溢洪道臺(tái)階式溢流設(shè)計(jì)下水力消能特征研究

張 杰

（江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029）

溢洪道作為一種泄流水工建筑，其泄流運(yùn)營(yíng)時(shí)具有較大能量的轉(zhuǎn)換，對(duì)水工結(jié)構(gòu)安全乃是較大考驗(yàn)，因而提高溢洪道泄流消能水平[1，2]是溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題。溢洪道運(yùn)營(yíng)受進(jìn)水段體型、溢流段溢流面參數(shù)以及下游消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響，綜合分析溢洪道運(yùn)營(yíng)安全與設(shè)計(jì)優(yōu)化很有必要。桂冰登[3]、鐘勇明等[4]為研究溢洪道消能設(shè)計(jì)方案，建立水工模型試驗(yàn)方案，利用模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析溢洪道泄流時(shí)水面線、流態(tài)、速度以及壓強(qiáng)等水力特征，從而確定溢洪道的消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。溢洪道設(shè)計(jì)也與摻氣坎、挑坎等結(jié)構(gòu)體型有關(guān)，徐瑋等[5]、許超等[6]基于Fluent流場(chǎng)模擬方法，探討了摻氣坎的截面體型、挑坎挑角等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)溢洪道滲流場(chǎng)影響，進(jìn)而評(píng)價(jià)溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。臺(tái)階式溢洪道是溢洪道結(jié)構(gòu)型式中典型一種，王煌等[7]探討了臺(tái)階尺寸、交錯(cuò)布置、溢流寬度等體型參數(shù)對(duì)泄流影響，結(jié)合水力參數(shù)評(píng)價(jià)溢流臺(tái)階設(shè)計(jì)的利弊，為工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。基于出水洞水庫(kù)溢洪道溢流臺(tái)階交錯(cuò)設(shè)計(jì)，從模型試驗(yàn)與滲流場(chǎng)模擬計(jì)算兩方面探討溢洪道交錯(cuò)式異形臺(tái)階設(shè)計(jì)下泄流消能特征。

1 研究概況

1.1 工程概況

作為貴州地區(qū)重要水源工程，出水洞水庫(kù)為“十三五”時(shí)期水利行業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為6 884.2萬(wàn)m3，預(yù)計(jì)一期工程建設(shè)投入運(yùn)營(yíng)后可實(shí)現(xiàn)年供水8 772.2萬(wàn)m3。水庫(kù)設(shè)計(jì)蓄水位高程為1 446 m，死水位為1 440 m，采用面板堆石壩結(jié)構(gòu)，最大壩高為109.5 m，壩頂主軸長(zhǎng)為300 m，寬度為10 m，可滿足地區(qū)水資源分布調(diào)節(jié)、蓄洪排澇等水利功能需要。水庫(kù)包括堆石壩、輸供水渠道、引水隧洞以及溢洪道等工程。水庫(kù)堆石壩趾板斷面體型如圖1（a）所示，趾板厚度為1 m，面板厚度為0.8 m，防滲板位于面板與趾板下方夾角30°處，厚度為0.3 m，趾板面等高線與趾板呈“X”形布置；趾板面“X”形等高線平面分布形態(tài)如圖1（b）所示，兩等高線左、右高程相差為85～102 m，按照X1～X11 不同基準(zhǔn)點(diǎn)確定趾板河床段、岸坡段距離，如X4～X5、X8～X9的河床段分別為2.3、1.8 m，配合有效厚度范圍內(nèi)的防滲面板，可實(shí)現(xiàn)良好防滲、攔水設(shè)計(jì)效果。實(shí)際監(jiān)測(cè)表明，從2021 年水庫(kù)蓄水運(yùn)營(yíng)以來(lái)，歷經(jīng)六盤水地區(qū)南盤江水系洪峰過(guò)境考驗(yàn)，水庫(kù)趾板上應(yīng)力、應(yīng)變分布以及面板水力坡降分布均滿足安全要求。除堆石壩工程外，水庫(kù)溢洪道的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)較為關(guān)鍵，基于水庫(kù)設(shè)計(jì)需求以及工程選址特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用臺(tái)階式溢洪道，堰頂高程為1 439 m，為3孔進(jìn)水控制方式，單孔凈寬為7 m，下游配置消力池消能結(jié)構(gòu)，池長(zhǎng)、寬度分別為50、35 m，尾坎高度為4.5 m，從模型比尺設(shè)計(jì)考慮，原型尺寸1/10 設(shè)計(jì)模型如圖2 所示，溢流段臺(tái)階坡度為1/3，臺(tái)階前、后水平段均為6 m。從該溢洪道設(shè)計(jì)方案考慮，采用均勻分布狀溢流臺(tái)階，臺(tái)階寬度與溢流面寬度一致，若可劃分出異形臺(tái)階且交錯(cuò)分布，如臺(tái)階寬度為溢流面的1/2 或1/3，相鄰臺(tái)階可進(jìn)一步增強(qiáng)泄流效果，但異形交錯(cuò)分布臺(tái)階的設(shè)計(jì)也會(huì)加劇溢流面上不穩(wěn)定流態(tài)產(chǎn)生。因而，從水庫(kù)臺(tái)階式溢洪道運(yùn)營(yíng)考慮，可應(yīng)用異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)，但需優(yōu)化其體型方案，這也是開展溢洪道異形交錯(cuò)臺(tái)階應(yīng)用設(shè)計(jì)的前提。

