地表面覆蓋土層為第四系填土層，厚度最大為2.8m，顆粒分選性較好，密實(shí)性較差，但在局部地區(qū)較為密實(shí)，主要是河流沖刷搬運(yùn)碎石結(jié)構(gòu)填充后，密實(shí)度提高；在該土層下分布有粉土層，厚度為2.6～3.8m，含水量中等，室內(nèi)重塑后密度可達(dá)1.8g/cm3，另該土層承載力較表面覆蓋土層要高，作為泄洪閘下游導(dǎo)墻地基持力層；再下一層土體主要為粒徑不同的砂礫石土，愈接近基巖層，粒徑愈大，最大粒徑超過(guò)5.6mm，析水性較高，冬天溫度較低時(shí)并不會(huì)出現(xiàn)凍脹破壞?；鶐r層主要巖性為片麻巖，室內(nèi)測(cè)試表明，密度較大，強(qiáng)度較高，孔隙度最低僅為0.3%，水流在基巖裂隙層活動(dòng)性較弱。在上述工程資料基礎(chǔ)上，本文開(kāi)展建模數(shù)值試驗(yàn)，研究二河新泄洪閘泄流運(yùn)營(yíng)期水力特征。

4 泄流水力特性分析

4.1 建模及研究工況

利用UG軟件按照泄洪閘設(shè)計(jì)圖建立其三維幾何模型，簡(jiǎn)化其中部分對(duì)泄洪閘水力特性影響較小的水工結(jié)構(gòu)，獲得如圖1所示幾何模型。利用UG建模軟件，添加邊界約束條件后，可較快劃分出流場(chǎng)分布區(qū)域，校核洪水位下流場(chǎng)分布域與邊界條件見(jiàn)圖2。二河新泄洪閘閘門(mén)為弧形閘門(mén)，而針對(duì)平面式閘門(mén)及其他類(lèi)型閘門(mén)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其流場(chǎng)特性受到上、下游同一底緣高度、傾角、門(mén)槽等參數(shù)影響，而對(duì)比平面或弧形閘門(mén)，其相關(guān)參數(shù)限于不在同一水平，無(wú)法比較，因而本文僅對(duì)弧形閘門(mén)這類(lèi)泄流水力特性開(kāi)展分析研究。

圖1 泄洪閘幾何模型

圖2 流場(chǎng)分布域及施加邊界條件后模型

利用Workbench工作平臺(tái)劃分幾何模型單元網(wǎng)格，以SOLID65作為基本單元體，共獲得單元網(wǎng)格數(shù)4688642個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)826458個(gè)，劃分后數(shù)值模型圖見(jiàn)圖3。本文主要研究校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、30年一遇洪水位和5年一遇洪水位四個(gè)工況，所處工況條件下泄洪閘控制泄流量分別為3291m3/s、2987m3/s、2384m3/s和2270m3/s。

圖3 劃分網(wǎng)格單元后數(shù)值模型

4.2 流場(chǎng)特征計(jì)算分析

4.2.1 水面線

根據(jù)FLUENT后處理計(jì)算獲得流場(chǎng)自由水面，不同泄流工況下自由水面分布云圖見(jiàn)圖4，另給出各工況水面線在斷面縱向長(zhǎng)度上對(duì)比，見(jiàn)圖5。從圖4中可看出，各工況下水流場(chǎng)與氣相場(chǎng)分界線較為顯著，流場(chǎng)與氣相場(chǎng)分布形態(tài)在各泄流工況下具有相似之處：泄流閘前水流均較為穩(wěn)定，此時(shí)流態(tài)流線均為均勻水平狀態(tài)；經(jīng)泄流閘后，由于過(guò)水?dāng)嗝娼孛娣e減小，流速增大，傾向于往下游靠近，相比氣相場(chǎng)，流場(chǎng)占比減小，水面線降低，各工況下第一次水面線降低均發(fā)生在泄洪閘斷面0m處；經(jīng)泄流閘過(guò)水?dāng)嗝婧筮M(jìn)入消能池，過(guò)水?dāng)嗝嬗兴龃?，水流?chǎng)在斷面中占比逐漸增大，水面線故而上漲；但在進(jìn)入下游兩側(cè)導(dǎo)墻區(qū)域后，水面線均會(huì)二次下降，其中校核洪水位工況下水面線二次下降發(fā)生在斷面110m處。從圖5中可看出，各工況下水面線二次下降所處位置均有一定差異，設(shè)計(jì)洪水位發(fā)生在斷面115m處，30年一遇和5年一遇洪水位發(fā)生在71.5m處、103.5m處，上游水位愈高，水面線二次下降所處位置更靠前。

