過渡階梯臺階組合對消力池臨底流速分布及消能特性影響

王強

（銅仁學院農林工程與規劃學院，貴州 銅仁 554300）

隨著現代水利事業的快速發展，為解決高水頭大單寬流量泄洪和消能問題，我國水利工作者提出將寬尾墩、階梯溢流壩和消力池等泄洪消能設施有機結合，形成寬尾墩+階梯溢流壩+消力池的一體化聯合消能工，并在水工高壩實踐中得到廣泛應用，如貴州的思林水電站和索風營水電站，福建的水東水電站，云南的大朝山水電站和阿海水電站等。這種聯合消能方式充分發揮寬尾墩和階梯溢流壩消能的優點，即利用階梯溢流壩進一步增進了寬尾墩的消能率，又通過寬尾墩后形成的無水區從水舌底部向階梯壩面通氣從而避免壩面產生空蝕空化破壞，使階梯溢流壩向高水頭大單寬流量方向發展，工程實踐中通常在寬尾墩與階梯溢流壩間設置較大尺寸的階梯連接方式，但該連接方式對一體化消能工中消力池底板臨底流速分布及消能特性不夠清楚。故本文基于阿海電站溢流表孔一體化消能工，在寬尾墩與階梯溢流壩之間增設3 種不同組合的過渡階梯與原工況共計4 種方案，采用三維數值模擬方法，分析在高水頭大單寬流量條件下，探討不同臺階組合的過渡階梯對一體化消能工消力池底板臨底流速及消能特性的影響。

一、研究方案

本文基于阿海電站溢流表孔，采用FLUENT 軟件進行三維數值模擬，在寬尾墩與階梯溢流壩之間增設3種不同臺階組合的過渡階梯連接形式與原工況共計4種方案，即增設1 個2m×1.5m（高×寬）臺階組成的過渡階梯為方案二，2 個2m×1.5m（高×寬）臺階組成的過渡階梯為方案三，3 個2m×1.5m（高×寬）臺階組成的過渡階梯為方案四，原工況不設過渡階梯為方案一共計4 種方案，原工況階梯溢流壩由29個尺寸為1m×0.75m(高×寬)的均勻臺階構成，對比分析過渡階梯不同臺階組合方案在校核洪水標準條件下對一體化消能工底板臨底流速及消能特性的影響。

二、計算域模型網格劃分

本次三維數值模型基于阿海水電站左岸溢流表孔，計算域模型依次由上游水庫、寬尾墩、階梯溢流壩、消力池和尾砍等部分構成，為確保數值模擬計算精度，提高網格質量，全部采用結構化網格，并遵循疏密適當的原則，將寬尾墩、過渡階梯和階梯溢流壩區域網格適度加密。為減少運算量提高模擬運算速度，本次選取阿海電站左岸5 溢流表孔的中孔作為數值模擬對象，模型整體網格結構如圖1 所示。坐標選取順水流方向為x 軸，壩軸線方向為y 軸，豎直方向為z 軸。選取上游水庫進水口面、堰頂曲面的水平切面和溢流表孔中心縱剖面的交點為坐標原點。

三、數學模型

本文采用水汽兩相流VOF 計算方法的三維RNG k-ε 湍流數值模型，速度與壓力采用PISO 耦合的算法方式，利用幾何重建格式對水氣交界面附近進行插值的非恒定流迭代求解的三維數值模擬方法。VOF 方法對水氣二相流進行湍流數值模擬具有較高的精確性，它是由Hirt[7]首先提出的，該方法適用于互不穿透的兩種或兩種以上流體界面間的追蹤計算。

四、消力池臨底流速分布

在大壩設計時，泄洪消能作為泄水建筑物主要承擔的任務之一，這就要求在安全宣泄洪水的同時，嚴格控制下泄洪水對壩面和下游基坑的沖刷，防止壩體破壞和壩基失穩。尤其對于高水頭、大單寬流量的泄洪工程，存在消力池底板臨底流速較大，抗沖保護難度大，故本文對比分析不同臺階組合的過渡階梯對一體化消能工消力池底板臨底流速分布的影響，各方案消力池臨底流速分布基本一致，在消力池前端，水流從急流轉變為緩流，下泄水流在此處產生水躍，臨底流速迅速減小；在消力池中部，流速減小緩慢，在消力池末端，由于尾坎作用，臨底流速隨之迅速減小。其中方案一消力池最大臨底流速為28.89m/s，方案二為27.31m/s，方案三為26.37m/s，方案四為26.72m/s，各方案最大臨底流速均位于樁號0+105 附近；方案一最小臨底流速為7.71m/s；方案二為6.87m/s；方案三為5.95 m/s；方案四為6.31 m/s，均位于消力池末端。由2 個2m×1.5m（高×寬）臺階組成的過渡階梯（方案三）消力池臨底流速最小，有助于消力池的抗沖保護。

五、消力池內湍動能k 及湍流耗散率ε 分布

本文選取消力池y=0 剖面湍動能k 及湍流耗散率ε 等值線進行分析，各方案湍動能k 及湍流耗散率ε 分布規律基本一致，湍動能k 及湍流耗散率ε 主要分布在消力池前端的底部和中部，研究表明水流進入消力池在消力池前端形成水躍消能，水躍區的水流可以分成兩部分，一部分是急流沖入緩流所激起的表面旋滾，翻騰滾動，大量摻氣，形成表面旋滾水流；另一部分是旋滾水流下方的主流，流速由快變慢，水深由小變大。在主流與表面旋滾水流的交界面上流速梯度很大，剪切作用很強，湍動摻混極為強烈，兩者不斷進行質量交換，產生大量小漩渦，摩擦混摻作用強烈，從而實現能量轉化并實現消能的目的。故在主流區域及主流與表面旋滾水流的交界面區域湍動能k 和湍流耗散率ε 較大，為湍動能k 和湍流耗散率ε 在消力池內的主要分布區域。

六、結論

（一）各方案消力池臨底流速分布基本一致，在消力池前端，水流從急流轉變為緩流，臨底流速迅速減小，在消力池中部，流速減小緩慢，在消力池末端，由于尾坎作用，臨底流速隨之迅速減小。其中由2 個2m×1.5m（高×寬）臺階組成的過渡階梯（方案三）消力池臨底流速最小，有助于消力池的抗沖保護。

（二）各方案消力池內湍動能k 及湍流耗散率ε 分布規律基本一致，主要分布在消力池前端的底部和中部，該區域為主流區和主流與表面旋滾水流的交界面區域。