泄流水工建筑設計體型對結(jié)構(gòu)水力消能影響特性研究

劉 俊，譚海苗，趙夢麗

(南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

泄流乃是水利建筑進行水資源調(diào)度的重要運營活動[1-2]，而泄流所引起的水力勢能變化對水工結(jié)構(gòu)的沖刷影響必須考慮，探討泄流水工建筑設計體型與水力消能降沖具有重要意義[3]，對不同體型的水工建筑進行滲流場分析有助于評價最優(yōu)設計方案。李寧霄[4]、王常紅等[5]、傅長鋒等[6]根據(jù)原型試驗理論，引入相似材料與復制尺寸，建立溢洪道、消能池等水工建筑的物理模型，在室內(nèi)開展相應的滲流試驗，進而評價工程設計方案的最優(yōu)性。另一方面，通過對已有水工建筑運營中的滲流場開展模擬計算及監(jiān)測分析，有助于探討不同工況、不同外荷載條件下溢洪道、壩體等水工建筑的水力特征變化，為擬建水利工程的滲流分析提供參考[7-8]。為確定最優(yōu)方案，利用Fluent等滲流場計算平臺[9-10]，建立水工建筑計算模型，通過變換不同設計體型方案，研究各方案中水工結(jié)構(gòu)滲流場變化特征，從而判定工程最適配方案，此種研究手段較為高效。本文根據(jù)淮安水利樞紐工程泄流水工建筑溢流面過渡段階梯的水平坡度最優(yōu)化問題，設計開展了不同坡度方案下穩(wěn)定滲流場與紊動場的計算分析，為工程選擇最優(yōu)方案提供依據(jù)。

1 工程概況

由于蘇北水資源分布不均，常造成部分工、農(nóng)業(yè)用水部門水資源短缺等現(xiàn)象，不利于地區(qū)經(jīng)濟建設。為提升地區(qū)水利安全性，考慮對淮安水利樞紐工程進行提級加固，保障地區(qū)水資源調(diào)度安全性。淮安水利樞紐工程承擔著發(fā)電、防洪、蓄水等作用，其現(xiàn)狀水利設施包括有壩體、泄流水工建筑、溢流孔等，年發(fā)電量超過10億kW·h，每年可為下游農(nóng)田灌溉提供水量超過300萬m3，極大穩(wěn)固下游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可惠及農(nóng)田10萬hm2。目前，為提升泄洪設施與水利調(diào)度安全性，對溢流階梯體型進行設計升級，溢洪道所在溢流面采用階梯式消能與下游消能池聯(lián)合降能設計形式，目前該階梯布設整體坡度還未確定。為此，工程設計部門討論以溢流面過渡段開展設計對比分析，探討不同階梯式溢流面過渡段體型下，運營工況中滲流場差異性。

2 研究方法

為確保設計對比計算結(jié)果可靠性，本文利用UG幾何構(gòu)圖軟件對階梯式溢流面進行建模[11]，根據(jù)溢流面研究區(qū)段設置有20級階梯，全長為14.5 m，溢流面上過渡階梯共有8級，其他均為均勻階梯，尺寸為17.8 mm×16.5 mm，其截面階梯寬度為4.6 mm，一級階梯尺寸為25.0 mm×16.0 mm，各階梯上溢流壩高度以356.0～482.6 mm為主，本文各計算方案中僅更改過渡階梯段水平坡度。計算模型簡化部分消能坎與擋墻結(jié)構(gòu)，僅研究溢流面上過渡段階梯與均勻階梯間滲流特征，所建立的計算模型如圖1所示。

圖1 溢流面計算模型

對所建立的幾何模型導入至Fluent滲流場計算平臺中[12]，劃分微單元體，特別是在過渡段階梯及下游消能池局部模型處加密劃分。本模型中設定上、下游分別為速度與壓力耦合條件，其中速度出口條件采用自由邊界模式，乃是處于無滑移狀態(tài)。溢流面頂部為法向運動邊界條件，而在底部為零約束限制，在其他側(cè)壁分布有摩擦力約束條件。各計算方案中均設定入口流量為150 m3/s，流速與紊動能分別設定為0.25 m/s、0.002 m2/s2，該模型中設定X、Y、Z正向分別為順水流下游、豎直向上及溢流面泄流水體橫軸左向。本文根據(jù)階梯水平坡度不得低于10°，且布設坡度不得高于壩體坡度，對比計算方案設定溢流面過渡段階梯水平坡度分別為10°、20°、30°，泄流建筑典型溢流面設計體型如圖2所示，分別對三個設計方案的水力特征開展計算分析，探討過渡段階梯體型參數(shù)對消能減沖影響。

