庾偉生

佛山市科誠工程監(jiān)理有限公司 廣東 佛山 528000

水利建筑在對于水資源進行調(diào)度的過程當(dāng)中，泄流對于水利建筑來說是一個非常重要的環(huán)節(jié)，而泄流必然會引起一定的水力勢能變化，所以泄流所產(chǎn)生的沖刷問題也是一個重點環(huán)節(jié)，探討泄流水工工程建筑的設(shè)計體型跟水力消能降沖是非常的具有研究意義的。針對于不同建筑物在進行泄流過程當(dāng)中的具體情況的分析，有利于幫助我們選擇一個最優(yōu)設(shè)計方案。有學(xué)者在研究的過程當(dāng)中選擇根據(jù)原型試驗理論引入相似材料跟復(fù)制尺寸，建立了一個關(guān)于水工建筑物的物理化模型，并且在室內(nèi)就能夠完成相應(yīng)的實驗，以此來達到對于整體工程的設(shè)計方案的優(yōu)化。除此之外，也可以通過對于已經(jīng)建設(shè)好的建筑物在運營過程當(dāng)中的具體情況來進行模擬，并且監(jiān)測好滲流場的運行，這樣更加有利于幫助工作人員探討在不同的工況條件下以及在不同的外荷載條件影響下，溢洪道包括壩體等建筑物在進行運營的過程當(dāng)中會產(chǎn)生怎樣的特征變化，這樣做也能夠為建設(shè)水利工程的滲流分析提供相應(yīng)的科學(xué)參考。為了能夠最終確立一個最有效的設(shè)計方案，可以選擇使用Fluent等滲流場計算平臺來對于模型進行計算，通過不停的變換各種設(shè)計方案來研究每一個方案當(dāng)中的具體結(jié)構(gòu)變化特征，以此來判斷出一個最合適的方案，這種研究手段對于整體工程的建設(shè)來說是非常高效的。

因此在本篇文章當(dāng)中也會以淮安水利樞紐工程泄流工程的溢流面過渡段階梯的水平坡度設(shè)計作為研究的重點問題，提出如何對整體內(nèi)容進行優(yōu)化，并且也設(shè)計展開了不同坡度條件下的情況分析，通過計算之后為工程選擇一個最佳的方案，希望能夠為整體工程建設(shè)提供相應(yīng)的依據(jù)。

1 工程概況分析

因為蘇北水資源分布的并不是非常的均勻，所以經(jīng)常會導(dǎo)致一部分的工業(yè)或者是農(nóng)業(yè)用水部門存在著非常嚴(yán)重的水資源短缺的問題，這種情況的出現(xiàn)是非常的不利于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展建設(shè)的，所以為了能夠有效地提升區(qū)域的水利安全性就必須要對于淮安水利樞紐工程進行提級加固處理，確保當(dāng)?shù)氐乃Y源在進行調(diào)度的過程當(dāng)中能夠是安全且合理的?；窗菜麡屑~工程在進行應(yīng)用的過程當(dāng)中，其主要的職責(zé)就是完成發(fā)電以及防洪，包括蓄水等一系列的操作。就目前來看，其主要的水利設(shè)施包含著壩體以及泄流水工程建筑和溢流孔等，每一年的發(fā)電量都能夠超過10萬kw.h，可以為農(nóng)田灌溉提供超過300萬m3的水，同時可以對于下游的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)進行維護，能夠匯集到10萬hm2的農(nóng)田，根據(jù)目前的情況來看，為了能夠更好的使泄洪設(shè)施以及水利調(diào)度的安全性得到有效提升，對于溢流階梯的體型進行重新的研究以及升級是非常重要的。溢洪道所在面利用的是階梯式的消能跟下游消能池進行混合應(yīng)用的一種辦法，但是目前設(shè)計階段的坡度并沒有得到確定，所以對于溢流面的過渡段進行分析，并且展開相應(yīng)的研究，對于所有的方案進行對比。討論不同階梯式的溢流面的過渡段的具體體型并且對于不同坡度條件下的運營工況當(dāng)中的滲流場的具體差異性進行相關(guān)的分析，目的就是為了能夠最終選擇一個最為科學(xué)的方案[1]。