圖1 堆石壩趾板體型特征

圖2 溢洪道溢流臺(tái)階特征

1.2 設(shè)計(jì)分析

基于異形交錯(cuò)式臺(tái)階溢洪道設(shè)計(jì)理念，在模型比尺臺(tái)階溢洪道設(shè)計(jì)的前提下，對(duì)溢流面分布的臺(tái)階進(jìn)行等分切割，按照交錯(cuò)布置方式，分別以溢流面寬度的1/3、1/5、1/7、1/9 進(jìn)行交錯(cuò)設(shè)計(jì)，溢流面寬度的1/3、1/5臺(tái)階交錯(cuò)分布特征如圖3（a）、（b）所示，單個(gè)臺(tái)階寬度分別為8、4.8 cm；無(wú)交錯(cuò)分布臺(tái)階溢洪道如圖3（c）所示，臺(tái)階寬度為24 cm。在模型試驗(yàn)結(jié)果中，圖3（a）、（b）兩方案具有顯著差異，監(jiān)測(cè)得到的水體流態(tài)、動(dòng)水壓強(qiáng)等分布均有明顯區(qū)別，如圖3（b）中在溢流面的交錯(cuò)分布臺(tái)階第3、5 級(jí)分布有渦旋流等特征，同時(shí)兩方案中摻氣濃度分布也有差異。基于不同交錯(cuò)式臺(tái)階溢洪道設(shè)計(jì)方案，對(duì)溢洪道的水力變化特征開展對(duì)比分析。

圖3 溢洪道溢流面臺(tái)階設(shè)計(jì)

利用CAD 構(gòu)圖工具對(duì)溢洪道結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，溢洪道幾何模型如圖4（a）所示，溢流面長(zhǎng)度為1.2 m，全模型主軸長(zhǎng)為2.4 m，共有6級(jí)階梯，各級(jí)階梯面的壁面以及邊界約束模型均視為一致。通過(guò)CAD 幾何模型的導(dǎo)入，在滲流場(chǎng)模擬平臺(tái)獲得網(wǎng)格模型如圖4（b）所示。模型中X、Y、Z 向分別為溢流面泄流方向、結(jié)構(gòu)豎向以及臺(tái)階流體橫向。

圖4 溢洪道模型

依據(jù)不同交錯(cuò)形態(tài)的溢流臺(tái)階設(shè)計(jì)方案，分別有溢流面寬度的1/3、1/5、1/7、1/9 研究方案，相應(yīng)的異形臺(tái)階數(shù)量分別為1、2、3、4 級(jí)，且設(shè)計(jì)有無(wú)異形交錯(cuò)臺(tái)階數(shù)量的研究方案（0 級(jí)），溢流臺(tái)階寬度為24 cm。研究工況中設(shè)定3 個(gè)泄流量，分別為50、100、150 m3/s。基于不同異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)方案，探討溢洪道溢流面的水力、消能特征。

