基于Fluent的某水库溢洪道消能结构设计分析研究

2022-01-26刘菊莲

水利技术监督 2022年1期

刘菊莲

(惠州市白盆珠水库工程管理局，广东惠东 516341)

水工建筑物设计时考虑其消能水平对提升水利设施运营安全性具有重要意义[1-2]，特别是对于溢洪道等泄流水工建筑物，研究消能结构设计参数具有重要作用。张笮娜等[3]、姜勇志等[4]、李鹤等[5]根据水工模型试验理论，按照原型材料复制比尺，设计有溢洪道、消能池等泄流建筑模型试验，通过开展不同设计方案的泄流试验，可获得水工模型渗流特征与消能结构设计参数间关系，为评价工程最优设计方案提供依据。当然，也有一些专家认为水工结构不仅仅需要考虑渗流或水力特征，同样需要考虑其静、动力特性[6-7]，因此利用Abaqus、ANSYS等数值仿真软件研究了包括有拦污栅、泄洪闸等结构的应力、位移响应特征，进一步完善了工程设计优化的参考依据。消能结构作为泄流设施中重要部分，其水力特征是反映工程运营可靠性的关键，利用Fluent等仿真计算平台可针对性分析消能池、溢洪道及泄洪设施的渗流、水力特征变化[8-10]，为工程设计提供重要佐证。本文根据某水库溢洪道设计方案，对其开展消能结构设计参数对溢洪道水力特征影响性分析，为工程建设提供计算参照。

1 工程仿真

1.1 工程概况

该水库位于东江干流上游，承担着防洪、供水水利功能，同时具备发电及生态环境补偿功能。水库总集水面积超过800km2，担负惠州市的防洪重任。该库区是广东省严重的水土流失地区之一，根据普查，库区水土流失面积7810hm2，每年土壤流失入库约17.45万t。作为地区内重要水利枢纽，水库为地区水利安全、水资源调度等发挥着重要作用，而这些功能均与水库各水工设施密不可分，包括防洪大坝、泄洪闸及溢洪道等水工建筑。该水库作为东江地区重要蓄洪枢纽，其泄流面积、汛限水位、应急供水及最小流量特征面如图1所示。其中防洪大坝顶高度为23.5m，宽度为3.2m，采用混凝土重力式大坝设计形式，在坝身处设置有防渗面板，其分布范围涉及坝趾至正常蓄水位水面线处，表面铺设有土工防渗系统，有效降低坝身内渗流活动，传感器监测表明坝体内最大渗透坡降仅为0.23，渗流活动较平静。泄洪闸作为该水库重要泄流及水资源调度枢纽，其最大泄流量设计为1350m3/s，闸室底板厚度为1.2m，多孔式泄流设计，单孔净宽为2.6m，其闸门采用平面钢闸门结构，配备有相应的压杆支撑体系，有限元仿真表明闸门结构最大拉应力不超过1.4MPa，且拉应力主要集中在背水侧，而动力作用下计算表明闸门位移、加速度响应值均较低，满足安全设计要求。为降低闸门受静水压力与动水压力影响，泄洪闸建设有防浪墙与消能挡墙，墙高度分别为2.2、2.8m，该水工消能设施经渗流计算表明，最大消能率可达56.6%，此与消能墙有效高度对水流限制有关。另一方面，溢洪道与下游消能池构成了消能防冲主要水利设施，堰顶高程为21.5m，溢流面具有多阶梯式截面，过渡段阶梯共有12个，消能池内坎高为0.6～1.2m，Flunet计算表明消能池水流局部会出现涡流、回旋等现象，紊流活动较强。为确保泄洪闸溢流活动稳定性，在下游消能降冲水工设施中设计有消能坎，坎高为0.6～1m，有效降低上游水力冲刷效应，作为溢洪道重要消能结构，其设计参数与消能效果具有显著关联性，故应对溢洪道消能结构进行设计分析，为工程建设提供最优化参数。

图1 水库泄流特征水位

1.2 工程建模

基于水库工程设计，采用Gambit建模平台建立溢洪道几何模型，如图2所示。该模型包括有溢洪道消力池、消能挑坎结构、阶梯式溢流面、进水段等，各部分高程按照实际工程设定，全比例为1/1，设定堰顶、底高程差为6.5m，模型中所有构件均采用Gambit中六面体单元构建[11-12]。

图2 溢洪道几何模型

在几何模型基础上利用Fluent CFD工具进行网格划分，网格大小设定为0.5，局部消能结构处加密划分，共获得微单元体2963622个，节点数1982654个，划分后模型如图3所示。模型中消能结构为壁面对称式状态，底部边界为全约束条件，进水段设置有水气二相端口，即为自由出流状态，出口段为压强单端口。

图3 溢洪道有限元模型

模型研究工况下流量设定为160、240m3/s，并与水工模型试验结果相对比，其试验与计算流态特征如图4所示。从Gambit-Fluent计算结果与水工模型试验结果对比可知，在溢洪道颈缩段流态特征基本一致，均匀性较佳，颈缩段水流受截面横向尺寸变化，导致流态出现折向，此与数学模型计算结果一致，表明本文所建立模型精度及可靠度均合理。

图4 试验与计算流态特征

2 挑坎尺寸对水力特征影响分析

根据对溢洪道消能结果建模分析可知，消能挑坎尺寸参数具有优化空间，选择最适配参数具有重要意义。本文根据消能坎为弧形截面，探讨其半径参数对水力特征影响，根据消能池内坎高0.6～1.2m，确定挑坎半径为坎高的5～8倍，设定为3、5、7、9m，此参数设定为挑坎弧形截面的半径尺寸。每个设计方案仅改变单一变量因素，研究在流量200m3/s下水力特征变化。