圖2 溢流面階梯式體型(單位：m)

3 設計體型與穩(wěn)定滲流場關(guān)系

3.1 流態(tài)特征

根據(jù)對不同設計方案的泄流建筑溢流面流態(tài)計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各方案中流態(tài)特征基本一致，變化過渡段階梯水平坡度，并不影響溢流面上流態(tài)分布特征，本文給出階梯水平坡度20°時溢流面流態(tài)特征，如圖3所示。從圖3可知，水氣二相在階梯面上具有交錯特性，此主要由于階梯式泄流導致水氣出現(xiàn)混雜現(xiàn)象，而在下游經(jīng)消能池內(nèi)消能坎作用，氣相逐漸與水相分離，特別受消能坎的調(diào)高作用，下游水流壅流效應顯著，出現(xiàn)局部的紊流現(xiàn)象，水液相混流經(jīng)翻滾、挑射作用，在消能池末端，水相分布占比減弱。分析表明，階梯式溢流面有利于在消能坎及溢流段上減弱水力作用，進而在消能池末端及出水口水力沖刷效應減弱，不同階梯坡度下均具有此類特征。

圖3 溢流面流態(tài)特征

根據(jù)對不同階梯水平坡度體型方案的流態(tài)計算，可獲得溢流面上空腔分布狀態(tài)，圖4為三種設計方案下溢流面空腔分布特征。從圖4可知，當階梯水平坡度為10°時，其空腔分布長度為11.5 m，而在坡度為20°、30°時，相應的空腔分布長度較前者分別增大了18.3%、37.4%，即增大階梯式坡度體型設計參數(shù)，有助于擴大氣相空腔延伸范圍。而從氣相空腔分布在過渡段階梯區(qū)域來看，當水平坡度為10°時，共有12個階梯，而坡度為20°、30°下空腔分布階梯數(shù)能達到14、15個，表明坡度有助于擴大水流內(nèi)摻氣分布，對水氣二相流分布的穩(wěn)定性具有促進作用。

圖4 溢流面上空腔分布狀態(tài)

3.2 消力池水深與流速特征

對溢流面上不同水平坡度方案下開展水力特征計算，獲得池內(nèi)斷面上水位變化特征，如圖5所示。從圖5可知，三種過渡段階梯坡度體型方案下斷面上水位變化基本一致，由上游至下游水位呈先增后減變化，在靠近下游出口處水位具有下降趨勢。筆者認為，當上游受溢流面泄流效應影響，進入消力池后水位乃是最低，故各方案中水位最低均位于池首0 m處，而經(jīng)上游較大流量影響，斷面上水位逐漸增大，當池內(nèi)消能坎發(fā)揮降沖作用后，其水位逐漸平穩(wěn)降低，水力勢能減小。比較三個坡度方案下水位特征可知，當水平坡度愈大，則消能池內(nèi)水位愈高，水平坡度10°時其斷面水位平均為1.11 m，而坡度20°、30°時斷面平均水位相比前者分別提高了50.5%、73.0%，即溢流面過渡段階梯水平坡度愈大，愈有利于消力池內(nèi)水能囤積，降低勢能對下游水工建筑沖擊作用[13-14]。另一方面，在水平坡度20°方案中，其斷面2.00 m、4.00 m、8.00 m處水位較池首分別增長了30.8%、54.2%、80.9%，當斷面位置每遞進1 m，則水位增長8.7%；而斷面超過8.00 m后，其水位乃是穩(wěn)定降低，平均各斷面間水位降幅可達5.4%。當水平坡度為30°時，其在池內(nèi)峰值水位位于斷面5.00 m處，相比坡度10°、20°下均有所提前，且在池首至峰值水位斷面處，其平均增幅為12.5%，而從峰值水位至下游出口斷面處其水位降幅可達7.6%；分析表明溢流面過渡段階梯水平坡度愈大，對水能控制作用愈強，在消力池內(nèi)對水力沖刷作用的減能效果更顯著。

