L型侧槽溢洪道进口段水力特性试验及三维数值模拟研究

叶 龙，王 斌，宋炳忠，刘 伟，王月华，王自明

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，杭州 310020；3.景宁畲族自治县水利局，浙江 景宁 323500)

0 引 言

侧槽溢洪道被广泛应用于岸坡陡峻、无适宜场地设置正堰溢洪道的水利工程，具有减小工程开挖量、降低泄洪水头等一系列优点。目前学者们已对侧槽溢洪道进行了较深入的研究，如武珂璘[1,2]对侧槽溢洪道水力计算中水面线、水流控制点以及流态的判别进行了相关研究；赖勇等[3]通过对比分析水工模型试验中侧槽溢洪道的泄流能力和水面线，验证了水力设计计算值的有效性；杨顺玉[4]通过试验优化了侧槽溢洪道调整段的布置，从而改善泄槽的水流特性。而随着计算技术迅速发展，开展复杂流场的三维数值模拟技术已经相当成熟，相对于传统物理模型试验具有减少成本投入、节约时间以及成果可视化等优点。刘发智[5]、陈振军[6]和邸宇测[7]等分别通过RNGk-ε紊流模型对侧槽溢洪道的水力特性进了三维数值模拟，验证了数值模拟的有效性；陈小威[8]通过模型试验结合数值模拟的方法分析了侧槽溢洪道的水流流态、水面线、压强、流速等内容。

但以上研究主要针对的是溢流堰单独由侧堰组成的常规侧槽溢流堰，而对由正堰和侧堰组成的L型溢流堰的相关研究较少。L型侧槽溢流堰由正堰段和侧堰段组成(如图1所示)，能有效增加堰顶过流宽度，达到抬高正常蓄水位、降低工程投资等目的。但相对常规侧槽溢流堰，L型溢洪道在正堰和侧堰两股水流的相互作用下，侧槽内水流结构也更加复杂。因此，为揭示L型侧槽溢洪道侧槽内正、侧堰水流的相互作用机理，本文运用Flow 3D三维数值模拟与物理模型试验相结合的方法，重点对L型侧槽溢洪道侧槽段水流流态、消能率、压强等水力参数开展分析，成果可为类似工程的研究提供参考。

图1 两类侧槽溢洪道布置对比图

1 工程概况

景宁某水库工程坝高90.0 m，设计洪水标准为50年一遇，校核为1 000年一遇。工程泄水建筑物采用无闸门控制的开敞式溢洪道，其进口为正堰与侧堰相结合的L型侧槽，下接控制段、调整段、泄槽，溢洪道下游采用挑流消能方式。溢流堰堰顶高程318.00 m，横断面采用WES实用堰，溢流堰总长54.0 m，其中侧堰长38.5 m，正堰长15.5 m，侧槽起始断面底宽6.0 m、末端底宽12.0 m，底坡3%，侧槽横断面为梯形，堰体侧为1∶0.65，山坡侧为1∶0.50；侧槽末端紧接长度为20.0 m、宽度12.0 m的调整段；调整段后为泄槽，采用等宽矩形断面，底宽12.0 m，底坡1∶1.40，全长90.29 m(水平长度)；陡槽末端为挑流鼻坎，出口设消能护坦，护坦中心线长度43.0 m，底宽14.0 m，底板高程232.50 m，具体工程布置见图2所示。本工程设计和校核流量分别为328 m3/s(水位320.19 m)和522 m3/s(水位320.99 m)。

图2 L型侧槽溢洪道平面与剖面示意图(高程单位：m；其他单位：cm)

2 研究方法

2.1 物理模型

物理模型采用1∶40的正态模型，按重力相似准则设计。上游库区模拟至坝轴线以上200 m附近，包括了邻近溢洪道的部分上游坝面、溢洪道侧堰及其堰前地形等；下游则模拟至溢洪道出口以下350 m附近河道，包含了泄槽段、挑流鼻坎或消力池以及护坦段等关键建筑物。

