李秋林,李連俠,廖華勝,劉德偉,魏晶晶,沈煥榮,易文敏

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室,四川成都610041；2.Michigan State University, East Lansing48824-1226, USA)

變坡溢洪道模型試驗及數值研究

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

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室,四川成都610041；2.Michigan State University, East Lansing48824-1226, USA)

變坡溢洪道內水流流態和銜接形式復雜,為論證該溢洪道設計的合理性,采用物理模型試驗和三維紊流數值模擬相結合的方法,對流態、水面線、流速、壓力及空化特性等水力學參數進行對比分析,進而對進口體型、堰面曲線及陡坡變緩坡等設計進行了評價。試驗結果和數值計算結果吻合良好,表明溢洪道進口流態良好,進水順暢,無壅水跌水情況,且堰面未出現負壓,說明溢洪道進口形狀和堰型選擇合理；溢洪道各段內水面銜接光滑,流速分布合理,底板各處空化特性良好,說明溢洪道底坡設計合理。

溢洪道；變坡；模型試驗；數值模擬

0 引 言

根據不同的底坡類型,可將溢洪道分為緩坡溢洪道和陡坡溢洪道。從水力學和施工角度考慮,緩坡溢洪道流速較小,不易出現空化空蝕現象,結構強度要求不高,施工難度小；但目前大部分水電項目都在西南地區,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,所以對陡坡溢洪道的研究具有實用意義。

目前陡坡溢洪道的研究問題主要集中水面線、斷面水深、壓力、空化空蝕等方面。從1982年羅肇烽[1]通過研究陡坡溢洪道平臺擴散與輔助消能工問題以來,陡坡溢洪道的水力學問題一直都受到研究人員的關注[2- 6]。崔瑞等[7]進行了陡坡溢洪道參氣坎空腔長度及摻氣坎試驗研究,結果表明在陡坡溢洪道設置摻氣坎時應保證挑角和單寬流量相匹配。黃智敏、戚其訓、牛坤等[8-10]對陡坡溢洪道水深進行了研究,龍伯璋、戚其訓等[11-12]對陡坡溢洪道的水面線進行研究。以上研究都僅僅只考慮了單個方面的因素,而本文研究所依托的工程,其后期運行僅靠溢洪道泄流,一旦出現問題,會直接影響大壩和下游人民生命財產安全,所以在研究溢洪道時不能僅僅研究單個的水力學問題,而應該同時考慮水面線、流速、壓力、空蝕空化等問題對工程的影響。本文研究的溢洪道設置在左岸,屬于岸邊溢洪道,因此還應保證在溢洪道出口處的下河流速不能過大,否則水舌會砸落在邊坡上,岸坡和壩址處都會出現安全隱患。本文結合地形地貌和運行時的具體情況進行研究,對溢洪道水力要素進行模型試驗和數值模擬相結合的方法進行綜合性分析研究。

1 研究方法

本文研究主要依托實際工程對溢洪道進行研究,旨在對變坡溢洪道進口體形、堰面曲線及變坡設計和內部水力特性進行論證分析,而對溢洪道下游的消能防沖問題不做深入研究,其方法主要采用物理模型試驗和數值模擬相結合的方式進行。

1.1 模型試驗

模型試驗采用正態模型,按重力相似準則設計,模型幾何比尺為1∶50。試驗模型由進口引渠段、控制閘室段、泄槽段、反弧段及挑坎段組成。進口引渠段長109.67 m,底板高程77.30 m,平坡,寬23 m；控制段長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,設置弧形工作門及平板檢修門各一道；泄槽段長83.98 m,前段為縱坡i=1∶1.8的陡坡,長25.16 m,底寬23 m,采用矩形整體式結構,中段采用反弧結構,長21.55 m,底寬23 m,半徑50 m；末端為縱坡i=1∶16的緩坡,長37.27 m,底寬23 m,與前端反弧段銜接處設置1 m深的摻氣坎,兩側邊墻設置長寬1 m 的通氣孔；挑坎段采用反弧結構,長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。溢洪道結構見圖1。溢洪道模型采用高質量的有機玻璃制作,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,計算出模型糙率nm=0.005 4～0.008 4,溢洪道長度比較短糙率影響不大,因此采用有機玻璃模擬基本上能夠滿足糙率相似要求。

圖1 溢洪道結構示意

本研究主要針對消能防沖、設計洪水及校核洪水3種工況,其流量分別為910、1 099、1 520 m3/s,庫水位分別為88.85、89.91、92.18 m,主要分析內容為流態、水面線、流速、壓力及空蝕空化特性等。流速測量采用南京卓瑪機電有限公司生產的LGY-Ⅱ型便攜式流速儀,水面線測量采用鋼尺在每個特征斷面的左、中、右3個點進行測量取平均值,時均壓力測量采用測壓管法(在溢洪道特征斷面的邊墻底部安裝測壓管,測量相對于溢洪道底板的壓力水頭)。對于空化數,根據試驗測量的壓力和流速,計算公式為

(1)

式中,σ為水流空化數；P/γ為水流相對壓力；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 數值模擬

為得到更詳細的水力學參數,并對試驗手段和試驗結果的可靠性進行評估,本研究采用FLUENT軟件對設計洪水工況進行數值模擬研究,其邊界條件采用模型試驗數據。考慮到閘門槽等特殊機構,導致水流運動各向異性和強紊動性,計算選用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 計算區域及網格示意(單位：m)

