浅析泄流水工建筑设计体型对结构水力消能影响特性研究

庾伟生

佛山市科诚工程监理有限公司 广东 佛山 528000

水利建筑在对于水资源进行调度的过程当中，泄流对于水利建筑来说是一个非常重要的环节，而泄流必然会引起一定的水力势能变化，所以泄流所产生的冲刷问题也是一个重点环节，探讨泄流水工工程建筑的设计体型跟水力消能降冲是非常的具有研究意义的。针对于不同建筑物在进行泄流过程当中的具体情况的分析，有利于帮助我们选择一个最优设计方案。有学者在研究的过程当中选择根据原型试验理论引入相似材料跟复制尺寸，建立了一个关于水工建筑物的物理化模型，并且在室内就能够完成相应的实验，以此来达到对于整体工程的设计方案的优化。除此之外，也可以通过对于已经建设好的建筑物在运营过程当中的具体情况来进行模拟，并且监测好渗流场的运行，这样更加有利于帮助工作人员探讨在不同的工况条件下以及在不同的外荷载条件影响下，溢洪道包括坝体等建筑物在进行运营的过程当中会产生怎样的特征变化，这样做也能够为建设水利工程的渗流分析提供相应的科学参考。为了能够最终确立一个最有效的设计方案，可以选择使用Fluent等渗流场计算平台来对于模型进行计算，通过不停的变换各种设计方案来研究每一个方案当中的具体结构变化特征，以此来判断出一个最合适的方案，这种研究手段对于整体工程的建设来说是非常高效的。

因此在本篇文章当中也会以淮安水利枢纽工程泄流工程的溢流面过渡段阶梯的水平坡度设计作为研究的重点问题，提出如何对整体内容进行优化，并且也设计展开了不同坡度条件下的情况分析，通过计算之后为工程选择一个最佳的方案，希望能够为整体工程建设提供相应的依据。

1 工程概况分析

因为苏北水资源分布的并不是非常的均匀，所以经常会导致一部分的工业或者是农业用水部门存在着非常严重的水资源短缺的问题，这种情况的出现是非常的不利于当地的经济发展建设的，所以为了能够有效地提升区域的水利安全性就必须要对于淮安水利枢纽工程进行提级加固处理，确保当地的水资源在进行调度的过程当中能够是安全且合理的。淮安水利枢纽工程在进行应用的过程当中，其主要的职责就是完成发电以及防洪，包括蓄水等一系列的操作。就目前来看，其主要的水利设施包含着坝体以及泄流水工程建筑和溢流孔等，每一年的发电量都能够超过10万kw.h，可以为农田灌溉提供超过300万m3的水，同时可以对于下游的农业产业进行维护，能够汇集到10万hm2的农田，根据目前的情况来看，为了能够更好的使泄洪设施以及水利调度的安全性得到有效提升，对于溢流阶梯的体型进行重新的研究以及升级是非常重要的。溢洪道所在面利用的是阶梯式的消能跟下游消能池进行混合应用的一种办法，但是目前设计阶段的坡度并没有得到确定，所以对于溢流面的过渡段进行分析，并且展开相应的研究，对于所有的方案进行对比。讨论不同阶梯式的溢流面的过渡段的具体体型并且对于不同坡度条件下的运营工况当中的渗流场的具体差异性进行相关的分析，目的就是为了能够最终选择一个最为科学的方案[1]。

2 具体的研究方法分析

为了能够确保在进行设计的过程当中其比对的计算结果的可靠性，在本篇文章当中主要会选择使用UG几何构图软件来对于阶梯式的溢流面进行建模处理。根据溢流面的研究区的具体情况设置了20级阶梯，全长是14.5m，溢流面上的过渡阶梯一共包含着八级，其他都属于均匀阶梯，尺寸控制为17.8mm×16.5mm，截流宽度4.6mm，一级阶梯的尺寸是25mm×16mm，每一个阶梯上面的溢流坝的具体高度都是控制在356mm～482.6mm之间的。在本文当中每一个计算方案都是以过渡阶梯段的水平坡度作为变动参数来设计模型，并且简化了一部分的消能坎和挡墙结构，只研究溢流面上过渡阶段和均匀阶梯之间的渗流特征，在经过对于所有的参数进行梳理之后，具体的计算模型如下图1所示。

图1 溢流面计算模型

对于所建立起来的几何模型进行分析，并且将其导入到计算机平台里面，将其划分为不同的微单元体，尤其是在对于过渡阶段的阶梯和下游的消能池局部模型进行处理的过程当中，需要对其进行加密划分。在本次研究的模型上面已经设置好了上下游，分别是速度跟压力耦合条件，其中速度出口条件使用的是自由边界模式，使其能够处在一个无滑移的条件下，而溢流面的顶部属于反向运动边界条件，其底部为零约束限制。除此之外，其他的侧壁都分布了一定的摩擦力作为约束条件，所有的方案当中都已经设置好了入口的流量是150m3/s，流速是0.25m/s。

在本次模型建设的过程当中设定了x、y、z方向分别是顺水流下游、竖直向上以及溢流面泄流水体横轴左向，本篇文章当中限制因素是阶梯的水平坡度不能够小于10度，最主要的是在本次设计的过程当中，坡度绝对不能够超过8m，所以在进行方案确定时设定的溢流面过渡段的阶梯水平坡度分别控制在了10度，20度以及30度，然后对于这三个方案进行相应的分析以及计算，探讨在过渡阶段其具体的体型参数对于最终的消能减冲所产生的影响[2]。

