柔性土工膜襯護階梯溢洪道泄槽消能實驗研究

郭斐學

(京水江河(北京)工程咨詢有限公司 新疆分公司，烏魯木齊 830000)

溢洪道泄槽采用柔性土工膜襯護階梯消能，依靠邊界摩阻力促使水流內部形成渦體，發生劇烈紊動、摩擦和碰撞，通過內部渦體耗能，實現整個過流的能量消減。與不均勻沉降、相對形變較大的土石壩壩身溢洪道或土石壩溢流面相比較，它具有良好的功能和經濟的雙重實用性。本文就柔性土工膜襯護階梯溢洪道泄槽消能功效進行實驗模擬研究，并圍繞實驗結果開展討論，探討和分析其水力特性，以期為同類泄槽消能工程應用提供技術參考。

1 柔性土工膜襯護階梯泄槽消能實驗設計及基本方法

1.1 實驗梯臺模型概述

本實驗物理模型是在某農業大學水工實驗室內進行搭建，實驗中的水槽模型是由有機玻璃材料按1∶10縮尺制成。實驗分別針對1∶3和1∶1.5的坡度分兩組進行。柔性土工膜襯護階梯泄槽消能實驗結構模型及階梯規格見圖1。

圖1 柔性土工膜襯護階梯泄槽消能實驗結構模型及階梯規格示意圖

槽首連接規格為2.2 m×2.1 m×3.2 m(長×寬×高)的蓄水池，實驗前蓄水池滿水，實驗進程中由水泵持續供水。本實驗水泵工作流量為0.077 m3/s。水流在槽尾處跌落水箱，該水箱的出口設計為矩形量水堰，便于流量監測；水槽邊壁高0.5 m，寬度0.3 m，斜長8.759 m；泄槽底部末端距堰頂的高程為2.77 m；石紗網袋排水層敷設于水槽底部，實驗土工膜袋，分鋪疊壓敷設于水槽內，構成梯臺狀態，其中梯臺的規格為1.155 m×0.385 m(長×高)，共設計72個梯階。當坡度設計為1∶1.5時，則水槽斜長規格為5 m，梯臺的規格為0.578 m×0.385 m(長×高)。

1.2 土工膜袋及實驗擺位設計

為節約成本，實驗中以塑料袋填裝土替代土工膜袋。因為膜袋端頭流線形態，故實驗梯階截面形成弧面突出的流線階降形態。進行數值模擬時，將這種弧面突出的流線階降形態，簡化視作半圓形球弧外邊界臺階。因為膜袋的柔性特質，所構成的膜袋臺階邊界在實際水流中，并不標準呈現為便于測量的“剛性固定邊界”，但在本實驗模擬中選擇典型簡化，將其視作是一個“剛性固定邊界”，這是便于實驗計算實施的適用選擇。實驗“土工膜袋”臺階邊界基本形態見圖2。

圖2 實驗“土工膜袋”臺階邊界基本形態

以土工膜袋構建實驗梯臺，有水平和傾斜兩種堆疊方式。其中，傾斜堆疊以及“翅”“尾”結構設計，能夠增加階梯堆疊的穩定性。實驗土工膜袋“翅”“尾”及兩種堆疊狀態見圖3。

圖3 實驗土工膜袋“翅”“尾”及兩種堆疊狀態

土工膜袋傾斜堆疊具有更好的穩定優勢，兩種堆疊狀態的消能性狀，對比文獻還相對缺乏。所以本實驗決定采用相同的數值模擬方法，將向上傾斜7°堆疊與水平堆疊的性狀進行比對，探究其中的功用狀態，為工程設計選用提供依據。

1.3 水槽模型及數值模擬初始條件

本實驗水槽模型采用二維空間模型。水槽設計兩個入口，即下部的水流入口和上部的氣體入口。對上部氣體入口，選擇壓力進口邊界條件；對下部水流入口，選用流速入口邊界條件。泄槽的底部選擇固壁邊界條件，采用U=0，V=0無滑移邊界，以壁函數，采用4組流量2種坡度，處理近壁區的黏性底層數值模擬，其初始條件具體見表1。