2 異形臺(tái)階下水力特征

2.1 流速特征

基于不同異形交錯(cuò)臺(tái)階的溢洪道水力特征計(jì)算，獲得了溢洪道沿程流速分布變化特征，包括溢流面前、后水平段處流速特征，如圖5所示。

圖5 溢洪道流速變化特征

依據(jù)溢洪道沿程流速特征變化可知，不同泄流量工況下，同一種異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下沿程流速變化具有相似性，流速峰、谷值對(duì)應(yīng)斷面不變。在泄流量50 m3/s工況下，異形交錯(cuò)臺(tái)階數(shù)量為1級(jí)時(shí)，沿程流速峰、谷值分別為1.43、1.27 m/s，而在泄流量150 m3/s工況下峰、谷值流速依然位于沿程斷面0.6、1.6 m處，相應(yīng)的流速值分別為1.83、1.65 m/s。當(dāng)異形交錯(cuò)臺(tái)階數(shù)量為3級(jí)或4級(jí)時(shí)，兩泄流量工況下流速變化具有一致性，泄流量改變不會(huì)影響沿程流速分布變化特征，影響僅局限于流速水平值，泄流量愈大則流速水平值愈高。在異形交錯(cuò)臺(tái)階數(shù)量為0、1 級(jí)時(shí)，在泄流量50 m3/s 工況下，溢流面斷面0.6～1.8 m內(nèi)流速分別為1.54～1.72、1.29～1.43 m/s，溢流段流速均值分別為1.64、1.35 m/s，而在泄流量150 m3/s工況下流速均值分別提高了43.9%、28.1%。各異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下，泄流量對(duì)流速水平值影響具有無(wú)序差異性。

當(dāng)異形交錯(cuò)臺(tái)階數(shù)量變化，沿程流速變化差異性顯著，其中無(wú)異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下流速變化具有獨(dú)立性，具有“M”形特征，泄流量150 m3/s 工況下在斷面0.6、1.8 m 處出現(xiàn)“雙峰值”流速，分別達(dá)1.7、1.72 m/s；特別需要注意的是，該方案在溢流段0.6～1.8 m 內(nèi)，流速分布是5 個(gè)方案中最高的。當(dāng)溢流面設(shè)置有異形交錯(cuò)臺(tái)階后，沿程流速大都為單峰流速變化趨勢(shì)，但峰值流速斷面位置、溢流段后水平段流速分布變化具有差異，泄流量50 m3/s工況下，在異形交錯(cuò)臺(tái)階2、4 級(jí)方案中，溢流段后1.8～2.4 m 水平段內(nèi)流速分布變化具有差異性，分別呈穩(wěn)定變化、遞減變化特征。綜合來(lái)看，溢流面增設(shè)異形交錯(cuò)臺(tái)階，有助于減弱下游動(dòng)水勢(shì)能[7，8]，但異形交錯(cuò)臺(tái)階數(shù)過(guò)多，會(huì)影響溢流面以及下游水平段流速分布變化。

2.2 壓強(qiáng)特征

3 種典型方案下溢流段底板壓強(qiáng)分布特征，如圖6所示。

圖6 溢洪道壓強(qiáng)分布特征

從圖6（a）、（b）可以看出，溢流段底板臺(tái)階側(cè)面均出現(xiàn)了負(fù)壓現(xiàn)象且貼近交錯(cuò)面凹槽區(qū)域，而在無(wú)異形交錯(cuò)臺(tái)階時(shí)各階梯面上壓強(qiáng)隨著水流距離而遞增，水流勢(shì)能無(wú)法較好約束，各異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下相鄰異形臺(tái)階間會(huì)形成多個(gè)高壓強(qiáng)區(qū)，上級(jí)臺(tái)階的泄流裹挾、碰撞[5，9]以及交錯(cuò)臺(tái)階形成的凹槽面綜合導(dǎo)致了溢流面上的多峰高壓強(qiáng)區(qū)。結(jié)合壓強(qiáng)分布對(duì)比發(fā)現(xiàn)，異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下，泄流活動(dòng)較激烈，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)約束較強(qiáng)，對(duì)下游泄流降能有利，但應(yīng)考慮溢流臺(tái)階段過(guò)大的能量碰撞會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，故臺(tái)階材質(zhì)以及異形臺(tái)階數(shù)量均應(yīng)得到重視。

基于溢洪道壓強(qiáng)計(jì)算結(jié)果，提取獲得了沿程各斷面壓強(qiáng)變化，從壓強(qiáng)水平量值反映溢洪道泄流安全性，如圖7 所示。分析圖7 各異形臺(tái)階方案可知，無(wú)異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下，壓強(qiáng)呈遞增-遞減變化，溢流段缺乏勢(shì)能交換，在下游水平段1.8～2.4 m 內(nèi)具有較大的壓強(qiáng)水平，峰值壓強(qiáng)為1 277.5 Pa，全斷面壓強(qiáng)分布為1 109.5～1 277.5 Pa，溢流段0.6～1.8 m 壓強(qiáng)分布為1 197～1 277.5 Pa，降幅為6.3%。當(dāng)溢流面具有異形交錯(cuò)臺(tái)階后，上游水平段0～0.6 m 內(nèi)壓強(qiáng)變化與前者方案下基本一致，但在溢流段、下游水平段壓強(qiáng)分布具有差異性，異形交錯(cuò)臺(tái)階1個(gè)時(shí)，溢流段內(nèi)斷面0.4、2 m 處分別具有雙峰值壓強(qiáng)，達(dá)1 032.5、1 012.5 Pa，最大變幅可達(dá)25.4%；而在異形交錯(cuò)臺(tái)階4 個(gè)時(shí)，溢流段壓強(qiáng)呈遞減變化，全斷面降幅可達(dá)63.3%。由此可知，增設(shè)異形交錯(cuò)臺(tái)階，可提高溢流區(qū)段壓強(qiáng)變換，降低水力勢(shì)能。

