變坡溢洪道模型試驗(yàn)及數(shù)值研究

李秋林,李連俠,廖華勝,劉德偉,魏晶晶,沈煥榮,易文敏

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610041；2.Michigan State University, East Lansing48824-1226, USA)

變坡溢洪道模型試驗(yàn)及數(shù)值研究

李秋林1,李連俠1,廖華勝2,劉德偉1,魏晶晶1,沈煥榮1,易文敏1

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610041；2.Michigan State University, East Lansing48824-1226, USA)

變坡溢洪道內(nèi)水流流態(tài)和銜接形式復(fù)雜,為論證該溢洪道設(shè)計(jì)的合理性,采用物理模型試驗(yàn)和三維紊流數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)流態(tài)、水面線、流速、壓力及空化特性等水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)而對(duì)進(jìn)口體型、堰面曲線及陡坡變緩坡等設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合良好,表明溢洪道進(jìn)口流態(tài)良好,進(jìn)水順暢,無(wú)壅水跌水情況,且堰面未出現(xiàn)負(fù)壓,說(shuō)明溢洪道進(jìn)口形狀和堰型選擇合理；溢洪道各段內(nèi)水面銜接光滑,流速分布合理,底板各處空化特性良好,說(shuō)明溢洪道底坡設(shè)計(jì)合理。

溢洪道；變坡；模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬

0 引 言

根據(jù)不同的底坡類型,可將溢洪道分為緩坡溢洪道和陡坡溢洪道。從水力學(xué)和施工角度考慮,緩坡溢洪道流速較小,不易出現(xiàn)空化空蝕現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求不高,施工難度小；但目前大部分水電項(xiàng)目都在西南地區(qū),所建水電站幾乎都是高壩,隨之溢洪道的布置大部分都是陡坡溢洪道,所以對(duì)陡坡溢洪道的研究具有實(shí)用意義。

目前陡坡溢洪道的研究問(wèn)題主要集中水面線、斷面水深、壓力、空化空蝕等方面。從1982年羅肇烽[1]通過(guò)研究陡坡溢洪道平臺(tái)擴(kuò)散與輔助消能工問(wèn)題以來(lái),陡坡溢洪道的水力學(xué)問(wèn)題一直都受到研究人員的關(guān)注[2- 6]。崔瑞等[7]進(jìn)行了陡坡溢洪道參氣坎空腔長(zhǎng)度及摻氣坎試驗(yàn)研究,結(jié)果表明在陡坡溢洪道設(shè)置摻氣坎時(shí)應(yīng)保證挑角和單寬流量相匹配。黃智敏、戚其訓(xùn)、牛坤等[8-10]對(duì)陡坡溢洪道水深進(jìn)行了研究,龍伯璋、戚其訓(xùn)等[11-12]對(duì)陡坡溢洪道的水面線進(jìn)行研究。以上研究都僅僅只考慮了單個(gè)方面的因素,而本文研究所依托的工程,其后期運(yùn)行僅靠溢洪道泄流,一旦出現(xiàn)問(wèn)題,會(huì)直接影響大壩和下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全,所以在研究溢洪道時(shí)不能僅僅研究單個(gè)的水力學(xué)問(wèn)題,而應(yīng)該同時(shí)考慮水面線、流速、壓力、空蝕空化等問(wèn)題對(duì)工程的影響。本文研究的溢洪道設(shè)置在左岸,屬于岸邊溢洪道,因此還應(yīng)保證在溢洪道出口處的下河流速不能過(guò)大,否則水舌會(huì)砸落在邊坡上,岸坡和壩址處都會(huì)出現(xiàn)安全隱患。本文結(jié)合地形地貌和運(yùn)行時(shí)的具體情況進(jìn)行研究,對(duì)溢洪道水力要素進(jìn)行模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合性分析研究。

1 研究方法

本文研究主要依托實(shí)際工程對(duì)溢洪道進(jìn)行研究,旨在對(duì)變坡溢洪道進(jìn)口體形、堰面曲線及變坡設(shè)計(jì)和內(nèi)部水力特性進(jìn)行論證分析,而對(duì)溢洪道下游的消能防沖問(wèn)題不做深入研究,其方法主要采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式進(jìn)行。