數值模擬包括溢洪道進口引渠段、控制閘室段、泄槽段、反弧段及消能區域,計算網格劃分如圖2所示。由于水電站地形地勢的原因,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,難以準確的捕捉水面形態,因此讓網格與水面形態一致,并且對水氣交界面進行加密處理,模型中網格總數20萬,最小網格尺寸0.1 m。邊界條件設置：①入口。入流斷面包括水進口和氣進口,水進口為速度進口邊界；氣進口包括水舌的上表面、兩側面,溢洪道的上表面,其邊界條件均為壓力進口。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法來處理。

2 研究結果

2.1 流態

流態觀測結果表明,3種試驗工況的流態無明顯差別,進口區域水面均較為平靜,沒有出現翻水或者跌水現象,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；挑坎段挑出水流流態均勻,挑角、出坎流態滿足設計要求。對比設計洪水下的試驗結果和數值模擬結果,可以看出二者流態結果基本一致(見圖3)。

圖3 溢洪道水流流態模擬結果

2.2 水面線

試驗結果表明,校核、設計、消能防沖3種工況的水面線隨庫水位降低而降低,3種工況下溢洪道內各部位的水面均為平順,未出現不良壅水和跌水現象,進口段水面平穩；閘室控制段(S0+0.000～S0+027.500)開始跌水,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。其中設計工況的試驗值與模擬值吻合良好,如圖4所示,試驗和數值模擬都表明水面線形狀和溢洪道底板形態比較接近,同時也滿足設計和運行要求,說明本研究所采用的試驗方法和試驗數據合理可靠。

圖4 水面線沿程變化曲線

2.3 流速

研究結果表明,3種工況的斷面流速隨泄流量增加而增加,設計洪水工況的流速計算結果和試驗值吻合較好,如圖5所示。3種工況的試驗值和和設計洪水的模擬值在入口處的流速都較小,斷面平均流速從控制段(S0+000.000～S0+027.500)開始呈沿程增加趨勢；從閘墩末端(S0+027.500)起到泄槽段末(S0+111.485)流速達到相對穩定值22～28 m/s。溢洪道各段斷面流速均在30 m/s以內,滿足設計要求,出口水舌流速滿足工程和下游河道的要求,不會對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

研究結果表明,3種工況的壓力值沿程變化趨勢一致,且隨庫水位升高而增加,溢洪道沿程未出現負壓,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)出現局部低壓區；溢洪道中的高壓區(除去進口處的高壓區)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4 m。溢洪道各部分的壓力均在設計范圍內,均滿足設計要求。設計工況下的試驗值與模擬值基本一致,如圖6所示,除S0+000.000～S0+010.000等少數地方試驗值小于模擬值以外,其他斷面試驗壓力值均大于數值模擬值。

2.5 空化數

通過試驗得出了特征斷面的壓力值,再根據式(1)計算出空化數,各工況底板空化數結果見表1。特別是針對WES堰和泄流中段的反弧末端(摻氣坎處)容易產生空蝕空化破壞的斷面,其空化數均大于0.32。溢洪道其他斷面的空化數均大于0.3,滿足工程的要求,不會對結構造成空化破壞。

表1 各工況下特征部位底板空化數

3 結 論

研究結果表明,溢洪道進口水流平順,WES溢流堰堰頂未出現負壓,溢洪道內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,空化數滿足工程要求,說明本工程變坡溢洪道進口體形、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、壓力等試驗值和數值計算結果均吻合良好,說明采用三維紊流數學模型對溢洪道水力學問題進行模擬是一個簡單高效的方式,本文研究成果可為類似陡坡變緩坡溢洪道設計提供一定的參考。

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(責任編輯 王 琪)

《水電站油系統及其設備選用、試驗及驗收規范》和《水電工程電磁法勘探技術規程》通過審查

2017年3月26日、30日，由中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司主編的《水電站油系統及其設備選用、試驗及驗收規范》和《水電工程電磁法勘探技術規程》分別通過水電水利規劃設計總院組織的審查。

《水電站油系統及其設備選用、試驗及驗收規范》充分反映了水電站油系統設計、設備配置、試驗及驗收的設計理念和技術方法，達到國內先進水平，將為水電行業油系統的設計及設備配置、驗收增加一道可靠的保險。

《水電工程電磁法勘探技術規程》認真總結了我國水電工程電磁法勘探技術經驗和工程實踐，充分反映了水電工程電磁法勘探技術的先進理念和技術方法，達到國內先進水平。

近幾年，貴陽勘測設計研究院通過推動標準化研究、標準制修訂工作，促進標準與科技、專利的緊密結合，全面提高標準化工作質量和水平，標準化工作取得了實質性突破。為進一步發揮標準化工作對我院的技術支撐作用，我院將緊緊圍繞“工程技術服務、工程總承包、投資與運營”院三大業務板塊，同時結合“轉商、轉場、轉產”三個轉變，積極組織相關生產部門負責制(修)訂技術標準工作，大幅提升國家、行業及地方標準制修訂的質量和速度，實現貴陽院標準化工作邁上新的臺階。

(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

國家自然科學基金資助項目(51079091)

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

TV651.12

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0559- 9342(2017)05- 0056- 04