胸墙式泄洪闸模型试验及数值模拟优化研究

2018-06-22王月华韩晓维王自明周盛侄

水力发电 2018年3期

王月华，刘云，韩晓维，王自明，叶龙，周盛侄

(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州310016)

0 引言

泄洪闸是用以宣泄洪水并调节控制水库水位的建筑物。在满足泄洪要求下，为了减小闸底板高程，可设置较低的堰顶高程，同时又考虑挡水闸门高度不宜过大，常可设置胸墙挡水，形成胸墙式泄洪闸，其优点是可在库水位较低时泄洪、减少闸门孔数和闸门尺寸。

研究泄水建筑物主要依靠物理模型和数值模拟[1-3]，这两种方法相互依赖相互补充。刘世裕[4]通过模型试验分析了影响直角胸墙溢洪道泄流能力的因素，胸墙底缘由直角胸墙改为椭圆曲线形胸墙，可显著增加孔口的泄流能力。王敏[5]对溢洪道进口翼墙布置形式进行了试验研究，推荐圆弧翼墙，使溢洪道进口水流流态平顺，流速均匀，提高了溢洪道泄洪闸的泄流能力。罗岸等[6]通过模型试验表明孔口胸墙底缘和进口引渠翼墙形式以1/4椭圆曲线较佳。郭慧敏[7]通过水工模型试验对胸墙式泄洪闸的泄流能力及影响因素进行了分析总结。杨京广等[8]应用紊流数值模型和VOF方法对低水头大流量河床式电站大坝泄洪流场进行了三维数值模拟，结合物理模型成果计算分析了各工况下泄洪闸闸室及下游流场的流态，水面线，闸室内流速、压力分布等水力特性值。郭园等[9]采用最新CFD方法对具体工程泄洪闸水流流态进行模拟分析，详细分析了水力参数的规律性，并通过方案比较优化了吸气漩涡和脱流现象。李蕾[10]和王新雷[11]利用FLUENT软件对泄洪闸泄流进行了三维流场数值模拟，利用标准湍流数值模型得到校核工况下泄洪闸的泄流能力、水流流态、水面高程、速度场及压力场等计算结果。

本文研究的泄洪闸位于水库右岸，若水流进口体形不当，则可能造成局部流态紊乱、闸前吸气漩涡、闸底板负压和泄流能力不足等问题。因此，采用模型试验和三维数值模拟方法，对泄洪闸水流特性进行综合性分析。

1 工程概况

某除险加固工程的泄洪闸采用胸墙式泄洪闸。原设计方案是泄洪闸2孔，每孔净宽4.5 m。泄洪闸的形式既非宽顶堰式闸孔，也不是常规的实用堰式闸孔，闸底高程和消力池池底高差为6.5 m。进口导墙为直立墙，与水流方向夹角20°。胸墙厚 0.6 m，胸墙底缘是椭圆形式，孔口上部采用内凹形式。水库正常蓄水位12.6 m，设计洪水位16.5 m，校核洪水位17.5 m。平剖面布置见图1a。原设计方案存在以下问题：①进水渠左侧导墙头部存在局部绕流；②校核工况泄洪时，进口前缘存在连续吸气漩涡，大量挟气漩涡进入闸室。针对原设计方案存在的问题，对泄洪闸进行了优化设计，优化方案一是改善孔口上游的导墙形式，减小平面侧收缩的影响，二是采用流线形胸墙底缘，减小水流受胸墙影响产生的垂直收缩影响。因此优化方案闸室进口设置圆弧导墙，圆弧直径17 m。在闸孔前缘设置垂直胸墙，胸墙厚3.2 m，胸墙底缘保持椭圆形式不变。平剖面布置见图1b。

图1 泄洪闸平面和剖面示意(单位：m)

2 研究方法

2.1 物理模型

模型试验采用正态模型，按重力相似准则设计，模型比尺为1∶35。模型由水库、进口段、闸室段及消能设施段、泄洪渠段组成。模型长约18 m，宽2～11 m。泄洪闸模型用有机玻璃制作，其糙率为0.009，而原型混凝土抹面糙率为0.011～0.017，按照相似比尺计算出模型糙率为0.016，满足糙率相似要求。

2.2 数值模拟

为了得到优化方案更加详细的水力学参数，本研究采用Flow-3D软件对典型洪水工况进行数值模拟研究。采用RNGk-ε紊流模型，VOF自由液面处理方法。模型包括水库、进水渠、闸室段、消力设施段、泄洪渠段。为保证来流条件尽可能均匀，减小其对后面流场的干扰，计算流场的进口边界设在库区上游200 m处。库区入口为压力入口，即上游边界给定水位，出口同为压力出口，并设置相应的下游泄洪渠水位。固定壁面采用无滑移的壁面条件，粘性底层用标准壁面函数方法处理。