圖5 消力池各斷面水位變化特征

從三個方案的水力特征計算中亦可得到消力池各斷面上流速變化特征，如圖6所示。從圖6可知，過渡段階梯體型坡度愈大，則流速愈低，在斷面5.00 m處坡度10°時的流速為12.6 m/s，而坡度增大至20°、30°后，相同斷面上流速分別降低了39.2%、70.7%，從池內(nèi)斷面流速變幅整體來看，坡度10°下流速分布在7.24～17.40 m/s，但坡度20°、30°斷面上流速較前者具有差幅16.0%～67.4%、27.6%～98.6%。另一方面，各方案下流速整體均呈遞減變化，但尤以坡度30°下降幅更具顯著，其各斷面間流速平均降幅可達29.5%，而坡度10°、20°下平均降幅僅為6.5%、12.9%。綜合認為，當水平坡度為30°時，不僅流速量值最低，且其受溢流面與消力池降沖效果最為顯著，有利于水工建筑安全泄洪。

圖6 消力池各斷面上流速變化特征

4 設計體型與紊動滲流場關(guān)系

4.1 紊動能特征

根據(jù)水力特征計算，獲得三個方案下紊動能分布特征，如圖7。從圖7可看出，溢流面上紊動能分布具有一致性，各方案中紊動能均是從上游至下游逐漸遞增的過程，特別是在中下游階梯區(qū)段處出現(xiàn)最大紊動能，但不可忽視，水平坡度愈小，則其紊動能分布分散性愈顯著，導致溢流面上水能進入消能池后不利于控制水力沖擊作用。

圖7 紊動能分布特征

根據(jù)對溢流面上紊動能計算，獲得各階梯紊動能變化特征，如圖8所示。依據(jù)圖8中紊動能變化可知，水平坡度愈大，則其紊動能愈高，在過渡段階梯5～12級上，坡度10°方案中平均紊動能為0.28 m2/s2，而坡度20°、30°較前者分別增高了2.86倍、8.20倍；各方案中紊動能分布差異最主要體現(xiàn)在過渡段階梯上，在進水口處紊動能基本一致穩(wěn)定在0.15 m2/s2，隨上游至下游紊動能遞增，特別是在過渡段階梯后，各方案中紊動能均為遞增態(tài)勢，特別以坡度30°方案下增長趨勢最大，在階梯13～20級中，該坡度方案下平均增幅可達10.5%，而坡度10°、20°下平均增幅分別為6.3%、8.4%。當紊動能增長效果及量值愈大時，其對水流反作用效果愈好，產(chǎn)生擾動水流降低勢能的作用[15-16]。

圖8 各階梯紊動能變化特征

4.2 消能率

根據(jù)對三個方案最終消能率計算，獲得表1中對比數(shù)據(jù)。在溢流面階梯體型水平坡度10°時的消能率為50.56%，而坡度為20°、30°時消能率分別達56.82%、60.28%，即坡度愈大，消能率愈大，溢流面過渡段階梯水平坡度每增大10°，消能率可增長4.86%。綜合三個方案的穩(wěn)定滲流場與紊動場特征對比結(jié)果可知，選擇水平坡度30°時更有利于泄流建筑的降能減沖效果。

表1 各方案消能率

5 結(jié) 論

(1)過渡段階梯體型水平坡度對溢流面流態(tài)分布影響較小，但增大階梯坡度，有助于提升氣相空腔分布范圍，坡度為20°、30°時空腔分布長度較10°時分別增大了18.3%、37.4%。

(2)消力池斷面上水位為先增后減變化；坡度愈大，則峰值水位所在斷面愈靠近池首，從池首至峰值水位斷面，坡度20°、30°下水位平均增幅為8.7%、12.5%，而在斷面超過8.0 m后，兩坡度方案平均降幅分別為5.4%、7.6%；坡度愈大，則池內(nèi)流速愈低，坡度20°、30°斷面上流速較10°時具有差幅16.0%～67.4%、27.6%～98.6%，坡度30°下池內(nèi)斷面上流速降幅更顯著。

(3)坡度愈小，紊動能分布愈分散，且紊動能愈低，坡度20°、30°下平均紊動能較10°時分別增高了2.86倍、8.02倍；溢流面過渡階梯段上紊動能以坡度30°下增長最高，且該方案下消能率最大，達60.28%。

(4)綜合穩(wěn)定滲流場與紊動滲流特征，認為水平坡度30°時水工建筑的降能減沖效果最顯著，方案最佳。