淺析泄流水工建筑設計體型對結構水力消能影響特性研究

庾偉生

佛山市科誠工程監理有限公司 廣東 佛山 528000

水利建筑在對于水資源進行調度的過程當中，泄流對于水利建筑來說是一個非常重要的環節，而泄流必然會引起一定的水力勢能變化，所以泄流所產生的沖刷問題也是一個重點環節，探討泄流水工工程建筑的設計體型跟水力消能降沖是非常的具有研究意義的。針對于不同建筑物在進行泄流過程當中的具體情況的分析，有利于幫助我們選擇一個最優設計方案。有學者在研究的過程當中選擇根據原型試驗理論引入相似材料跟復制尺寸，建立了一個關于水工建筑物的物理化模型，并且在室內就能夠完成相應的實驗，以此來達到對于整體工程的設計方案的優化。除此之外，也可以通過對于已經建設好的建筑物在運營過程當中的具體情況來進行模擬，并且監測好滲流場的運行，這樣更加有利于幫助工作人員探討在不同的工況條件下以及在不同的外荷載條件影響下，溢洪道包括壩體等建筑物在進行運營的過程當中會產生怎樣的特征變化，這樣做也能夠為建設水利工程的滲流分析提供相應的科學參考。為了能夠最終確立一個最有效的設計方案，可以選擇使用Fluent等滲流場計算平臺來對于模型進行計算，通過不停的變換各種設計方案來研究每一個方案當中的具體結構變化特征，以此來判斷出一個最合適的方案，這種研究手段對于整體工程的建設來說是非常高效的。

因此在本篇文章當中也會以淮安水利樞紐工程泄流工程的溢流面過渡段階梯的水平坡度設計作為研究的重點問題，提出如何對整體內容進行優化，并且也設計展開了不同坡度條件下的情況分析，通過計算之后為工程選擇一個最佳的方案，希望能夠為整體工程建設提供相應的依據。

1 工程概況分析

因為蘇北水資源分布的并不是非常的均勻，所以經常會導致一部分的工業或者是農業用水部門存在著非常嚴重的水資源短缺的問題，這種情況的出現是非常的不利于當地的經濟發展建設的，所以為了能夠有效地提升區域的水利安全性就必須要對于淮安水利樞紐工程進行提級加固處理，確保當地的水資源在進行調度的過程當中能夠是安全且合理的。淮安水利樞紐工程在進行應用的過程當中，其主要的職責就是完成發電以及防洪，包括蓄水等一系列的操作。就目前來看，其主要的水利設施包含著壩體以及泄流水工程建筑和溢流孔等，每一年的發電量都能夠超過10萬kw.h，可以為農田灌溉提供超過300萬m3的水，同時可以對于下游的農業產業進行維護，能夠匯集到10萬hm2的農田，根據目前的情況來看，為了能夠更好的使泄洪設施以及水利調度的安全性得到有效提升，對于溢流階梯的體型進行重新的研究以及升級是非常重要的。溢洪道所在面利用的是階梯式的消能跟下游消能池進行混合應用的一種辦法，但是目前設計階段的坡度并沒有得到確定，所以對于溢流面的過渡段進行分析，并且展開相應的研究，對于所有的方案進行對比。討論不同階梯式的溢流面的過渡段的具體體型并且對于不同坡度條件下的運營工況當中的滲流場的具體差異性進行相關的分析，目的就是為了能夠最終選擇一個最為科學的方案[1]。

2 具體的研究方法分析

為了能夠確保在進行設計的過程當中其比對的計算結果的可靠性，在本篇文章當中主要會選擇使用UG幾何構圖軟件來對于階梯式的溢流面進行建模處理。根據溢流面的研究區的具體情況設置了20級階梯，全長是14.5m，溢流面上的過渡階梯一共包含著八級，其他都屬于均勻階梯，尺寸控制為17.8mm×16.5mm，截流寬度4.6mm，一級階梯的尺寸是25mm×16mm，每一個階梯上面的溢流壩的具體高度都是控制在356mm～482.6mm之間的。在本文當中每一個計算方案都是以過渡階梯段的水平坡度作為變動參數來設計模型，并且簡化了一部分的消能坎和擋墻結構，只研究溢流面上過渡階段和均勻階梯之間的滲流特征，在經過對于所有的參數進行梳理之后，具體的計算模型如下圖1所示。