2 具體的研究方法分析

為了能夠確保在進行設(shè)計的過程當(dāng)中其比對的計算結(jié)果的可靠性，在本篇文章當(dāng)中主要會選擇使用UG幾何構(gòu)圖軟件來對于階梯式的溢流面進行建模處理。根據(jù)溢流面的研究區(qū)的具體情況設(shè)置了20級階梯，全長是14.5m，溢流面上的過渡階梯一共包含著八級，其他都屬于均勻階梯，尺寸控制為17.8mm×16.5mm，截流寬度4.6mm，一級階梯的尺寸是25mm×16mm，每一個階梯上面的溢流壩的具體高度都是控制在356mm～482.6mm之間的。在本文當(dāng)中每一個計算方案都是以過渡階梯段的水平坡度作為變動參數(shù)來設(shè)計模型，并且簡化了一部分的消能坎和擋墻結(jié)構(gòu)，只研究溢流面上過渡階段和均勻階梯之間的滲流特征，在經(jīng)過對于所有的參數(shù)進行梳理之后，具體的計算模型如下圖1所示。

圖1 溢流面計算模型

對于所建立起來的幾何模型進行分析，并且將其導(dǎo)入到計算機平臺里面，將其劃分為不同的微單元體，尤其是在對于過渡階段的階梯和下游的消能池局部模型進行處理的過程當(dāng)中，需要對其進行加密劃分。在本次研究的模型上面已經(jīng)設(shè)置好了上下游，分別是速度跟壓力耦合條件，其中速度出口條件使用的是自由邊界模式，使其能夠處在一個無滑移的條件下，而溢流面的頂部屬于反向運動邊界條件，其底部為零約束限制。除此之外，其他的側(cè)壁都分布了一定的摩擦力作為約束條件，所有的方案當(dāng)中都已經(jīng)設(shè)置好了入口的流量是150m3/s，流速是0.25m/s。

在本次模型建設(shè)的過程當(dāng)中設(shè)定了x、y、z方向分別是順?biāo)飨掠?、豎直向上以及溢流面泄流水體橫軸左向，本篇文章當(dāng)中限制因素是階梯的水平坡度不能夠小于10度，最主要的是在本次設(shè)計的過程當(dāng)中，坡度絕對不能夠超過8m，所以在進行方案確定時設(shè)定的溢流面過渡段的階梯水平坡度分別控制在了10度，20度以及30度，然后對于這三個方案進行相應(yīng)的分析以及計算，探討在過渡階段其具體的體型參數(shù)對于最終的消能減沖所產(chǎn)生的影響[2]。

3 設(shè)計體型和穩(wěn)定滲流場之間的關(guān)系

3.1 流態(tài)特征

通過對于每一個不同的設(shè)計方案當(dāng)中的泄流建筑溢流面的具體流態(tài)進行計算之后，可以發(fā)現(xiàn)每一個方案當(dāng)中的流態(tài)特征基本上都能夠保持一致變化，過渡階段的階梯水平坡度對于溢流面上面的流態(tài)分布特征并不會產(chǎn)生非常大的影響，因此在本篇文章當(dāng)中所研究的是階梯水平坡度在20度的時候，溢流面的具體流態(tài)特征。經(jīng)過研究之后發(fā)現(xiàn)水氣二相在階梯上面本身就具備著一定的交錯特性，這主要是因為這種階梯式的泄流方法會導(dǎo)致水氣在進行運轉(zhuǎn)的時候出現(xiàn)混雜的現(xiàn)象，而下游又設(shè)置了消能池，所以在經(jīng)過消能之后，氣相跟水相之間就會產(chǎn)生分離的現(xiàn)象，受到了消能坎調(diào)高所產(chǎn)生的影響，因此下流的水流效應(yīng)就會非常的明顯，出現(xiàn)一個局部的紊流問題。水液相在混流之后經(jīng)過了翻滾的作用之后，在消能池的末端水相分布占比就會變得非常小，通過分析之后發(fā)現(xiàn)階梯式溢流面非常有利于減小水力作用，進而在末端包括出水口的位置的沖刷都會有效的減小，而且最重要的一點是每一個不同的階梯的坡度下都會出現(xiàn)這種特征。