2.2 数值模拟

数值模拟采用Flow 3D三维仿真软件的RNGk-ε紊流模型，该模型已被广泛运用于水利工程的优化布置、消能防冲等的研究[9-11]，具有一定的可靠性。软件采用基于结构化矩形网格的FAVOR方法及真实的3步Tru-VOF方法，控制方程中含有体积和面积分数参数。本次模拟采用单相流体模拟水流流动，VOF自由液面处理方法，应用GMRES方法求解离散方程。控制方程包括连续性方程、动量方程、紊动能k方程、紊动能耗散率ε方程，对此已有较多介绍，文中不再赘述[12]。模型库区段模拟长度为150 m，宽度为100 m；溢洪道长度为80 m，该区域为数模计算重点研究范围，包括侧槽溢洪道侧槽段、调整段及泄槽段前端部分，并对该部分网格进行局部加密处理，最小网格尺寸为0.4 m。具体模拟范围见图3所示。模型进口及出口条件均为压力边界并设置相应水位，其中出口边界水位采用相应试验测量数据，壁面采用无滑移条件，粗糙影响程度由壁面函数确定。

图3 模型计算区域图

3 计算结果与分析

3.1 泄流能力

图4给出了模型试验测量和数值计算的泄流量值，结果表明，两者数值基本接近。数模计算校核工况下泄流能力为525.1 m3/s，设计工况为331.3 m3/s，分别较设计要求流量富余0.6%和1.0%，即溢流堰的泄流能力满足设计要求。其次，试验中发现当库水位超过321.6 m左右后，水位流量关系曲线中出现了明显的拐点，拐点以上曲线较陡，主要原因是随着库水位的上升，堰上水流逐渐趋向淹没，从而导致L型堰的流量系数反而降低。

图4 L型侧槽溢洪道泄流能力

3.2 流态及流速分布

物理模型试验表明，在各特征工况下堰前流态总体较为平稳，水流能平顺进入侧槽。在正、侧堰相交处，两股水流对冲交汇，沿45°方向进入侧槽，汇合处水面壅高明显，导致左侧边墙附近水位也有所壅高。侧堰水流进入侧槽后潜底并冲向侧槽左侧，遭对岸边墙约束后折向水面，再在正堰来流的驱动下往下游及右侧回旋，形成明显的横向漩流，水面紊动剧烈，水体掺气明显，同时使得侧堰来流更加平顺转向泄槽轴向。校核工况时堰首断面的淹没度为0.63，略高于规范要求的0.5[13]，但根据类似研究[2]及本试验观测表明，L型溢流堰出现高淹没度对过流能力影响有限，由图4可知只有当库水位高于321.6 m，溢流堰的流量系数才随水位的增高而降低，该水位已经超过校核水位320.99 m。设计工况时溢流堰为自由出流，侧槽内未出现明显的折冲水流。

数值模拟较为精确的模拟出了侧槽内的水流流态，包括正侧堰交汇处和侧槽左侧边墙附近的水位壅高、水体在侧槽内的翻滚回旋，侧槽内水流流态的对比见图5。堰顶水流流态稳定，且底部流速大于表面流速。试验对堰顶流速分布进行了测量，并同数模计算值进行比较，具体情况见表1，正侧堰交汇处附近流速最小，测点8位于侧堰与边墙的连接处，出现绕流，流速略小，其余位置流速较为接近。其中校核工况试验测得堰顶平均流速为3.78 m/s，数模计算为3.82 m/s；设计工况试验测量为3.11 m/s，数模计算为3.20 m/s。

图5 侧槽水流流态图

测点校核工况试验值计算值差值设计工况试验值计算值差值14.364.36-0.01 3.683.750.07 24.084.160.09 3.453.590.1433.353.450.10 2.973.110.14 42.252.14-0.11 1.831.80-0.0453.743.820.08 3.033.190.16 64.314.400.10 3.593.730.14 74.274.380.11 3.523.610.09 83.903.86-0.04 2.842.860.02平均3.783.820.043.113.200.09

注：测点1～3位于正堰堰顶，左中右依次设置；测点4位于正侧堰交汇处；测点5～8位于侧堰堰顶，从左至右依次设置。

侧槽中存在大尺寸的漩涡是侧槽溢洪道的显著特征，常规侧槽溢洪道中侧槽沿程漩涡尺寸都与侧槽尺寸相当[5]。而本工程L型侧槽溢洪道中，通过分析数模计算得出的各特征横断面流速分布情况可知，L型侧槽溢洪道中由于存在正堰来流的顶冲，侧槽中的漩涡尺寸在断首Y0+000.0断面较小，随后沿程逐渐发展，到侧槽末端Y0+030.0断面其尺寸与侧槽横向尺寸相当，具体如图6横断面流场分布所示。

