劉 卓，趙 慧

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

寬尾墩通過(guò)縮窄出口寬度并改變出射水流方向，使下泄水流由相對(duì)均勻的二元水舌轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q向擴(kuò)展且橫向收縮的三元水舌，使流態(tài)發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變，具有更高的消能效率。寬尾墩消能工為我國(guó)首創(chuàng)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已在我國(guó)水利工程中得到廣泛的應(yīng)用，諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。阮小蓉[1]通過(guò)試驗(yàn)研究了寬尾墩在溢流面的位置及收縮比對(duì)水流的影響。謝省宗等[2]基于安康水電站研究了寬尾墩消力池聯(lián)合消能工的消能激勵(lì)及其水力計(jì)算方法。吳建平等[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)從波浪、紊動(dòng)、邊界壓力脈動(dòng)等方面研究了低弗勞德數(shù)寬尾墩水躍的消能特性。甘惠麒等[4]基于巴江口水電站溢流壩消能工的模型試驗(yàn)表明寬尾墩與戽式消力池聯(lián)合消能可有效提高消能效果。倪漢根等[5]結(jié)合白石水庫(kù)溢流堰進(jìn)行了平尾墩及不同類型寬尾墩的挑流消能模型對(duì)比試驗(yàn)，研究表明寬尾墩比平尾墩在挑流消能中的消能效率高20%～40%。姬春利等[6]針對(duì)沙沱水電站研究了寬尾墩+臺(tái)階消能+消力池的水力特性，得到了較為顯著的聯(lián)合消能效果。楊濤等[7]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了在岸邊溢洪道中寬尾墩-消力池聯(lián)合消能的水力特性。羊紹波[8]基于Fluent 軟件研究了收縮墩與跌坎消力池聯(lián)合消能在小型溢洪道中的應(yīng)用。

寬尾墩在溢洪道挑流消能中的數(shù)值模擬研究較少，本文將以埃塞俄比亞某水利工程的岸邊溢洪道為研究對(duì)象，基于Flow-3D 對(duì)寬尾墩在溢洪道挑流消能中的水力特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以保證工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工程概況

埃塞俄比亞某供水工程為永久大（2）型工程，在大壩右岸布置了溢洪道，泄流凈寬度63 m，堰頂高程1810.80 m。上游為引水渠，長(zhǎng)約45 m，控制段長(zhǎng)11.6 m，下接泄水槽，泄水槽長(zhǎng)度65 m，坡度i=36.4%，然后接挑流底坎，消能方式為挑流消能。原方案挑坎邊墻為順直型式，如圖1所示。

圖1 原方案挑坎邊墻平面示意

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果及開挖情況可知，沖坑附近兩岸邊坡巖性為強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r及頁(yè)巖，強(qiáng)度較低，且遇水容易崩解。為保證兩側(cè)邊坡的安全穩(wěn)定，采取的支護(hù)措施如下：①鋼筋混凝土護(hù)坡板，厚400 mm，混凝土強(qiáng)度C30；②錨桿直徑25 mm，長(zhǎng)度3.5 m，間隔3 m 交錯(cuò)布置；③鋼絲網(wǎng)噴混凝土，厚度100 mm；④PVC 排水管直徑45 mm，長(zhǎng)度為1 m，間隔3 m 交錯(cuò)布置。

2 數(shù)值模型建立

2.1 基本控制方程

本計(jì)算采用Flow-3D 軟件進(jìn)行分析。Flow-3D軟件是由美國(guó)Flow Science 公司研發(fā)的應(yīng)用于建立流體運(yùn)動(dòng)及熱傳導(dǎo)模型的計(jì)算流體力學(xué)軟件。本計(jì)算采用k-ε作為基本控制方程。

連續(xù)性方程為：

動(dòng)量方程為：

k方程為：

ε方程為：

模型求解采用有限差分法，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，壓力-速度耦合采用壓力校正法，時(shí)間差分采用全隱格式。