根據(jù)對于不同階梯的水平坡度方案的具體計算可以發(fā)現(xiàn)，如果階梯的水平坡度控制為10度的話，那么其空腔的長度則是11.5m，當(dāng)坡度為20度或者是30度的時候，其空腔的長度相較于10度的時候都有所增加，分別增加了18.3%以及37.4%，也就是說在無形當(dāng)中對于坡度體型的設(shè)計參數(shù)進行了擴充，這樣做是更加有利于擴大氣相空腔的延伸范圍的。如果從氣相空腔的整體分布情況來對其進行分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)水平坡度設(shè)置為10度的時候，一共包含著12個階梯，而坡度是20度或者是30度的時候，其階梯是14個或者是15個，這也表明了坡度更加有利于幫助我們?nèi)U大水流內(nèi)摻氣的分布，這本身對于水氣二相流的分布就具有一定的促進穩(wěn)定性的作用[3]。

3.2 消力池的水深和流速的具體特征

對于溢流面的不同坡度方案條件下所展開的水力特征進行有效的計算，這樣就能夠獲得池內(nèi)斷面水位上升的具體變化，這三種過渡方案在斷面上，其水位變化基本上是保持一致的，從上游到下游基本上都是呈現(xiàn)著先增后減的現(xiàn)象，同時到了靠近下游出口位置的時候，水位就會出現(xiàn)明顯的下降，因此對其進行分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上游受到了溢流面斜流效應(yīng)所產(chǎn)生的影響的時候，在進入到消力池之后水位仍然是最低的一個狀態(tài)，所以在每一個方案當(dāng)中的水位最低都要低于池首0m的位置。而經(jīng)過了上游的大流量所產(chǎn)生的影響，所以斷面上的水位就出席不斷增大的問題，在對于這三個坡度方案進行比對之后，可以發(fā)現(xiàn)，水平坡度設(shè)計的數(shù)值越大，那么消能池當(dāng)中的水位也會呈現(xiàn)著遞增的現(xiàn)象，當(dāng)水平坡度控制在10度的時候，其斷面水位為1.1m，但是當(dāng)坡度控制在20度或者是30度的時候斷面的平均水位也有所提升，分別提升了50.5%以及70.3%，這也就意味著階梯坡度越大，那么越有利于消能池當(dāng)中的水進行囤積，降低勢能對于下游所產(chǎn)生的沖擊作用。

與此同時，當(dāng)我們將水平坡度設(shè)置為20度時，在其斷面位置2m、4m以及8m的水位相較于池首都呈現(xiàn)著增長的狀態(tài)，增長的幅度分別是30.8% 54.2%以及80.9%，斷面位置每往前1m，水位也會顯著增長8.7%左右。因此斷面如果設(shè)計超過了8m，那么水位仍然是穩(wěn)定降低的，其降幅可以達到5.4%，當(dāng)水平坡度設(shè)置為30度的時候其池內(nèi)的峰值水?dāng)嗝娲蠹s在5m左右的位置，相較于坡度為10度，以及20度左右的時候均有所提前，而且池首在峰值水位的斷面位置平均增幅是12.5%。經(jīng)過分析之后可以發(fā)現(xiàn)溢流面過渡段的階梯水平越大，對于水的控制能力就會越強，所以在消力池當(dāng)中對于水沖刷作用的減弱效果會更加的明顯一些。