水流进入溢流堰后出现潜底现象，由于侧堰的入流大于正堰，使得正堰潜底水流在侧槽中部位置出现抬升现象。所以，纵断面流速分布呈现为侧槽中部垂向流速增大，且底部流速明显小于表面流速，侧槽前端的水位有着不同程度的壅高。这种现象在设计工况时更为明显，具体如图6纵断面流场分布所示。

图6 特征断面流速分布情况

3.3 水面线

侧槽中水流流量沿程不断增加，为不均匀流，并且在正堰来流的作用下，使得水力设计时水面线的确定更为复杂。校核工况下，试验测量与数值计算的水面线十分吻合，水面线在侧槽段沿程变化不大，水位在319.3～319.8 m之间；而进入调整段后，水流下跌，水面线沿程递减。设计工况中由于试验侧槽内水位波动更为剧烈，左岸边墙水面波动幅度较大，为工程安全考虑试验测量时取大值，使得侧槽内试验值略大于计算值，在Y0+030.0处相差最大为0.66 m，进入调整段后两者较为接近；侧槽及调整段左岸水面线先沿程递增，在Y0+012.0处达到最大值317.7 m左右后，开始沿程递减。水面线的沿程变化具体见图7所示。

3.4 消能率

L型侧槽中正堰、侧堰水流相互作用，加大了水流的紊动和漩滚作用，并且在侧槽内形成大尺度漩涡，使得水流在进入泄槽时已完成初步消能。其消能效果一般用消能率K表示，具体公式如下：

(1)

图7 侧槽及调整段左岸水面线变化

其中：

式中：H1和H2分别为1断面和2断面的水位；V1和V2分别为1断面和2断面的流速；Z0为基准高程。

本文中以调整段底板高程310.6 m为基准高程Z0，对侧槽的消能率进行计算。设计工况水流翻滚剧烈，水流掺气明显，数模计算的消能率为28.5%，试验测量为28.8%；校核工况中侧槽内水位较高，属于淹没出流，消能效果减弱，计算消能率为9.1%，试验测量为10.3%。

表2 侧槽消能率情况

3.5 压 强

试验中为了保证溢流堰堰面的精度，采用水泥砂浆刮制而成，较难设置测压孔。为了解WES溢流堰堰面压力分布情况，根据类似项目以及相关研究[14]成果表明，Flow 3D软件对溢流堰堰面压力的计算较为可靠。因此，本次研究中采用数值计算对堰面压力进行分析，分别读取正堰和侧堰中心线上7个测点压力分布，具体测点位置见图8。结果表明溢流堰没有出现负压，正堰堰面压力大于侧堰；堰面最小压力出现在离堰顶0.5～1.5 m范围内，其中设计工况堰面最小压力为0.08 m水柱，位于

图8 溢流堰压力测点布置示意图(单位：cm)

侧堰3号测点；校核工况堰面最小压力为0.26 m水柱，位于侧堰2号测点。因此，溢流堰不易发生空蚀破坏。溢流堰沿程压力的具体分布见表3。

表3 溢流堰沿程压力分布情况表

4 结 语

本文利用Flow 3D软件对L型侧槽溢洪道进口段开展三维水流数值模拟，并结合物模试验结果进行对比分析，最终得到以下结论。

(1)数模计算结果与水工模型试验资料吻合较好,表明该软件可以应用于L型侧槽溢洪道的优化设计，且相对物模能够提供更全面的三维水动力信息。

(2)L型侧槽溢洪道中，侧槽内水流存在大尺度的横向漩涡，其尺寸从侧槽断首沿程逐渐发展，至侧槽末端与侧槽横向尺寸相当。正堰来流能加速侧槽内水流转向，使来流能够更加平顺地转向泄槽下游方向，加速进入泄槽，达到降低侧槽内水位及提高过流能力的目的。

(3)侧槽内消能作用明显，在设计工况时消能率达到29%左右；溢流堰未出现负压，且正堰的堰面压力大于侧堰。