1.1 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)采用正態(tài)模型,按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),模型幾何比尺為1∶50。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蛇M(jìn)口引渠段、控制閘室段、泄槽段、反弧段及挑坎段組成。進(jìn)口引渠段長(zhǎng)109.67 m,底板高程77.30 m,平坡,寬23 m；控制段長(zhǎng)27.50 m,采用WES堰,堰頂高程80 m,堰高2.70 m,共3孔,單孔凈寬6 m,設(shè)置弧形工作門及平板檢修門各一道；泄槽段長(zhǎng)83.98 m,前段為縱坡i=1∶1.8的陡坡,長(zhǎng)25.16 m,底寬23 m,采用矩形整體式結(jié)構(gòu),中段采用反弧結(jié)構(gòu),長(zhǎng)21.55 m,底寬23 m,半徑50 m；末端為縱坡i=1∶16的緩坡,長(zhǎng)37.27 m,底寬23 m,與前端反弧段銜接處設(shè)置1 m深的摻氣坎,兩側(cè)邊墻設(shè)置長(zhǎng)寬1 m 的通氣孔；挑坎段采用反弧結(jié)構(gòu),長(zhǎng)16.12 m,底寬23 m,半徑50 m,邊墻高度為5～7.50 m；出口采用挑流消能。溢洪道結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。溢洪道模型采用高質(zhì)量的有機(jī)玻璃制作,其糙率n=0.008,而原型混凝土抹面糙率np=0.011～0.017,按照相似比尺λn=1.919,計(jì)算出模型糙率nm=0.005 4～0.008 4,溢洪道長(zhǎng)度比較短糙率影響不大,因此采用有機(jī)玻璃模擬基本上能夠滿足糙率相似要求。

圖1 溢洪道結(jié)構(gòu)示意

本研究主要針對(duì)消能防沖、設(shè)計(jì)洪水及校核洪水3種工況,其流量分別為910、1 099、1 520 m3/s,庫(kù)水位分別為88.85、89.91、92.18 m,主要分析內(nèi)容為流態(tài)、水面線、流速、壓力及空蝕空化特性等。流速測(cè)量采用南京卓瑪機(jī)電有限公司生產(chǎn)的LGY-Ⅱ型便攜式流速儀,水面線測(cè)量采用鋼尺在每個(gè)特征斷面的左、中、右3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量取平均值,時(shí)均壓力測(cè)量采用測(cè)壓管法(在溢洪道特征斷面的邊墻底部安裝測(cè)壓管,測(cè)量相對(duì)于溢洪道底板的壓力水頭)。對(duì)于空化數(shù),根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量的壓力和流速,計(jì)算公式為

(1)

式中,σ為水流空化數(shù)；P/γ為水流相對(duì)壓力；Pa/γ為大氣壓力；Pv/γ為水的飽和蒸汽壓力(汽化壓力),本研究取0.24 m。

1.2 數(shù)值模擬

為得到更詳細(xì)的水力學(xué)參數(shù),并對(duì)試驗(yàn)手段和試驗(yàn)結(jié)果的可靠性進(jìn)行評(píng)估,本研究采用FLUENT軟件對(duì)設(shè)計(jì)洪水工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究,其邊界條件采用模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。考慮到閘門槽等特殊機(jī)構(gòu),導(dǎo)致水流運(yùn)動(dòng)各向異性和強(qiáng)紊動(dòng)性,計(jì)算選用RNGk-ε紊流模型[13],采用VOF方法[14],偏微分方程的離散,采用有限體積法。

圖2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格示意(單位：m)

數(shù)值模擬包括溢洪道進(jìn)口引渠段、控制閘室段、泄槽段、反弧段及消能區(qū)域,計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖2所示。由于水電站地形地勢(shì)的原因,溢洪道的水面線為非線性的,水流在陡槽段急劇變化,水面曲線的斜率變化大,難以準(zhǔn)確的捕捉水面形態(tài),因此讓網(wǎng)格與水面形態(tài)一致,并且對(duì)水氣交界面進(jìn)行加密處理,模型中網(wǎng)格總數(shù)20萬(wàn),最小網(wǎng)格尺寸0.1 m。邊界條件設(shè)置：①入口。入流斷面包括水進(jìn)口和氣進(jìn)口,水進(jìn)口為速度進(jìn)口邊界；氣進(jìn)口包括水舌的上表面、兩側(cè)面,溢洪道的上表面,其邊界條件均為壓力進(jìn)口。②出口為壓力出口邊界。③其它為固壁邊界,粘性底層采用壁面函數(shù)法來(lái)處理。