圖4 流、氣相場(chǎng)分布云圖

圖5 各工況水面線變化曲線

4.2.2 壓強(qiáng)特征

四個(gè)泄流工況中泄洪閘垂線方向上壓力分布云圖見(jiàn)圖6。從圖6中可看出，流場(chǎng)內(nèi)壓強(qiáng)特征分布與水面線具有相似之處，各工況中均未出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，消能池內(nèi)由于水流受到低勢(shì)能流體包裹，整體壓力水平增大，而在尾端導(dǎo)墻和尾坎影響下，水流運(yùn)動(dòng)會(huì)進(jìn)一步激發(fā)，壓力面會(huì)稍增大。各工況中壓強(qiáng)特征差異見(jiàn)圖7，壓強(qiáng)在斷面上變化走向趨勢(shì)基本一致，均呈“先減后增至穩(wěn)定再降至穩(wěn)定”變化，但各泄流工況下在第一次降低階段減少幅度有所差異，校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位下壓強(qiáng)一次下降幅度約為21.4%、49.7%，而30年一遇和5年一遇洪水位下降幅度分別為19.3%、12.9%，一次壓強(qiáng)下降主要由泄洪閘過(guò)水?dāng)嗝娣e減少影響，分析表明在常遇洪水位下壓強(qiáng)降低受泄洪閘節(jié)制影響較弱。另從壓強(qiáng)一次增長(zhǎng)至穩(wěn)定狀態(tài)來(lái)看，校核洪水位下壓強(qiáng)穩(wěn)定在140kPa，30年一遇和5年一遇洪水位壓強(qiáng)分別穩(wěn)定在120kPa、110kPa，穩(wěn)定階段變化幅度較小，均低于4%，但設(shè)計(jì)洪水位下該階段壓強(qiáng)呈穩(wěn)定上漲，增大幅度約為28.4%，壓強(qiáng)分布在95～122kPa。分析表明，上游水位愈高，則進(jìn)入消能池后被勢(shì)能愈低的水流淹沒(méi)程度更佳，壓強(qiáng)分布更趨于穩(wěn)定，但在設(shè)計(jì)洪水位下，由于上游水位處于較為安全狀態(tài)，泄流進(jìn)入消能池后，能量不高的水流并不會(huì)被消能池中水流完全淹沒(méi)，仍具有一定自主運(yùn)動(dòng)能量，因而壓強(qiáng)會(huì)相對(duì)持續(xù)增長(zhǎng)。

圖6 泄洪閘壓力分布云圖

圖7 各工況壓強(qiáng)在斷面縱向長(zhǎng)度變化對(duì)比

4.2.3 流速特征

本文以各工況中泄洪閘垂線縱向斷面上33.5m、71.5m、150m三個(gè)位置為流速分析特征斷面，其中斷面150m為泄洪閘閘室末端，斷面33.5m、71.5m分別為消能池首、尾端，獲得圖8所示結(jié)果。從圖8中可看出，經(jīng)泄洪閘過(guò)水?dāng)嗝婕s束后，進(jìn)入消能池流場(chǎng)內(nèi)自底部至頂部，流速呈先增后減，校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位工況峰值流速分別為8.06m/s、8.47m/s，30年一遇洪水位峰值流速分別為前兩者的92%以及88.2%，且頻率愈低，流速愈??；分析是由于常遇洪水位上游水位較高，在泄洪閘內(nèi)節(jié)制后，受到顯著影響，勢(shì)能轉(zhuǎn)換效率降低，動(dòng)能減小，流速較低。在消能池尾端可顯著看出，各工況下尾端流速低于首端，設(shè)計(jì)洪水位下首端流速為8.47m/s，尾端流速相比降低了36.6%，達(dá)5.37m/s，在校核水位與30年一遇和5年一遇洪水位下尾端相比首端流速減小幅度分別為16.4%、28.2%、18.5%。分析表明，水流進(jìn)入消能池后，在勢(shì)能轉(zhuǎn)換與低流速水流淹沒(méi)影響下，流速會(huì)逐漸降低，呈現(xiàn)消能池尾端流速低于首端，即達(dá)到消能降力效應(yīng)。在閘壩末端150m處，各工況下流場(chǎng)內(nèi)流速變化特征幾乎一致，但峰值流速以校核洪水位工況下為最大，達(dá)12.26m/s，常遇洪水位下流速較低，僅為前者的64%，表明上游水流經(jīng)泄洪閘泄流后，流體動(dòng)能大大降低，流場(chǎng)穩(wěn)定性較佳，泄流安全性能較高。

圖8 各工況流速-水深變化曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

a.研究了流場(chǎng)內(nèi)水面線分布特征，各泄流工況下水、氣相場(chǎng)界線顯著，水面線受泄洪閘節(jié)制與導(dǎo)墻尾坎影響，會(huì)經(jīng)歷兩次下降，但二次下降位置與泄流工況有關(guān)，上游水位越高，二次下降所處位置越靠前。

b.研究表明：流場(chǎng)壓強(qiáng)分布特征與水面線變化具有相似之處，各工況中均未出現(xiàn)負(fù)壓，壓強(qiáng)在閘室斷面上均呈“先減后增至穩(wěn)定再降至穩(wěn)定”變化，常遇洪水位一次下降階段幅度較低，30年一遇、5年一遇洪水位下降幅度分別為19.3%、12.9%，消能池內(nèi)校核與常遇洪水位下壓強(qiáng)穩(wěn)定性更好。

c.分析了各工況中流速特征，消能池首端處峰值流速受常遇洪水影響，常遇頻率愈低，流速愈小，30年一遇洪水位峰值流速分別為校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位的92%、88.2%；各工況中消能池尾端 流速均低于首端，設(shè)計(jì)洪水位下尾端流速相比首端降低了36.6%；各工況閘壩末端流速變化基本一致，但以校核洪水位工況下流速為最大，達(dá)12.26m/s。