表1 數值模擬初始條件

1.4 實驗模擬水深度與水線比對

土工膜袋采取傾斜向上堆疊與水平堆疊的對應模擬水深，具體見表2。

表2 土工膜袋兩種角度堆疊對應的模擬水深

從表2中可以看出，泄槽的模擬水深在傾斜向上堆疊狀態下的水深趨勢，大于水平堆疊狀態下的槽內水深，可見采取傾斜向上堆疊狀態，增大了適應水深。實驗模擬的兩種方案堆疊的泄槽內水線沿程狀態見圖4。

在上述兩種設計狀態下，實驗泄槽內水線沿程穩定，即傾斜堆疊土工膜袋時，保持水流穩定，維持流態性狀基本完好的目標仍能實現。

圖4 兩種方案堆疊的泄槽內水線沿程狀態

1.5 實驗網格模型與基本計算方法

本實驗采用VOF方法對水氣交界面實施處理，控制方程選用RNGk-ε紊流模型方程，對兩種泄槽底坡(1∶3和1∶1.5) 和不同流量狀態下的柔性襯護梯臺溢洪道消能功效展開數值模擬。采用PISO算法，即隱式壓力算子分割法，提高實驗模擬計算效率。在模擬計算過程中，對計算區域以三角形非結構化網格進行離散，每一梯面均適當加密網格，其劃分呈現方式見圖5。

圖5 實驗模擬加密網格圖示

2 數值模擬結果與實驗結果的對比

2.1 基于不同流量的各斷面實測和模擬流速比對

表3和表4反映了基于不同流量和不同坡度的泄槽實測末端平均流速和實驗模擬的平均流速對比情況，從中可以看到，模擬和實測的流速值大小基本相近，而且兩者的變化趨勢也呈現基本一致狀態，即同流量條件下，都是坡度越陡則泄槽末端的流速就越大；而如果坡度條件等同，便呈現流量增大則流速隨之增大。

表3 坡度1∶3條件下泄槽實測末端平均流速和實驗模擬的平均流速對比情況

表4 坡度1∶1.5條件下泄槽實測末端平均流速和實驗模擬的平均流速對比情況

2.2 泄槽內水力特性檢測

基于1∶3坡度和各流量條件，泄槽末段梯臺上的流體紊動強度等值線分析。見圖6。

由圖6梯臺流體紊動強度等值線揭示，坡度1∶3條件下，紊動強度值隨流量增加而加大，這時的等值線分布逐漸變得不均勻，說明隨流量的增加，泄槽內水流開始越來越不穩定。在試驗中也發現，當流量很大時，泄槽內水流濺起大量水花，這使得邊壁亦振動加劇，表明實驗模擬較為合理。

2.3 兩種典型坡度條件下泄槽末段流線圖

由圖7中可以看到，如果坡度緩，則流線變得平順；而坡度陡時，則流線起伏加劇。

2.4 坡度1∶3狀態下泄槽末端梯臺的等壓線

以0.028 7 m3/s流量為例，在泄槽末端梯階附近，其壓強等值線見圖8。

在圖8中可以看到，正壓最大值往往發生在半圓形球弧臺階水平面靠上的位置，負壓最大值則多在半圓角上側發生，在系列梯階上，正負壓強呈波浪狀交替分布。半圓形球弧臺階上的負壓較大，這是由于半圓形球弧臺階形狀減弱了消能，所以這時呈現流速增大。而且在梯階頂角的上方，正處水流的收縮斷面，因而平均流速加大。如果動能發生增大，則勢能立即開始降低，此時會呈現出存在較大的負壓值。這說明土工膜袋構成的梯階相對更適合于泄槽底坡較緩和流速較小的中小型土壩應用。