2 研究結(jié)果

2.1 流態(tài)

流態(tài)觀測(cè)結(jié)果表明,3種試驗(yàn)工況的流態(tài)無(wú)明顯差別,進(jìn)口區(qū)域水面均較為平靜,沒(méi)有出現(xiàn)翻水或者跌水現(xiàn)象,水面橫向分布均勻；在閘室段WES堰之后水面呈降水曲線,未出現(xiàn)漩渦；泄槽段受閘室分流和邊墻收縮影響,溢洪道水面沿程有菱形波出現(xiàn)；挑坎段挑出水流流態(tài)均勻,挑角、出坎流態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)比設(shè)計(jì)洪水下的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果,可以看出二者流態(tài)結(jié)果基本一致(見(jiàn)圖3)。

圖3 溢洪道水流流態(tài)模擬結(jié)果

2.2 水面線

試驗(yàn)結(jié)果表明,校核、設(shè)計(jì)、消能防沖3種工況的水面線隨庫(kù)水位降低而降低,3種工況下溢洪道內(nèi)各部位的水面均為平順,未出現(xiàn)不良壅水和跌水現(xiàn)象,進(jìn)口段水面平穩(wěn)；閘室控制段(S0+0.000～S0+027.500)開(kāi)始跌水,水深逐漸減小；從閘墩末端(S0+027.500)到泄槽段末(S0+111.485)3種工況水深均小于5.0 m,局部水深小于2 m；反弧挑坎段(S0+111.485～S0+129.375)水面緊貼底板呈壅水曲線,水深均小于2 m。其中設(shè)計(jì)工況的試驗(yàn)值與模擬值吻合良好,如圖4所示,試驗(yàn)和數(shù)值模擬都表明水面線形狀和溢洪道底板形態(tài)比較接近,同時(shí)也滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求,說(shuō)明本研究所采用的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理可靠。

圖4 水面線沿程變化曲線

2.3 流速

研究結(jié)果表明,3種工況的斷面流速隨泄流量增加而增加,設(shè)計(jì)洪水工況的流速計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值吻合較好,如圖5所示。3種工況的試驗(yàn)值和和設(shè)計(jì)洪水的模擬值在入口處的流速都較小,斷面平均流速?gòu)目刂贫?S0+000.000～S0+027.500)開(kāi)始呈沿程增加趨勢(shì)；從閘墩末端(S0+027.500)起到泄槽段末(S0+111.485)流速達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定值22～28 m/s。溢洪道各段斷面流速均在30 m/s以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求,出口水舌流速滿足工程和下游河道的要求,不會(huì)對(duì)岸坡和壩址處造成安全隱患。

圖5 流速沿程變化曲線

2.4 壓力

圖6 壓力沿程變化曲線

研究結(jié)果表明,3種工況的壓力值沿程變化趨勢(shì)一致,且隨庫(kù)水位升高而增加,溢洪道沿程未出現(xiàn)負(fù)壓,在WES溢流堰(S0+000.000～S0+010.000)和泄流段中的反弧末端的跌坎處(S0+079.460)出現(xiàn)局部低壓區(qū)；溢洪道中的高壓區(qū)(除去進(jìn)口處的高壓區(qū))分別在泄流段中的反弧段(S0+054.210～S0+071.710)和挑坎段的反弧部分(S0+112.375～S0+129.375)；其他部分的壓力水頭均未超過(guò)4 m。溢洪道各部分的壓力均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),均滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)工況下的試驗(yàn)值與模擬值基本一致,如圖6所示,除S0+000.000～S0+010.000等少數(shù)地方試驗(yàn)值小于模擬值以外,其他斷面試驗(yàn)壓力值均大于數(shù)值模擬值。

2.5 空化數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)得出了特征斷面的壓力值,再根據(jù)式(1)計(jì)算出空化數(shù),各工況底板空化數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。特別是針對(duì)WES堰和泄流中段的反弧末端(摻氣坎處)容易產(chǎn)生空蝕空化破壞的斷面,其空化數(shù)均大于0.32。溢洪道其他斷面的空化數(shù)均大于0.3,滿足工程的要求,不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成空化破壞。

表1 各工況下特征部位底板空化數(shù)