圖1 溢流面計算模型

對于所建立起來的幾何模型進行分析，并且將其導入到計算機平臺里面，將其劃分為不同的微單元體，尤其是在對于過渡階段的階梯和下游的消能池局部模型進行處理的過程當中，需要對其進行加密劃分。在本次研究的模型上面已經設置好了上下游，分別是速度跟壓力耦合條件，其中速度出口條件使用的是自由邊界模式，使其能夠處在一個無滑移的條件下，而溢流面的頂部屬于反向運動邊界條件，其底部為零約束限制。除此之外，其他的側壁都分布了一定的摩擦力作為約束條件，所有的方案當中都已經設置好了入口的流量是150m3/s，流速是0.25m/s。

在本次模型建設的過程當中設定了x、y、z方向分別是順水流下游、豎直向上以及溢流面泄流水體橫軸左向，本篇文章當中限制因素是階梯的水平坡度不能夠小于10度，最主要的是在本次設計的過程當中，坡度絕對不能夠超過8m，所以在進行方案確定時設定的溢流面過渡段的階梯水平坡度分別控制在了10度，20度以及30度，然后對于這三個方案進行相應的分析以及計算，探討在過渡階段其具體的體型參數對于最終的消能減沖所產生的影響[2]。

3 設計體型和穩定滲流場之間的關系

3.1 流態特征

通過對于每一個不同的設計方案當中的泄流建筑溢流面的具體流態進行計算之后，可以發現每一個方案當中的流態特征基本上都能夠保持一致變化，過渡階段的階梯水平坡度對于溢流面上面的流態分布特征并不會產生非常大的影響，因此在本篇文章當中所研究的是階梯水平坡度在20度的時候，溢流面的具體流態特征。經過研究之后發現水氣二相在階梯上面本身就具備著一定的交錯特性，這主要是因為這種階梯式的泄流方法會導致水氣在進行運轉的時候出現混雜的現象，而下游又設置了消能池，所以在經過消能之后，氣相跟水相之間就會產生分離的現象，受到了消能坎調高所產生的影響，因此下流的水流效應就會非常的明顯，出現一個局部的紊流問題。水液相在混流之后經過了翻滾的作用之后，在消能池的末端水相分布占比就會變得非常小，通過分析之后發現階梯式溢流面非常有利于減小水力作用，進而在末端包括出水口的位置的沖刷都會有效的減小，而且最重要的一點是每一個不同的階梯的坡度下都會出現這種特征。

根據對于不同階梯的水平坡度方案的具體計算可以發現，如果階梯的水平坡度控制為10度的話，那么其空腔的長度則是11.5m，當坡度為20度或者是30度的時候，其空腔的長度相較于10度的時候都有所增加，分別增加了18.3%以及37.4%，也就是說在無形當中對于坡度體型的設計參數進行了擴充，這樣做是更加有利于擴大氣相空腔的延伸范圍的。如果從氣相空腔的整體分布情況來對其進行分析，可以發現當水平坡度設置為10度的時候，一共包含著12個階梯，而坡度是20度或者是30度的時候，其階梯是14個或者是15個，這也表明了坡度更加有利于幫助我們去擴大水流內摻氣的分布，這本身對于水氣二相流的分布就具有一定的促進穩定性的作用[3]。

3.2 消力池的水深和流速的具體特征

對于溢流面的不同坡度方案條件下所展開的水力特征進行有效的計算，這樣就能夠獲得池內斷面水位上升的具體變化，這三種過渡方案在斷面上，其水位變化基本上是保持一致的，從上游到下游基本上都是呈現著先增后減的現象，同時到了靠近下游出口位置的時候，水位就會出現明顯的下降，因此對其進行分析可以發現，當上游受到了溢流面斜流效應所產生的影響的時候，在進入到消力池之后水位仍然是最低的一個狀態，所以在每一個方案當中的水位最低都要低于池首0m的位置。而經過了上游的大流量所產生的影響，所以斷面上的水位就出席不斷增大的問題，在對于這三個坡度方案進行比對之后，可以發現，水平坡度設計的數值越大，那么消能池當中的水位也會呈現著遞增的現象，當水平坡度控制在10度的時候，其斷面水位為1.1m，但是當坡度控制在20度或者是30度的時候斷面的平均水位也有所提升，分別提升了50.5%以及70.3%，這也就意味著階梯坡度越大，那么越有利于消能池當中的水進行囤積，降低勢能對于下游所產生的沖擊作用。