2.1 水位特征

水位特征是反映溢洪道消能结构中重要参数，本文重点研究溢洪道进、出水口各断面上水位变化趋势，不同研究方案下流量200m3/s时池中部水位变化特征如图5所示。从图5中可知，各挑坎尺寸方案中溢洪道断面水位变化基本一致，即改变挑坎尺寸，并不影响溢洪道各断面上水位变化趋势，各方案中阶梯式溢流面水位降幅最显著，半径3m时在阶梯式溢流面15～45m区间内水位降幅达18%，而半径5、9m在该区间内降幅同样达22.7%、27.1%。对比各方案中水位变化差异可知，当半径愈大，则在溢流面后期水位降幅愈大，表明挑坎半径愈大，可限制溢流面下游水位波幅，降低水力势能，从而达到消能减势作用。半径愈大，不仅仅是溢流面下游，在整体各断面上水位降低，半径3m时各断面上平均水位为29.6m，而半径5、7、9m下平均水位较前者分别减少了5.1%、10.1%、12.6%，各断面上水位最大差距主要体现在溢流面及其下游消能结构处，而在溢流面进口段各方案中水位基本一致，由此可知，改变挑坎半径尺寸参数，会影响阶梯式溢流面及其下游消能池水力势能；4个方案中挑坎半径7m时从溢流平台断面65m至出水段，水位降幅处于较理想状态，而半径9m方案在该区间断面内具有局部的波幅，综合认为挑坎半径7m下的断面水位分布更为合理。

图5 挑坎半径影响下各断面水位变化特征

2.2 压力特征

根据对水力特征计算，获得各方案在溢洪道各断面上压强分布特征，如图6所示。从图6中可知，当挑坎半径参数愈大，则各断面上压强分布愈小，特别是在断面30m后，压强分布出现显著差异，半径3m在断面30～50m区间上平均压强为496.6kPa，而半径5、9m下同一区间断面上平均压强较前者减少了18.3%、67.5%；当挑坎弧面半径增大，接触水力作用截面增大，进而对水利势能的抑制效应愈强，故压强愈低，从挑坎消能设计方面考虑，应选择较高的挑坎弧面半径值。对比半径7m与9m方案中压强变化特征可知，半径9m方案中在断面50m后期压强处于较大波幅状态，最大波幅可达1.5倍，而半径7m方案中该区间压强增幅稳定不变，维持在5.4%左右，笔者认为压强的波幅与消能结构对水流的束缚作用影响有关，过大的水力束缚引起了涡流的产生，从而导致该区间断面上具有压强波动[13-14]。综合压强特征与其消能稳定性可知，选择挑坎半径7m时不仅有利于压强在消能结构处稳定性，其对水力势能削弱作用亦较强，且与水位特征下选择该方案具有一致性。

图6 挑坎半径影响下各断面压强变化特征

3 挑坎角度对水力特征影响分析

3.1 水位特征

根据对不同挑坎角度方案下溢洪道各断面水位特征分析，获得挑坎角度影响下各断面水位变化特征，如图7所示。从溢洪道各断面上水位对比来看，以挑坎角度较低的方案中水位更低，而挑坎角度较高的方案，如角度24°、27°中水位整体高于低角度方案，在挑坎角度18°、21°中平均水位分别为19.97、21.4m，而在挑坎角度24°、27°中溢洪道平均水位较18°时分别增长了17.4%、39.9%。各挑坎角度方案在溢流面平台及下游消能池断面上水位差幅最为显著，即改变挑坎角度，有助于控制溢流面及消能池内水位变化，且应控制消能坎角度在低水平，此时消能池内水位不易引起过大的卷流效应，进而可使下游水流趋于平衡。从选择最适配溢洪道消能结构的挑坎角度分析，挑坎角度18°、21°更利于工程运营，但角度18°时在溢流平台断面45～70m上水位波动最大幅度超过10%，而且在消能池上水位虽整体为递减，但降幅过程波动性较大，表明该断面上流态波动性及折流特征明显，不利于长期泄流运营。因而，笔者认为应选择21°为消能结构挑坎角度。

图7 挑坎角度影响下各断面水位变化特征

3.2 压强特征

同理计算获得各挑坎角度研究方案中断面上压强变化特征，如图8所示。根据压强变化可知，挑坎角度与断面压强具有正相关关系，角度18°时溢洪道断面平均压强为177.7kPa，最大、最低压强分别位于断面57、33m，而当角度每增大3°后，断面平均压强可增长23.1%，但最大、最低压强所在断面位置并未发生变化，即增大挑坎角度，仅影响压强特征值，不影响其峰、谷压强分布位置。从控制压强特征值考虑，压强过高不利于溢流面稳定，选择低挑坎角度具有设计优势[15-16]。分析压强变化特征可知，在溢洪道进水端，各方案中压强均为递减，但以角度21°、24°下降幅稳定性更好，而角度18°、27°下波动较大，特别是在进入阶梯式溢流面后，此两方案中压强变幅最大超过20%、36.3%。在溢洪道下游及消能池内中，各挑坎角度方案下的压强变化具有一致性，但整体上以角度18°、21°时压强水平最低，两方案在断面33～54mm上平均压强分别为94.2kPa、147.95kPa，角度18°时在消能结构处断面63～80m具有波幅24.6%～68.5%，而角度21°时压强变化具有瞬时性与连贯性。综合压强与水位特征，本文认为挑坎角度21°时水工建筑消能效果最显著，流态控制及水位变化较为合理，乃为最佳方案。