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明,溢洪道進(jìn)口水流平順,WES溢流堰堰頂未出現(xiàn)負(fù)壓,溢洪道內(nèi)各段水流整體銜接光滑平順,挑坎出口水舌可以以合適的流速順利挑出,溢洪道各段底板壓力特性良好,空化數(shù)滿足工程要求,說(shuō)明本工程變坡溢洪道進(jìn)口體形、堰面曲線及底坡銜接方式均合理滿足要求；溢洪道的水面線、流速、壓力等試驗(yàn)值和數(shù)值計(jì)算結(jié)果均吻合良好,說(shuō)明采用三維紊流數(shù)學(xué)模型對(duì)溢洪道水力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行模擬是一個(gè)簡(jiǎn)單高效的方式,本文研究成果可為類似陡坡變緩坡溢洪道設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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(責(zé)任編輯 王 琪)

《水電站油系統(tǒng)及其設(shè)備選用、試驗(yàn)及驗(yàn)收規(guī)范》和《水電工程電磁法勘探技術(shù)規(guī)程》通過(guò)審查

2017年3月26日、30日，由中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司主編的《水電站油系統(tǒng)及其設(shè)備選用、試驗(yàn)及驗(yàn)收規(guī)范》和《水電工程電磁法勘探技術(shù)規(guī)程》分別通過(guò)水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院組織的審查。

《水電站油系統(tǒng)及其設(shè)備選用、試驗(yàn)及驗(yàn)收規(guī)范》充分反映了水電站油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備配置、試驗(yàn)及驗(yàn)收的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)方法，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，將為水電行業(yè)油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備配置、驗(yàn)收增加一道可靠的保險(xiǎn)。

《水電工程電磁法勘探技術(shù)規(guī)程》認(rèn)真總結(jié)了我國(guó)水電工程電磁法勘探技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐，充分反映了水電工程電磁法勘探技術(shù)的先進(jìn)理念和技術(shù)方法，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

近幾年，貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院通過(guò)推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化研究、標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)與科技、專利的緊密結(jié)合，全面提高標(biāo)準(zhǔn)化工作質(zhì)量和水平，標(biāo)準(zhǔn)化工作取得了實(shí)質(zhì)性突破。為進(jìn)一步發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)化工作對(duì)我院的技術(shù)支撐作用，我院將緊緊圍繞“工程技術(shù)服務(wù)、工程總承包、投資與運(yùn)營(yíng)”院三大業(yè)務(wù)板塊，同時(shí)結(jié)合“轉(zhuǎn)商、轉(zhuǎn)場(chǎng)、轉(zhuǎn)產(chǎn)”三個(gè)轉(zhuǎn)變，積極組織相關(guān)生產(chǎn)部門負(fù)責(zé)制(修)訂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作，大幅提升國(guó)家、行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)制修訂的質(zhì)量和速度，實(shí)現(xiàn)貴陽(yáng)院標(biāo)準(zhǔn)化工作邁上新的臺(tái)階。

(周維娟)

Model Tests and Numerical Study on the Hydraulics of Spillway with Variable Slope

LI Qiulin1, LI Lianxia1, LIAO Huasheng2, LIU Dewei1, WEI Jingjing1, SHEN Huanrong1, YI Wenmin1
(1. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Development and Protection, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan, China; 2. Michigan State University, East Lansing 48824-1226, USA)

The flow pattern and connection form of spillway with variable slope are more complicated. In order to prove the rationality of spillway design, the physical model tests and three-dimensional turbulent flow numerical value are used to simulate the spillway. The water surface line, velocity, pressure and cavitation characteristics are compared and analyzed, and then the design of imported body shape, weir curve and steep slope gradient are evaluated. The results show that: (a) the spillway inlet flow pattern is good, the water flow is smooth, and no backwater or water drop occurs, and the weir surface does not appear negative pressure, which indicates that the spillway inlet shape and weir type selection are reasonable; and (b) the sections of water interface are smoothly connected, the velocity distribution is reasonable, and the cavitation characteristics of floor are good, which indicates that the design of bottom slope of spillway is reasonable．

spillway; variable slope; model test; numerical simulation

2016- 11- 17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51079091)

李秋林(1992—),男,重慶人,碩士研究生,主要從事水工水力學(xué)方面的研究；李連俠(通訊作者)．

TV651.12

A

0559- 9342(2017)05- 0056- 04