新疆某水库溢洪洞水力特性的试验研究与数值模拟

2020-07-07张耀哲安梦雄卢洋亮

水利与建筑工程学报 2020年3期

田铮，张耀哲，安梦雄，卢洋亮

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

溢洪洞是一种在水利工程中经常应用的泄水建筑物，多由导流隧洞改建而成，以节省建设成本，纵剖面上采用“龙抬头”、“龙弯腰”或“龙落尾”等型式，开敞式进口，后衔接隧洞，具有高水头和大流速等特点，在泄洪过程中常发生脉动、振动、空化、空蚀及雾化等不利的水力学问题。国内外学者针对溢洪洞开展了诸多研究。王利等[1]对去学水电站泄洪洞进行水力特性研究，提出了“等流速”明流泄洪洞底坡计算公式。张学琴等[2]采用水工模型试验方法，针对小浪底水利枢纽龙抬头式泄洪洞高速水流产生的水力学问题进行试验研究。姜攀等[3]研究了不同库水位条件下有压泄洪洞洞身转弯段压力特性，并进行试验验证。刘嘉夫等[4]采用FLOW-3D软件对青海省某水电站龙抬头泄洪洞工程进行三维数值模拟研究，得到各部位水力参数，与试验实测结果吻合良好。邓建伟等[5]通过试验研究提出了适合龙抬头式泄洪洞导泄“二合一”隧洞出口消能工体型。

针对溢洪洞的研究成果众多，方法比较成熟，但研究从初期针对某一特定部位[2-3,6]到开展整体水力特性研究[4-5，7]，研究对象多以导流洞改建的有压隧洞为主，除龙抬头段坡度变化外其他部位坡度平缓，且隧洞断面不存在较大的收缩变化；对开敞式进口，存在大陡坡结构及断面收缩变化的明流溢洪洞研究较少。由于工程实际情况千差万别，既有相似性，又有独特性，不能完全照搬工程经验。本文以新疆某水库溢洪洞原设计方案为研究对象，结合模型试验与数值模拟方法，重点针对溢洪洞进口段、斜井段、反弧段及洞身段等部位水流流态、时均压强、水流流速等进行全面分析研究，提出优化体型，改善消能防冲措施，为实际工程设计提供指导。

1 工程概况

新疆某水库工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，总库容2 488.1万m3。工程由拦河坝、表孔溢洪洞、导流兼深孔泄洪洞及灌溉放水洞等组成，拦河坝为沥青混凝土心墙坝，坝高111 m，表孔溢洪洞布置在左岸，采用有闸门控制的开敞式进口，由引渠段、控制段、渐变段、斜井段、反弧段、洞身段、泄槽段、鼻坎段及护坦等部分组成，全长399.385 m。控制段进口底板高程1 474.50 m，闸顶高程同坝顶高程1 487.50 m，堰型为WES实用堰、3孔，单孔堰宽5.0 m、堰顶高程1 477.50 m；渐变段坡度1∶1.5，断面形式由16.734 m×10.000 m(宽×高)的矩形洞断面渐变为8 m×8 m(宽×高)的城门洞形；斜井段坡度1∶1.5，断面形式为8 m×8 m的城门洞形，末端接半径60 m的反圆弧；洞身段及泄槽段纵坡1∶20，洞身段断面形式同斜井段，泄槽段长10.0 m，底宽8.0 m，为整体式U型框；出口挑流鼻坎段长15 m，鼻坎宽8.0 m，反弧半径为35.0 m，具体工程布置见图1，典型断面尺寸图见图2。

图1 表孔溢洪洞平面及纵剖面示意图(高程及桩号单位：m)

图2 表孔溢洪洞典型断面尺寸图(尺寸单位：mm)

2 研究方法

2.1 物理模型

依据水利部《水工(常规)模型试验规程》[8](SL 155—2012)中的标准与方法，按照重力相似准则设计[9]。按照试验任务要求，在综合考虑试验场地及试验设备供水能力基础上，物理模型采用1∶50的正态模型。上游库区按照表孔溢洪洞中心线方向，自进口向上至对面山坡，长度约200 m，库区河道纵向长度约260 m；下游河道从导流兼深孔泄洪洞出口挑坎末端向下游270 m。模型流量比尺Qr=Lr5/2=17677.7，流速和时间比尺Vr=Tr=Lr1/2=7.071，糙率比尺Nr=Lr1/6=1.919。模型材料采用有机玻璃以便于流态观察，满足糙率相似，为便于测量数据，模型不设置顶盖，边墙高度同洞顶高度。地形高程用水准仪控制，建筑物用经纬仪和水准仪控制。库区地貌、下游河道表面采用水泥砂浆抹面，制作模型地形时采用断面法，断面间距取30 m，对地形变化复杂处增加断面处理，采用测压管测量时均压力，三角量水堰测量流量。

2.2 数值模拟

基于FLOW-3D软件进行三维数值模拟，采用RNGk-ε湍流模型来模拟水流流动，该模型在泄水建筑物的流场模拟等研究中被广泛应用[10-13]，具有一定的可靠性；VOF模型能精准跟踪自由表面，适用于水工建筑物内水流流动[14-16]。软件网格划分采用结构化矩形网格，以控制段进口中点为xy平面零点，设置z坐标为进口高程1 474.50 m，x正方向与水流流动方向一致，z正方向沿高程向上，网格单元尺寸x方向采用1 m，y、z方向为0.5 m，网格数量约为750万个。模型以校核工况为算例，进口采用压力边界进口并设置水位为1 486.55 m(校核水位)，出口边界采用自由出流，上部进口采用对称边界，左右及底部采用壁面边界，壁面边界采用无滑移边界条件。