與此同時，當我們將水平坡度設置為20度時，在其斷面位置2m、4m以及8m的水位相較于池首都呈現著增長的狀態，增長的幅度分別是30.8% 54.2%以及80.9%，斷面位置每往前1m，水位也會顯著增長8.7%左右。因此斷面如果設計超過了8m，那么水位仍然是穩定降低的，其降幅可以達到5.4%，當水平坡度設置為30度的時候其池內的峰值水斷面大約在5m左右的位置，相較于坡度為10度，以及20度左右的時候均有所提前，而且池首在峰值水位的斷面位置平均增幅是12.5%。經過分析之后可以發現溢流面過渡段的階梯水平越大，對于水的控制能力就會越強，所以在消力池當中對于水沖刷作用的減弱效果會更加的明顯一些。

從這三個方案的水利特征計算的過程當中，我們就能夠得到消力池在每一個斷面上面的具體流速所產生的變化特征。經研究發現，過渡段的階梯體型坡度越大，那么其流速就會越低，在斷面5m位置坡度為10度的時候，其流速是每秒12.6m，而當整體的坡度增加到20度以及30度的時候，流速分別降低了39.2%以及70.7%。從池內斷面的具體流速變化幅度來看，坡度10度下的流速控制在每秒7.24～17.4m，但是在坡度20度以及30度的時候，相較于前者來說，其差幅值是16%～67.4%以及27.6%～98.6%。另外一方面，每一個方案當中的流速整體都呈現著遞減的變化，尤其在坡度30度以下的時候，其遞減的幅度是非常明顯的，每一個斷面的平均降幅都能夠達到29.5%。但是當坡度在10度以及20度的時候，其下降的均幅只有6.5%以及12.9%，所以綜合以上所有的信息，不難發現，當坡度是30度的時候，不僅流速是最低的，同時受到溢流面以及消力池降沖效果也是最為明顯的一個，所以這樣做是非常的有利于水工建筑的安全泄洪的[4]。

4 設計體型以及紊動滲流場之間的關系

4.1 紊動能的具體特征

根據水力特征來對其進行計算就能夠獲得三個方案下的紊動能的具體分布特征，經過研究發現，在溢流面上進行分布的過程當中，基本上是保持一致的，每一個方案當中的紊動能都是從上游到下游不斷地遞增，尤其是到了中下游區域的時候，會出現最大動能，但是絕對不能夠忽視的一點是，水平坡度變得越小，那么紊動能地分布分散性就會變得越來越顯著，這也就導致溢流面上面的水能在進入到消能池之后，不利于對其沖擊作用進行控制。

根據對于溢流面上面的紊動能進行有效的計算，就能夠獲得每一個階梯的紊動能的具體變化情況，水平坡度的增長也會導致紊動能不斷的增高，在階梯為5～12級位置坡度設置為10度的方案當中，其紊動能為0.28㎡，當坡度設置為20度和30度的時候，相較于10度時，其紊動能分別增加了2.86倍以及8.20倍，每一個方案當中，在對于紊動能進行探究的時候，其差異性都是體現在過渡段的階梯上面。在進水口的位置紊動能基本上都是一致，然后從上游到下游逐漸呈現著遞增的趨勢，尤其是在過渡段階梯之后，這三個方案當中的紊動能都出現了一定的增長，特別是坡度為30度方案下的增長趨勢是最為明顯的，在13級到第20級的階梯當中，該坡度方案的增幅甚至能夠達到10.5%，而坡度控制在10度和20度的時候，其平均增幅是6.3%以及8.4%，所以紊動能增長效果以及量值變得越大的時候，對于水流的作用反而是最好的，能夠有效地對于水流進行擾動，降低水流的沖擊勢能。

4.2 消能率

根據對于最終的三個方案進行消能率方面的計算可以發現，在溢流面的階梯體型水平坡度在10度的時候，消能率是50.56%，而坡度為20的時候是56.82%，坡度為30度的時候是60.28%，也就是說坡度越大，那么消能率也會越大。溢流面的過渡階梯水平的坡度每增大10度，消能率就可以增長4.86%，綜合對于三個方案進行分析，最終發現選擇水平坡度為30度的時候，對于泄流建筑的降能效果是最為有利的[5]。

5 結論與研究

①過渡段的階梯體型的水平坡度對于溢流面的流態分布影響是非常的小的，但是如果我們增大了階梯的坡度，那么是有利于提升氣相空腔的分布范圍的，當坡度在20度以及30度的時候，其空腔分布的長度相較于10度的時候分別增大了18.3%以及37.4%。

②經過研究發現，坡度越小，其紊動能在分布的過程當中就會變得越來越分散，而且紊動能也會變得非常的低，在坡度為20度以及30度的時候，平均紊動能相較于10度的時候分別增高了2.86倍以及8.02倍，在對于所有的數據進行綜合性的分析之后，認為當水平坡度為30度的時候，水工建筑的降能效果是最為顯著的，所以設定坡度為30度是最佳方案。