圖6 坡度1∶3和各流量條件下梯臺流體紊動強度等值線分布圖

圖7 坡度1∶3和1∶1.5時泄槽末段流線分布圖

圖8 坡度1∶3狀態下泄槽末端梯臺的等壓線

2.5 柔性土工膜襯護階梯溢洪道泄槽消能率

柔性土工膜襯護階梯溢洪道泄槽消能率實驗檢測量值見表5。

表5中的數據揭示，1∶1.5和1∶3坡度及不同流量條件下檢測，模擬和試驗的相對消能率數據接近。這說明運用數值模擬方法也較好地檢測了相對消能率。系列檢測和計算數據表明，柔性土工膜襯護階梯溢洪道獲得了數值在70%～95%區間的試驗相對消能率，模擬檢測也基本吻合地佐證了這一結果。相同流量條件下，如果坡度加大，則相對消能率發生減?。幌嗤露葪l件下，如果流量加大，則相對消能率降低。

表5 相對消能率檢測值與模擬值對比表

3 土工膜袋傾斜堆疊與水平堆疊條件下的數值模擬比對

3.1 泄槽尾端紊動等值線及其流線的比對

圖9、圖10是膜袋傾斜向上堆疊方案時，發生在泄槽末段的水流紊動強度的等值線與流線圖。傾斜向上堆疊時的紊動強度最大值較高。在梯階隅角靠內部分均有小漩渦發生，主流與各梯階最外邊界圓切點的連線相平行，水流也都較為穩定。

圖9 末段水流紊動強度等值線

圖10 末段的水流紊動強度流線圖

3.2 泄槽末端處梯階上的壓強等值線比對

圖11是膜袋傾斜上堆疊和水平堆疊時，泄槽末端梯階上發生的壓強等值線。從圖11中可以發現，梯階上的壓強分布規律在兩種堆疊狀態下近似相同。這里的正負壓波浪式交替呈，最大正負壓的位置分布也相同，兩者數值變動范圍也基本相同。但是傾斜上堆疊時，負壓區域開始變得較小。

圖11 泄槽末端處梯階上的壓強等值線比對圖

3.3 泄槽尾端梯階流速等值線比對

圖12是傾斜上堆疊和水平堆疊時，泄槽末端梯階上的流速等值線。由圖12可以發現，梯階上流速分布，兩者規律近似，流速最大值均發生于梯階上方的主流區域，均于臺階頂角部位呈現流速等值線密集。就最大流速數值來看，傾斜堆疊時的流速小于水平堆疊時的流速，說明傾斜堆疊時的流速一般較小。

圖12 兩種堆疊泄槽末端梯階上的流速等值線

3.4 泄槽尾端平均流速及其相對消能率的比對

表6是土工膜袋傾斜上堆疊與水平堆疊時，泄槽末端的平均流速與相對消能率的對應情況。從表6可以看到，傾斜向上堆疊方案，其末端平均流速一般較小，而相對消能率則較比水平堆疊方案時有所提高，說明土工膜袋傾斜上堆疊時的消能效果比較好，而且其梯階面上發生負壓區域一般較小，流態也穩定性較強。因此，建議較多采用傾斜向上堆疊的方式使用土工膜袋，此方式的消能功效相對更好。

表6 泄槽尾端平均流速及其相對消能率的比對

4 結 論

通過采用湍流RNGK-ε模型以及VOF方法，本文就柔性土工膜襯護階梯溢洪道泄槽消能進行了模擬實驗研究，結論如下：

1) 試驗結果和數值模擬結果相近似，規律趨勢總體基本一致，表明應用上述方法模擬分析柔性土工膜襯護階梯溢洪道泄槽消能是可行的。

2) 相同流量情況下，柔性土工膜襯護梯階的相對消能率，坡度緩狀態下較比坡度陡狀態下相對提高；在坡度相同時，相對消能率隨流量增大而發生減小。

3) 相同流量情況下，傾斜向上堆疊土工膜袋方案較比水平堆疊方案，泄槽末端的平均流速相對變得更小，說明傾斜向上堆疊土工膜袋方案的梯階相對消能率更高。