3 计算结果与分析

3.1 泄流能力

根据设计洪水标准，土石坝校核洪水重现期为2 000年一遇，相应洪峰流量为975 m3/s，其中表孔溢洪洞最大泄流量为746 m3/s，特殊工况为假定仅依靠表孔溢洪洞畅泄校核洪水，最大泄流量879 m3/s。为验证溢洪洞泄流能力是否满足设计要求，通过模型试验进行流量率定，得到了表孔溢洪洞3孔全开库水位-流量关系曲线，结果见图3。结果表明，特殊虚拟工况与校核工况的下泄流量满足设计要求，相较于设计值分别有5.72%和4.29%的富余量，能够满足安全下泄水库上游对应频率洪水的要求。

图3 表孔溢洪洞3孔全开库水位-流量关系曲线图

3.2 水流流态

试验对表孔溢洪洞3孔全开流态进行观察，进口水流顺畅，校核洪水位时引渠段两侧边墙存在较弱的绕流漩涡，但对溢洪洞过流没有影响，堰面水面平稳，水面光滑，流态较好，过堰水流受闸门体型影响，在墩后形成明显水翅，同时水流受控制段两侧边墙收缩及渐变段向斜井段断面形式改变等影响，边壁水翅和折冲水流在斜井段交汇形成强烈的交汇水翅，并伴有大量溅水，交汇水翅逐步扩散，又形成边壁水翅，如此的折冲水流从交汇到扩散有规律地向下游传播，强度沿程减弱。洞身段水面平顺，无较大波动，水流经挑流鼻坎挑射入下游河道，由于鼻坎为连续坎且水流流速大，水舌集中，对下游河道冲刷强烈，冲坑较深。校核工况下测试断面处水深分布见表1。

表1 测试断面处水深

数值模拟较为准确的模拟出了表孔溢洪洞内的水流流态，但鉴于墩后水翅、边壁水翅较薄，相对于网格单元尺寸太小，难以精准捕捉，溢洪洞各段水流流态见图4。

图4 表孔溢洪洞水流流态示意图

3.3 底板压强分布

校核洪水位工况，表孔溢洪洞底板中心线上压强分布见图5，溢流堰堰面压强分布存在小范围的负压，其最小值只有-0.611×9.8 kPa，在规范允许范围内，可判断堰面体型合理。在反弧段及挑坎段存在较大压强，最大压强出现在反弧段中段，其值为15.997×9.8 kPa，说明斜井下泄水流冲击强烈，试验值与计算值压强比较见图5，可以看出计算值与试验值基本吻合。

图5 底板中心线压强分布图

3.4 水深分布

溢洪洞中心线水深沿程分布见图6。

图6 底板中心线水深分布图

由图6可见水面线在斜井段因交汇水翅存在较大波动，流态不理想，整个沿程水面高度未超过洞顶，洞身段水深相对稳定，计算值大部分与试验值吻合良好，误差原因可能在于水面波动与破碎，测量水深偏高。

3.5 流速

流速是影响溢洪洞是否产生空化空蚀的重要依据，重点关注表孔溢洪洞内水流流速，由于控制段到反弧段比降陡，水流从过堰时低流速迅速沿程增加，到反弧段起点时，模型试验测量底流速为30.87 m/s，属于高速水流区间，易引起空蚀破坏，对表孔溢洪洞沿程流速进行测量，并与数值模拟计算值比较，结果详见表2。从表中可以看出，二者拟合情况大部分基本相近，最大误差出现在桩号0+113.902 m处，为反弧段末端，可能由于此处水流冲击，水流紊动大，流速波动大的原因；可以看出反弧段后水流流速基本处于高速状态，需要考虑掺气减蚀。

表2 溢洪洞近底流速沿程分布

3.6 原设计结果小结

水工模型试验表明，表孔溢洪洞进出口平面位置布置合理，泄流能力满足要求，但因为存在体型断面变化，造成渐变段及斜井段存在较强水翅及折冲水流，对泄水建筑物极为不利，需要进行体型的调整。数模计算结果与水工模型试验资料基本吻合，由于流场存在水翅及折冲水流，造成二者存在一定的误差，软件可应用于表孔溢洪洞的优化设计。

4 体型优化研究

由试验结果知：原设计方案过堰水流由于受控制段边墙收缩，形成边壁水翅，并于渐变段得到叠加而形成强烈的交汇水翅，逐步扩散又形成边壁水翅，强度沿程减弱；出口挑射水舌由于鼻坎体型，存在落点靠近左岸岸坡，扩散不充分，集中冲坑明显等问题。

针对以上问题确定原设计体型优化原则为：(1) 尽可能让过堰水流平顺与下游衔接，降低折冲水流及交汇水翅强度；(2) 尽可能使挑流水舌远离岸坡，落点于河道中间，并在空间上实现扩散，降低集中水舌造成的冲坑深度。

优化措施：(1) 在控制端后设置一定长度的缓坡调整段，使渐缩水流尽可能在缓坡距离内进行流态调整，降低折冲波强度，使下泄水流流态平顺，避免高速水流出现折冲波，提高体型抗空化能力；(2) 挑流鼻坎左岸边墙向河道偏转，将水舌导向河道中心方向，为实现水流横向扩散效果，考虑去掉右岸边墙并斜切鼻坎。

对比不同方案，最终采用推荐为：渐变段后设置40 m长度的调整段，通过渥曲面段和斜井段与原洞身段相接，渐变段与调整段纵坡采用1/20；为充分向下游挑流，挑坎半径保持不变，弧长加长，挑射角增加，左边墙向河道方向偏移1.5 m，去掉右边墙，对挑坎出口斜切，水舌右边挑射距离缩短。对推荐体型进行模型试验，以校核工况为例，将水流流态、水面线及水舌与原设计对比分析，分析结果如下。