從這三個方案的水利特征計算的過程當(dāng)中，我們就能夠得到消力池在每一個斷面上面的具體流速所產(chǎn)生的變化特征。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，過渡段的階梯體型坡度越大，那么其流速就會越低，在斷面5m位置坡度為10度的時候，其流速是每秒12.6m，而當(dāng)整體的坡度增加到20度以及30度的時候，流速分別降低了39.2%以及70.7%。從池內(nèi)斷面的具體流速變化幅度來看，坡度10度下的流速控制在每秒7.24～17.4m，但是在坡度20度以及30度的時候，相較于前者來說，其差幅值是16%～67.4%以及27.6%～98.6%。另外一方面，每一個方案當(dāng)中的流速整體都呈現(xiàn)著遞減的變化，尤其在坡度30度以下的時候，其遞減的幅度是非常明顯的，每一個斷面的平均降幅都能夠達到29.5%。但是當(dāng)坡度在10度以及20度的時候，其下降的均幅只有6.5%以及12.9%，所以綜合以上所有的信息，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度是30度的時候，不僅流速是最低的，同時受到溢流面以及消力池降沖效果也是最為明顯的一個，所以這樣做是非常的有利于水工建筑的安全泄洪的[4]。

4 設(shè)計體型以及紊動滲流場之間的關(guān)系

4.1 紊動能的具體特征

根據(jù)水力特征來對其進行計算就能夠獲得三個方案下的紊動能的具體分布特征，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在溢流面上進行分布的過程當(dāng)中，基本上是保持一致的，每一個方案當(dāng)中的紊動能都是從上游到下游不斷地遞增，尤其是到了中下游區(qū)域的時候，會出現(xiàn)最大動能，但是絕對不能夠忽視的一點是，水平坡度變得越小，那么紊動能地分布分散性就會變得越來越顯著，這也就導(dǎo)致溢流面上面的水能在進入到消能池之后，不利于對其沖擊作用進行控制。

根據(jù)對于溢流面上面的紊動能進行有效的計算，就能夠獲得每一個階梯的紊動能的具體變化情況，水平坡度的增長也會導(dǎo)致紊動能不斷的增高，在階梯為5～12級位置坡度設(shè)置為10度的方案當(dāng)中，其紊動能為0.28㎡，當(dāng)坡度設(shè)置為20度和30度的時候，相較于10度時，其紊動能分別增加了2.86倍以及8.20倍，每一個方案當(dāng)中，在對于紊動能進行探究的時候，其差異性都是體現(xiàn)在過渡段的階梯上面。在進水口的位置紊動能基本上都是一致，然后從上游到下游逐漸呈現(xiàn)著遞增的趨勢，尤其是在過渡段階梯之后，這三個方案當(dāng)中的紊動能都出現(xiàn)了一定的增長，特別是坡度為30度方案下的增長趨勢是最為明顯的，在13級到第20級的階梯當(dāng)中，該坡度方案的增幅甚至能夠達到10.5%，而坡度控制在10度和20度的時候，其平均增幅是6.3%以及8.4%，所以紊動能增長效果以及量值變得越大的時候，對于水流的作用反而是最好的，能夠有效地對于水流進行擾動，降低水流的沖擊勢能。

4.2 消能率

根據(jù)對于最終的三個方案進行消能率方面的計算可以發(fā)現(xiàn)，在溢流面的階梯體型水平坡度在10度的時候，消能率是50.56%，而坡度為20的時候是56.82%，坡度為30度的時候是60.28%，也就是說坡度越大，那么消能率也會越大。溢流面的過渡階梯水平的坡度每增大10度，消能率就可以增長4.86%，綜合對于三個方案進行分析，最終發(fā)現(xiàn)選擇水平坡度為30度的時候，對于泄流建筑的降能效果是最為有利的[5]。

5 結(jié)論與研究

①過渡段的階梯體型的水平坡度對于溢流面的流態(tài)分布影響是非常的小的，但是如果我們增大了階梯的坡度，那么是有利于提升氣相空腔的分布范圍的，當(dāng)坡度在20度以及30度的時候，其空腔分布的長度相較于10度的時候分別增大了18.3%以及37.4%。

②經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，坡度越小，其紊動能在分布的過程當(dāng)中就會變得越來越分散，而且紊動能也會變得非常的低，在坡度為20度以及30度的時候，平均紊動能相較于10度的時候分別增高了2.86倍以及8.02倍，在對于所有的數(shù)據(jù)進行綜合性的分析之后，認(rèn)為當(dāng)水平坡度為30度的時候，水工建筑的降能效果是最為顯著的，所以設(shè)定坡度為30度是最佳方案。