3 成果分析

3.1 进口流态

胸墙式泄洪闸泄流一般由堰流逐渐过渡到孔流，本工程泄洪闸起调水位为13.02 m，因此均为孔口出流，其泄流能力计算一般采用孔流公式，即

(1)

式中，Q为过闸水流量，m3/s；μ为孔流流量系数；B为闸孔过流总宽度，m；e为闸门开度，m；H0为闸上水头，m。

从式(1)可以看出，当闸孔净宽和开度(全开)一定时，影响过闸流量的主要因素为流量系数和闸上水头。当闸上水头一定时，进口导墙及胸墙的布置形式是影响泄洪闸泄流能力的主要因素。

原设计方案为直立导墙+内凹式胸墙，试验对其水流流态进行了观测。结果表明，进水渠整体流态不平稳，进口上游12.5 m断面平均流速约为1.7 m/s，Fr=0.17。左侧导墙有明显绕流，侧收缩明显，导墙头部绕流流速约3.0 m/s，内外水位差约0.45 m。由于采用内凹式胸墙，胸墙附近存在静态水体，当库水位升高到校核水位时，这部分水体与来流进闸水体相互作用，水面波动明显，存在连续吸气漩涡，闸前水位发生大幅度升降，水位变幅达1.5 m，从而造成闸孔前缘水流流态不稳定，进水口水流流态见图2a。

图2 进水口水流流态

胸墙式泄洪闸进口形式对流量系数的影响较为显著，为了改善带胸墙孔口的入流流态，增大孔口的泄流能力，优化后的方案为圆弧导墙+垂直导墙。试验结果表明，进水渠整体流态平稳，进口上游12.5 m断面平均流速约为1.5 m/s，Fr=0.15。左侧导墙绕流较原设计方案有明显改善，导墙头部绕流流速约1.7 m/s，内外水位差约0.3 m。闸室进口右侧导墙沿线水流平顺，导墙扩散角合理。胸墙前缘水面波动较小，胸墙前缘水面仅出现阵发性表面凹陷涡，但没有气泡随漩涡进入闸室，流态明显改善。胸墙底缘未发现脱流流态，水闸过流稳定。进水口水流流态见图2b。

3.2 泄流能力

当泄洪闸体形一定时，闸上水头是影响孔口流量系数的主要因素。图3是优化前后的泄洪闸流量系数μ与相对开度e/H0关系。由图3可知，不同开度的μ与e/H0存在较好的线性关系，流量系数随着闸上水头的增加而增加。

图3 流量系数与相对开度关系

经拟合，原设计方案的试验式为μ=-0.562 5e/H0+0.933 5，相关系数R2=0.999，适用范围是0.27≤e/H0≤0.64。优化方案的试验式为μ=-0.613 9e/H0+0.983 5，相关系数R2=0.997，适用范围为0.29≤e/H0≤0.67。

根据式(1)分别计算两种进口布置形式下泄洪闸在不同作用水头时的流量系数，结果见表1。由表1可知，进口体形对泄洪闸过流能力的影响显著，优化方案对应的流量系数较原设计方案增大3%～5%。

表1 泄洪闸流量系数

为了解优化方案的效果，采用数值模拟进一步对比分析。水闸两孔全开下泄流量与水位关系量测成果见图4。试验值和计算值非常接近，说明数值模拟结果能较好的反应物理模型实测成果。表2为校核和设计工况下泄洪闸的泄流能力。可知，泄洪闸优化方案泄流能力满足设计要求，并有一定富余。

表2 校核和设计工况泄流能力比较

图4 泄洪闸水位流量关系曲线

3.3 压力分布

为了解优化方案闸室底板曲线和消力池池前斜坡的压力分布，在闸孔中心线上布置了8个测压点(具体位置见图5)，测试校核水位下的压力分布，沿程各测点的压力分布结果见表3，表明压力计算值和实测值较为接近，闸室底板位置3有负压出现，校核工况时最大负压为0.69 m水柱，负压较小，不易发生气蚀破坏。

图5 沿程压力测点布置示意

编号测压孔桩号高程/m压力/m水柱物理模型数学模型10+08.6506.171.25 1.3920+011.006.060.07 0.1230+015.005.13-0.39 -0.6940+019.003.270.480.1050+020.882.023.44 3.0560+022.770.766.80 6.8470+024.49-0.059.19 10.0580+026.37-0.338.73 9.27