某水库台阶式溢洪道泄流水力特性研究

2017-05-12洪琛

湖南水利水电 2017年2期

关键词：台阶式流态溢洪道

洪琛

（辽宁省汤河水库管理局辽阳市 111000）

某水库台阶式溢洪道泄流水力特性研究

洪琛

（辽宁省汤河水库管理局辽阳市 111000）

随着碾压混凝土坝设计、施工技术的不断发展和完善，以及计算机运算性能的不断增强，其在流体力学的计算应用也在快速普及，数值模拟技术已经逐渐成为水库台阶溢洪道水力特性的模拟研究的主要方法，促进了台阶溢洪道的实践应用，而对台阶溢洪道泄流水力特性的实践研究也就具有十分具有重要的意义。

台阶溢洪道水库泄流数值模拟水力特性

水是自然界最丰富的能源，其通过技术手段可转化为生活所必须的电能。水能资源的合适利用与水利工程的运行状况密切相关，因此水利工程的科学研究和合理设计就显得尤为重要。世界范围内每年依旧有很多水利工程处于危险状态，一旦这些大库、高坝出现决口或溃坝现象，这将给社会经济和国民生活带来不可估量的破坏和损失。

在传统水利工程中，为设计消除水流过坝时的能量，水库溢洪道普遍采用光面设计。随着时代的进步，实践证明溢洪道采用光面设计已经无法满足水利工程设计运行所需的逐步提升的消能要求。在此应用背景下，台阶溢洪道进入了水利科研重点方向，与光面设计相比其更加适应时代的发展和满足水利工程的实际需求[1]。水库溢洪道采用台阶式设计，可以有效降低溢洪道水流流出时的流速，实现了减小下游消能设施规模的目标。

1 工程概况

某水库总库容约为231万m3，其洪水位经校核约为1 417 m，工程设计中设的计洪水位为1 413 m。该水库的工程规模属于Ⅳ等小型，工程的枢纽布置包括混凝土重力坝、上坝公路及输水管线等水利工程的重要结构。

水库的大坝设计的坝顶高程为1 440 m，工程最大坝高设计为45 m。大坝设计选址时考虑“V”型河谷为标准，根据工程实际，其主体坝体结构设计为对称建设。坝体的中间部分属于河床溢流段，满足了坝体流水需要；坝体的两边设计为非溢流坝段，分别为左岸及右岸非溢流坝段。该水库的坝体泄洪洞设计结构包括进水塔、洞身段、斜洞段及消力池四个重要部分。

2 台阶溢洪道数值模型

2.1 建立模型

通过CAD建立该水库台阶溢洪道的模型。设计三维模型的台阶溢洪道水流水头的设计值和校核值分别为37.1 m和38.9 m，设计台阶溢洪道的标准长为38.1 m，宽为29.1 m。

三维模型需要进行计算网格的划分，其由CAD建模且导入前处理器ICEM处理，并需要设置设计系统的边界条件。为了满足台阶溢洪道的模型计算，采用ICEM中的四面体网格划分，网格间距设定为0.8 m，且对溢洪道模型的台阶处网格进行加密处理，其台阶处网格总加密层数设定为4层，且采用逐层加密方式。台阶溢洪道的边壁和台阶模型经网格划分如图1所示。

图1 计算区域及网格示意图

2.2 边界条件及参数

水库台阶溢洪道的模型计算选择采用标准k—ε两方程紊流模型，采用离散化控制方程的方法为有限体积法[2]。模型计算设定的边界条件包括：①模型计算进口边界条件，根据实际情况设定采用溢洪道水流进口压力，采用标准k—ε模型，进口边界k和ε值的给定会影响计算模型的收敛速度，相应缺少的计算参数需要以默认值为标准进行计算； ②模型计算出口边界条件，出口边界设定为压力出口，其他相应缺少的计算参数需要以默认值为标准进行计算；③模型计算壁面边界条件，壁面的相关参数采用设置为WALL默认值，溢洪道壁面边界设定了无滑移状态速度，近壁区域的计算值通过壁面函数法进行设计整定；④自由水面条件：自由水面的追踪设定采用VOF法，且由于建模的限制，计算模型设定为定常流模型。

对设计洪水和校核洪水的两种工况进行建模模拟。模型计算的收敛依据设定为溢洪道进出口流量差值，且进行收敛判断需结合设定系统的残差图进行。该台阶溢洪道模型进出口计算流量对比如附表所示。

附表溢洪道进出口计算流量对比

3 计算结果对比分析

3.1 流态及水面线

目前台阶溢洪道的水流流态一般可分为三种，分别为跌落、滑行和过渡水流[3]。跌落水流一般指流到的台阶溢洪道的水流在跌落中变现为水流的不连续，水流流态明显表现为水跃。滑行水流是指台阶上的水流的状态根据不同位置发生不同反应，台阶的水流发生漩涡反应，而主流流过台阶依旧流向下游。过渡水流则是介于跌落水流和滑行水流之间的水流状态。不同工况下台阶溢洪道中剖面水流流态如图2所示。分析图2可知台阶溢洪道水流会发生水流分层，且分层现象较为明显，台阶内部水流会产生漩涡，且已以顺时针为水流旋转方向，主流的流动位置主要处于两个台阶凸角连线的虚拟面，因此根据该图推断该水库台阶溢洪道的水流流态属于滑行水流。

图2 不同工况下台阶溢洪道中剖面水流流态的对比

台阶溢洪道的水流处于高速下泄状态，水流会发生剧烈的雾化现象，该现象水工模型试验中一般不会发生。台阶溢洪道数值模拟，系统在设计工况下台阶溢洪道水流的原型试验，模拟中设定的水流掺气量相对较多，且其水流深处掺气现象更为严重[4]。图3分别为该台阶溢洪道建模校核和设计洪水下不同掺气工况的水面线与模型试验数据的对比结果，分析洪水工况下上游河道段和WES曲线段可知，其实测水面与掺气50%的水面基本保持一致，但台阶段的掺气浓度的水面线与模型试验数据分析与规律不一致。

3.2 压强分布

该水库台阶式溢洪道校核洪水工况下剖面的压力分布云和压力分布图如图4（a）、（b）所示。对图分析可知该水库台阶区域普遍存在负压现象，其主要发生于台阶竖面的上部区域处，且负压区域的分布与台阶位置相关，随着台阶位置的下降，其负压现象也相应逐渐变小，最低处台阶负压现象甚至消失。对水库台阶式溢洪道进行数值模拟，可清晰观察到负压不同分布以及分布程度规律，展现了数值模拟的优势[5]。其可帮助工作者清晰认知负压现象，熟悉其分布和程度，最终为水库台阶式溢洪道的设计实践提供理论基础，实现台阶负压预测及预防水流空蚀现象发生。

图3 校核和设计洪水工况下提取掺气水面线与模型试验数据

图4 溢洪道中剖面的压力分布云图和压力分布等值线图

3.3 流速矢量分布

该水库台阶式溢洪道设计和校核工况下剖面处水流的速度矢量图如图5的（a）、（b）所示。台阶溢洪道水流会发生水流分层，台阶内部水流会产生漩涡，以顺时针为水流旋转方向，且位于漩涡中心的水流流速最小。对图分析可知漩涡处水流流速由中心向四周逐渐增大。漩涡的产生使水流大量掺气，在台阶式溢洪道实践中实现了水流流动消能防冲的目的。