基于數值模擬的若坑水庫溢洪道水力特性分析

鄭揚鍥

（上饒市國控水利水電工程建設有限公司，江西 上饒 334000）

1 工程概況

新建若坑水庫地處饒河流域洎水河若坑水，壩址位于德興市銀城街道吊鐘村境內，距市區約12km， 地理位置為N28° 55′ 42.10′′ 、E117° 32′ 29.48′′ ，壩址以上集雨面積1.02km2，主河道長1.637km，河道平均坡降0.0785，水庫總庫容92.3×104m3，年用水量61.84×104m3，是一座以灌溉為主的小（2）型蓄水工程。溢洪道布置在壩軸線樁號壩0+36.0～0+44.0m 壩段上，長8.0m。堰型為實用堰，堰頂高程83.0m，溢洪方式為無閘開敞式自由溢洪，設計洪水（P=3.33%）時最大下泄流量7.32m3/s。校核洪水（P=0.5%）時最大下泄流量13.58m3/s。

2 網格劃分及邊界條件

2.1 網格劃分

該水庫溢洪道三維流場模擬及水力特性分析對應的計算域結合推薦體型與尺寸確定，原型尺寸上游界限為壩軸線以上150m，下游界限為溢洪道。如此確定出的流場全長780m。因庫區面積大，故通過結構網格將計算域劃分出50×104個網格單元。

2.2 邊界條件

本研究中若坑水庫溢洪道水力特性模擬時主要采用壓力進口邊界條件，該條件便于界定流動進口處壓力和相關標量特性參數[1]。此條件對可壓和不可壓流動全部適用，故對于本工程進水口處壓力為已知，而流速或流量未知的情形也完全適用。借助Pressure Inlet 對話框進行邊界條件輸入。結合工程實際，進口邊界主要包括上部空氣進口與庫區水流進口兩部分，前者屬于速度進口邊界類型，按明渠流算法確定；后者則借助進口水流速度和自由水面高度展開確定。全部氣體入口邊界均采取壓力邊界條件形式，在下游挑流鼻坎末端設置壓力出口邊界，以體現自由出流特征[2]。

3 流場數值模擬

溢洪道泄水構筑物的泄流能力對于水庫大壩安全運行至關重要，為此必須對其三維流場和水力特性展開模擬分析。以位于相應樁號處的溢流堰頂部為限，向下游水流向為X 軸；從上游水位0.0m 處開始垂直向上為Y 軸。為防止水位較高情況下發生封頂，將最大模擬高程確定為234m。

3.1 水流流態及水面線

對于庫水位設計值以及閘門全開的情況，進流對稱，引流均勻，引渠中不存在水面跌落情況；閘室表現出順暢水流，位于左側的泄洪槽水流能夠保持平順；而位于右側的泄洪槽水面存在一定的波動；閘墩處水流平順，尾端無水翅出現；泄洪槽中僅存在小規模的折沖水流；中隔墻和邊墻水流緩慢，明顯無水流飛濺跡象[3]。

通過比較模擬值和試驗值看出，對于設計洪水位而言，泄槽底部坡度較為緩和，故沿程水面線變動態勢呈穩定狀態，水面線計算值和實測值也較為吻合[4]。在泄流量設計值取10 200m3/s 時，閘室后部實際水深約為7.0m，邊墻收縮段水深則增至8.8m，到挑流鼻坎前部又下降至5.4m。泄洪槽相同斷面水面差始終位于1.1m 以內。

3.2 壓強

根據該水庫水工溢洪道壓強分布及變化趨勢，能在一定程度上體現空蝕發生的程度。所得到的沿程斷面壓強分布情況見表1。據此看出，隨著溢洪道尾坎邊長的持續增大，不同邊長方案下均無明顯的負壓出現，充分說明前置尾坎的設置能較好克服空蝕。

表1 沿程壓強變動模擬結果

此處進行設計工況下左、右側泄洪槽底板壓力模擬，結合模擬結果展開壓力等值線圖形的描繪，同時和模擬值展開比較。根據比較結果，隨著水深的增大，側墻收縮段開始到摻氣坎之間的泄洪槽區段底板壓力表現出明顯的線性變化，且靜水壓力特征十分顯著。此后隨著水流的持續作用，挑流坎前部所承擔的壓力持續升高，直到挑流坎末端后才轉而降低；水流流進摻氣槽結構的空腔段內便出現負壓力。遭受水舌沖擊明顯的區段，壓力升高迅速，因水舌沖擊所引發的動水壓力附加值也較大，充分說明泄流槽內水流流態遭受摻氣結構物的影響并不大[5]。試驗值也與模擬值較好吻合，計算精度有保證。

3.3 水流流速

結合該水庫溢洪道滲流場特征的量化分析，所得到的該水工結構物斷面水流流速變動趨勢情況見表2。根據取值情況，在各種溢洪道尾坎尺寸下，沿程斷面水流流速均呈先升后降趨勢，但對應對的峰值數據各異。對于尾坎邊長3.6mm 的情況，流速峰值達到9.1m3/s，且出現在10m 的沿程斷面處；對于其余的尾坎邊長情況，流速峰值分別取8.0m3/s、7.0m3/s、5.5m3/s、4.5m3/s，分別出現在10m、5m、0m 和0m 的沿程斷面；隨著尾坎邊長的增大，沿程斷面最大流速逐漸趨緩，降幅分別為12.08%、12.5%、21.43%、18.18%。

