不同臺階傾角對溢洪道斜陡槽段水流分布特性數值模擬研究

潘 宇，侯緒亞，邵 凱

(1.南京市水利建筑工程檢測中心有限公司，南京 210017；2.南京河川建設工程有限公司，南京 210017；3.南京市水利規劃設計院股份有限公司，南京 210017)

水庫溢洪道下泄流量大、流速急，通常采用臺階式斜陡槽和消力池等形式對水流能量進行耗散，減小水流流速，保證溢洪道構筑物安全[1-4]，同時防止下游河床過度沖刷[5]。在臺階式斜陡槽消能結構應用實踐中，采用了多種臺階傾角方案。以筆者統計的64個實例工程為例，最大傾角的為南非西部斯蒂龐克的扎依霍克溢洪道，臺階傾角達到58.2°，最小的為挪威圣維克多郡的斯托約得溢洪道，臺階傾角僅為11.3°，不同的臺階傾角對溢洪道消能效果影響較大[6-12]。為更好的研究臺階傾角對溢洪道陡槽段水流特性以及消能效果的影響，本文選擇重慶石梁扣水電站溢洪道為研究對象，通過三維數學模型模擬，分析不同臺階傾角下溢洪道的水流特性分布規律。

1 工程概況

重慶石梁扣水電站位于重慶土溪鄉姜家村后溪河，上距七里壩15.2km，下離磨子灣3.3km。設計水位為695.27m，設計流量為215.8m3/s。

2 三維數學模型建立

2.1 計算對比工況設計

設計4組對比工況，即溢洪道傾角為15°，設計流量為215.8m3/s，溢洪道陡槽段臺階傾角分別為0°、5°、15°、20° 4組計算工況。各計算工況的體形尺寸如圖1所示。

圖1 4組溢洪道陡槽臺階傾角設計方案

2.2 計算軟件選擇及網格劃分

結合計算軟件的適用范圍、計算精度和適用性，綜合選擇FLUENT三維有限元軟件進行模擬計算[13-14]。實例工程的立面整體網格和局部網格劃分如圖2所示。其中，方案一共有6285個網格節點和5680個網格。方案二、三、四的網格數量和網格節點數量與方案一大致相同。

圖2 實例工程網格劃分

3 三維數學模型計算結果分析

3.1 水流流場分布分析結果

4組工況12#臺階的流場分布如圖3所示。分析可知：

圖3 4組方案在12#臺階處水流流場分布

(1)4組工況在臺階外的流體均沿著陡槽底板中心線呈直線狀態下泄。

(2)在臺階凹槽范圍內的水體，受臺階邊界引導，水體與凹槽相互摩擦、旋滾，形成呈逆時針滾動的漩渦。且經過與臺階邊壁、上游來流水體接觸摩擦后，漩渦內的水體流速(圖3中各網格點流速大小與箭頭長短成正比)大幅下降。總體來看，方案三漩渦區流速最小。

3.2 水流流速分布分析結果

以12#臺階為例，4組方案水流流速與測點水深關系如圖4所示。分析可知：

(1)隨著水深增大，各方案下流速顯著增大。4組方案水流流速與測點水深關系曲線差別較小。

(2)整個曲線以水深為判斷對象，可分為0～0.2m以及0.2～1.0m 2段。其中，0～0.2m區域為漩渦水體，整體流速較小，因此，水流流速受水深影響相對較小，關系曲線曲率較低；0.2～1.0m段為直線下泄水體，整體流速較大，因此，水流流速受水深影響相對較大。

圖4 4組方案在12#臺階處水流流速與測點水深關系

3.3 壓力分布

4組工況下，12#臺階的壓強分布如圖5所示。分析可知：

(1)4組工況下，12#臺階壓強分布規律基本相同，即大部分區域為正壓區，局部區域有負壓區。

(2)4組工況下，最大負壓依次為-3252.6、-3176.5、-3028.9、-3378.6Pa。總體來看，方案三的負壓分布對溢洪道陡槽段的影響較小。

圖5 4組方案在12#臺階壓強分布圖

3.4 消能效率對比

溢洪道在梯坎段進、出口時水流的能量差與進口時水流能量的比值即為消能效率[10]，可表示為：

(1)

式中，E1—溢洪道進口單位重量水流的重力勢能與動力勢能之和；E2—溢洪道出口單位重量水流的重力勢能與動力勢能之和。

實例工程各工況下梯坎段消能效率結果統計見表1。分析可知，總體來看，在方案三工況下，水流在下泄過程中經過了充分的摩擦、旋滾，水流能量被更高效的消耗，能量耗散比例更高。因此，方案三消能效率最高。

表1 方案一與方案二在各工況下消能效率對比

4 結論

本文為更好地研究臺階傾角對溢洪道陡槽段水流特性以及消能效果的影響，選擇重慶石梁扣水電站溢洪道為研究對象，通過三維數學模型模擬，總共采用臺階傾角為0°、5°、10°、15°共4組工況，分析不同臺階傾角下溢洪道的水流特性分布規律。經過三維數模分析，綜合流場、流速、壓力、消能效率對比，在臺階傾角為10°方案下，水流流場分布最優，負壓分布對溢洪道底板影響最小，消能效率最高。因此推薦選擇方案三，即臺階傾角為10°作為設計方案。本文研究結論可為重慶石梁扣水電站溢洪道設計方案提供參考，同時可為同類工程研究提供借鑒。