圖7 溢洪道壓強(qiáng)變化特征

3 異形臺(tái)階下消能特征

溢流段直接影響著異形臺(tái)階紊動(dòng)能分布，故針對(duì)溢流段紊動(dòng)能分布現(xiàn)狀，獲得了沿程斷面紊動(dòng)能分布特征，如圖8 所示。從圖8 可以看出，不同異形臺(tái)階數(shù)量方案下，溢流段各斷面紊動(dòng)能分布變化具有相似性，均呈“穩(wěn)定-遞增”特征，紊動(dòng)能的穩(wěn)定段持續(xù)至斷面1 m 處，在異形交錯(cuò)臺(tái)階1、3、4 級(jí)下，穩(wěn)定段紊動(dòng)能分別為0.068、0.123、0.156 m2/s2，交錯(cuò)臺(tái)階1級(jí)下紊動(dòng)能分布水平最低。在溢流段靠近下游水平段區(qū)域，紊動(dòng)能均有較顯著增長(zhǎng)，異形交錯(cuò)臺(tái)階3 級(jí)時(shí)紊動(dòng)能的增長(zhǎng)為0.135～0.179 m2/s2，以異形交錯(cuò)臺(tái)階4級(jí)下增長(zhǎng)最大，紊動(dòng)能分布水平也最高，峰值紊動(dòng)能達(dá)0.23 m2/s2。相比之下，無(wú)異形交錯(cuò)臺(tái)階下沿程紊動(dòng)能全過(guò)程較小，無(wú)紊動(dòng)能遞增聚集段。分析認(rèn)為，增設(shè)異形交錯(cuò)臺(tái)階，加大了泄流體在溢流段的擾動(dòng)[2，10]，減少流體對(duì)結(jié)構(gòu)水蝕效應(yīng)。

圖8 溢洪道斷面紊動(dòng)能分布特征

各方案中不同泄流量工況下消能分布特征，詳見表1。由表1消能率等特征參數(shù)對(duì)比可知，增設(shè)異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下，消能率普遍高于無(wú)異形交錯(cuò)臺(tái)階方案，后者方案中泄流量50、100、150 m3/s 工況下消能率分別為45.5%、40.6%、34.8%。在各異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下，以異形臺(tái)階數(shù)3個(gè)時(shí)其消能率最高，泄流量50、100、150 m3/s 工況下消能率分別為66.5%、69.0%、72.8%。綜合溢流臺(tái)階設(shè)計(jì)考慮，增設(shè)異形交錯(cuò)臺(tái)階很有必要，以交錯(cuò)臺(tái)階數(shù)為3個(gè)較適中。

表1 不同泄流量工況下消能率 %

4 結(jié)論

（1）同一種異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下沿程流速變化特征一致，峰、谷值流速斷面均一致；無(wú)異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下沿程流速具有雙峰值特征，而在異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下流速峰值段集中于溢流面，下游溢流水平段流速變化具有無(wú)序性。

（2）異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下具有雙側(cè)負(fù)壓分布特征，且在溢流段泄流活動(dòng)較劇烈；無(wú)異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下的溢流段壓強(qiáng)水平較高，沿程壓強(qiáng)變幅較小，增設(shè)異形交錯(cuò)臺(tái)階后溢流段壓強(qiáng)變幅增大。

（3）無(wú)異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下沿程紊動(dòng)能變幅較小，異形交錯(cuò)臺(tái)階設(shè)計(jì)下沿程紊動(dòng)能呈穩(wěn)定-遞增變化特征，異形臺(tái)階4 級(jí)時(shí)紊動(dòng)能分布水平最高。有異形交錯(cuò)臺(tái)階方案消能率高于無(wú)異形交錯(cuò)臺(tái)階方案，后者在泄流量50、100、150 m3/s 工況下消能率為45.5%、40.6%、34.8%。

（4）從溢洪道泄流消能考慮，溢流面設(shè)計(jì)有效的異形交錯(cuò)臺(tái)階較可靠。