表2 沿程流速變動模擬結果

據此可以看出，水庫溢洪道尾坎體型的調整對沿程流速影響不大，但前置型尾坎設置后，僅引起閘前段水力沖擊勢能的增大和流速小幅升高，臺階面和出流段之間流速基本呈削弱態勢。隨著這種尾坎邊長尺寸的增大，流速水平持續降低；此外，峰值流速越早在斷面出現，面臨的流速遞增段所保持的時間越短。出于消能效果方面的綜合考慮，應當盡可能增大該水庫溢洪道尾坎尺寸，以相應增加水流和臺階表面之間的接觸面積，使之發生更加充分的攪動與摩擦，削減水流的動力勢能，降低水流流速。

前置尾坎的設置能在很大程度上削減水流動力勢能，但值得注意的是，隨著溢洪道尾坎邊長設置長度的增大，沿程斷面流速的穩定程度下降，不穩定段相應增大。例如，尾坎邊長取12.4mm和14.6mm 的情況，依次在沿程斷面14～25m 以及8～19m 間存在水流劇烈震蕩、渦流區段。進一步分析得知，隨著溢洪道尾坎尺寸設置值的增大，會為水流震蕩提供更加充足的空間，引發沿程斷面水流涌動、紊亂泄流的可能性明顯增加。綜合以上分析，為取得較好的泄流消能和滲流安全的綜合效果，應將溢洪道尾坎邊長控制在5.8～10.2mm。

最后，本研究還從滲流場內進行了不同溢洪道消能方案下峰值斷面流速等值線的提取和確定，以便對溢流面所布置的尾坎處流速特征展開直觀展示和分析。結果顯示，對于尾坎邊長取5.8mm 和10.2mm 的情況，水流渦流中線基本位于溢流階梯內，對應的流速幾乎為0；溢流階梯外部流速顯然較高；隨著尾坎邊長取值的增大，溢流階梯中流速等值線也愈加平穩，對應的主流流速呈快速遞減趨勢。

4 跌坎摻氣水流模擬

4.1 模型創建及網格劃分

該水庫溢洪道按照70m間距布設4道摻氣槽，在具體施工時必須符合摻氣保護濃度要求，將不同氣腔中的負壓嚴格控制在-0.1～0.4m 范圍內，并保持較好的進氣狀態，以便將不同泄流過程中通氣孔內的平均風速控制在60m/s 以下。按照以上安排，4 道摻氣槽流速下氣腔內基本無積水，為摻氣槽進氣過程的順暢及槽體結構的可靠運行提供了較好保證。

此處以2#摻氣槽為例展開摻氣坎上游和下游各60m 范圍的詳細模擬。為簡化分析過程，在模型創建時僅考慮右側溢洪道部分，同時按照工程原型在其左右兩側對稱布置通氣孔。鑒于水氣混摻過程必將加劇水流流態的復雜程度，必須順水深向展開網格劃分；此外，跌坎下游臨近底板側則按照非均勻網格設計，越靠近底板網格設置應越細密；水面處則恢復均勻網格即可[6]。

4.2 模擬結果

4.2.1 通氣量

根據模擬分析結果所得出的通氣量、風速等通氣孔計算結果見表3。據此看出，模擬分析值和設計值較為接近，且設計值取值偏大。出于測量精度和比尺效應等方面的考慮，筆者認為，模擬結果能夠對該水庫溢洪道通氣孔實際通氣特性進行較好模擬；實際通氣量隨著通氣孔特征直徑的持續增大而增加。

表3 通氣孔通氣量值的比較

4.2.2 壓力

根據對該水庫溢洪道摻氣坎周圍底板壓力分布情況的模擬分析得知，對于摻氣槽上游的泄槽底板而言，其壓力主要以靜水壓力形式分布，并隨水深的增大而增加。因受到局部體型變化的作用，該跌坎前后壓力差異較大。當水流流經摻氣槽挑坎前部時壓力驟增，而至挑坎末端后又持續降低；此后流經摻氣坎下游空腔段后則表現出負壓；最后進入水舌沖擊區段后壓力驟增。

4.2.3 摻氣濃度

根據表4 所示模擬結果，摻氣空腔橫向分布均勻性較差，臨近通氣孔位置處空腔大，而遠離通氣孔區域空腔面積小，對應的摻氣濃度也不大。這種模擬情況與設計要求存在偏差，主要原因在于通氣孔中風速不大，對摻氣充分程度存在不利影響，同時增大了跌坎下游空腔內的負壓，引發空腔末端回流[7]。

表4 摻氣濃度模擬值和設計值的比較

5 結 論

本研究應用模擬分析技術對若坑水庫溢洪道三維流場模擬及水力特性展開分析，主要得出以下結論：

1）摻氣降蝕水工結構物是泄水建筑物中避免空蝕和空化發生的關鍵，隨著溢洪道流量的增大，對溢洪道不斷提出更高要求，摻氣減蝕設施的逐漸受到技術人員的關注。

2）高速摻氣水流的數值模擬屬于水工水力學中難度較大的課題，通過對三維流場和流體水力特性的全面分析，可為水工水力學的發展提供促進。

3）溢洪道跌坎下游摻氣濃度模擬值和設計值明顯展現出水體中心處摻氣濃度的沿程衰減趨勢，模擬值比設計值小，空腔內負壓較大。

4）尾坎體型尺寸的調整對溢洪道沿程斷面流速先增后減的趨勢影響不大，尾坎體型增大后流速峰值所在斷面表現出提前趨勢，而臺階外部流速基本穩定。該水庫溢洪道尾坎和跌坎等消能設計具備較好的可靠性和穩定性。