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定

本次數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域主要包括溢洪道上游引水渠、控制段、泄槽段、挑坎段及尾水渠，計(jì)算模型按照比例尺1∶1建立。網(wǎng)格劃分采用笛卡兒正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小采用0.5 m×0.5 m×0.5 m，網(wǎng)格總數(shù)約1100萬(wàn)個(gè)。上游進(jìn)口設(shè)置為壓力邊界條件，其水位為1819.10 m，下游設(shè)置為自由出流邊界條件，固體邊界采用無(wú)滑移條件，液面為自由表面，流體設(shè)置為不可壓縮流體。計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 原方案數(shù)值計(jì)算模型

3 原方案數(shù)值分析結(jié)果

原方案挑坎邊墻為順直型式，溢洪道泄流流態(tài)模擬結(jié)果如圖3所示，尾水渠液面流速分布如圖4所示。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，原方案的挑射水流在空中摻氣擴(kuò)散，水舌入水范圍從左岸貫穿至右岸，且兩側(cè)水舌直接沖擊到?jīng)_坑附近兩岸邊坡。入水流速約為33 m/s，流速較大，沖擊能量較強(qiáng)。而沖坑附近兩岸邊坡基巖強(qiáng)度較低，且為遇水容易發(fā)生崩解的石灰?guī)r與頁(yè)巖。雖然對(duì)兩岸邊坡采取了錨桿、噴混凝土、鋼筋混凝土板護(hù)坡等一系列支護(hù)措施，但作為永久性大（2）工程，水流長(zhǎng)時(shí)間直接沖擊強(qiáng)度較差的兩岸邊坡，仍存在邊坡失穩(wěn)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的安全隱患。

圖3 原方案溢洪道泄流流態(tài)模擬結(jié)果

圖4 原方案尾水渠液面流速分布

4 優(yōu)化方案數(shù)值分析結(jié)果

4.1 優(yōu)化方案

為保證兩岸邊坡的穩(wěn)定，使溢洪道能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行，在溢洪道兩側(cè)挑坎邊墻設(shè)置寬尾墩，使兩側(cè)水舌向中間收縮束窄，避免直接沖擊兩岸邊坡。寬尾墩的尾端折角可選15°～22°，本方案設(shè)為18°，如圖5所示，數(shù)值計(jì)算模型如圖6所示。

圖5 優(yōu)化方案挑坎邊墻平面示意

圖6 優(yōu)化方案數(shù)值計(jì)算模型

4.2 計(jì)算結(jié)果與分析

優(yōu)化方案的溢洪道泄流流態(tài)模擬結(jié)果如圖7 所示，尾水渠液面流速分布如圖8 所示。從圖7—8 可以看出，在寬尾墩的疏導(dǎo)作用下，水舌在橫向上有所收窄，橫向入水范圍約為±25 m，而尾水渠寬度為66 m。因此，此方案下的水舌不會(huì)直接沖擊兩岸邊坡，且與邊坡有約9 m 的距離，最大入水流速約為33 m/s，與原方案相比最大流速基本保持不變。另外，水舌兩側(cè)邊緣處的入水流速高于中間區(qū)域，挑距略小于中間區(qū)域，入水沖擊范圍與原方案相比相對(duì)分散，可削弱挑流沖坑的影響。

圖7 優(yōu)化方案溢洪道泄流流態(tài)模擬結(jié)果

圖8 優(yōu)化方案尾水渠液面流速分布

6 結(jié)論

溢洪道挑射水流下泄時(shí)會(huì)向兩側(cè)擴(kuò)散，導(dǎo)致水流直接沖擊尾水渠內(nèi)挑流沖坑的兩側(cè)邊坡，對(duì)工程安全極為不利。通過(guò)在挑坎兩側(cè)邊墻加設(shè)寬尾墩，改變水舌入水方向與形態(tài)，避免水流直接沖擊兩側(cè)邊坡，且入水流速基本不變，入水范圍相對(duì)分散，可削弱對(duì)挑流沖坑的影響，有利于工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，可為其他類似工程的研究設(shè)計(jì)提供參考。