3 设计体型和稳定渗流场之间的关系

3.1 流态特征

通过对于每一个不同的设计方案当中的泄流建筑溢流面的具体流态进行计算之后，可以发现每一个方案当中的流态特征基本上都能够保持一致变化，过渡阶段的阶梯水平坡度对于溢流面上面的流态分布特征并不会产生非常大的影响，因此在本篇文章当中所研究的是阶梯水平坡度在20度的时候，溢流面的具体流态特征。经过研究之后发现水气二相在阶梯上面本身就具备着一定的交错特性，这主要是因为这种阶梯式的泄流方法会导致水气在进行运转的时候出现混杂的现象，而下游又设置了消能池，所以在经过消能之后，气相跟水相之间就会产生分离的现象，受到了消能坎调高所产生的影响，因此下流的水流效应就会非常的明显，出现一个局部的紊流问题。水液相在混流之后经过了翻滚的作用之后，在消能池的末端水相分布占比就会变得非常小，通过分析之后发现阶梯式溢流面非常有利于减小水力作用，进而在末端包括出水口的位置的冲刷都会有效的减小，而且最重要的一点是每一个不同的阶梯的坡度下都会出现这种特征。

根据对于不同阶梯的水平坡度方案的具体计算可以发现，如果阶梯的水平坡度控制为10度的话，那么其空腔的长度则是11.5m，当坡度为20度或者是30度的时候，其空腔的长度相较于10度的时候都有所增加，分别增加了18.3%以及37.4%，也就是说在无形当中对于坡度体型的设计参数进行了扩充，这样做是更加有利于扩大气相空腔的延伸范围的。如果从气相空腔的整体分布情况来对其进行分析，可以发现当水平坡度设置为10度的时候，一共包含着12个阶梯，而坡度是20度或者是30度的时候，其阶梯是14个或者是15个，这也表明了坡度更加有利于帮助我们去扩大水流内掺气的分布，这本身对于水气二相流的分布就具有一定的促进稳定性的作用[3]。

3.2 消力池的水深和流速的具体特征

对于溢流面的不同坡度方案条件下所展开的水力特征进行有效的计算，这样就能够获得池内断面水位上升的具体变化，这三种过渡方案在断面上，其水位变化基本上是保持一致的，从上游到下游基本上都是呈现着先增后减的现象，同时到了靠近下游出口位置的时候，水位就会出现明显的下降，因此对其进行分析可以发现，当上游受到了溢流面斜流效应所产生的影响的时候，在进入到消力池之后水位仍然是最低的一个状态，所以在每一个方案当中的水位最低都要低于池首0m的位置。而经过了上游的大流量所产生的影响，所以断面上的水位就出席不断增大的问题，在对于这三个坡度方案进行比对之后，可以发现，水平坡度设计的数值越大，那么消能池当中的水位也会呈现着递增的现象，当水平坡度控制在10度的时候，其断面水位为1.1m，但是当坡度控制在20度或者是30度的时候断面的平均水位也有所提升，分别提升了50.5%以及70.3%，这也就意味着阶梯坡度越大，那么越有利于消能池当中的水进行囤积，降低势能对于下游所产生的冲击作用。

与此同时，当我们将水平坡度设置为20度时，在其断面位置2m、4m以及8m的水位相较于池首都呈现着增长的状态，增长的幅度分别是30.8% 54.2%以及80.9%，断面位置每往前1m，水位也会显著增长8.7%左右。因此断面如果设计超过了8m，那么水位仍然是稳定降低的，其降幅可以达到5.4%，当水平坡度设置为30度的时候其池内的峰值水断面大约在5m左右的位置，相较于坡度为10度，以及20度左右的时候均有所提前，而且池首在峰值水位的断面位置平均增幅是12.5%。经过分析之后可以发现溢流面过渡段的阶梯水平越大，对于水的控制能力就会越强，所以在消力池当中对于水冲刷作用的减弱效果会更加的明显一些。

从这三个方案的水利特征计算的过程当中，我们就能够得到消力池在每一个断面上面的具体流速所产生的变化特征。经研究发现，过渡段的阶梯体型坡度越大，那么其流速就会越低，在断面5m位置坡度为10度的时候，其流速是每秒12.6m，而当整体的坡度增加到20度以及30度的时候，流速分别降低了39.2%以及70.7%。从池内断面的具体流速变化幅度来看，坡度10度下的流速控制在每秒7.24～17.4m，但是在坡度20度以及30度的时候，相较于前者来说，其差幅值是16%～67.4%以及27.6%～98.6%。另外一方面，每一个方案当中的流速整体都呈现着递减的变化，尤其在坡度30度以下的时候，其递减的幅度是非常明显的，每一个断面的平均降幅都能够达到29.5%。但是当坡度在10度以及20度的时候，其下降的均幅只有6.5%以及12.9%，所以综合以上所有的信息，不难发现，当坡度是30度的时候，不仅流速是最低的，同时受到溢流面以及消力池降冲效果也是最为明显的一个，所以这样做是非常的有利于水工建筑的安全泄洪的[4]。

4 设计体型以及紊动渗流场之间的关系

4.1 紊动能的具体特征

根据水力特征来对其进行计算就能够获得三个方案下的紊动能的具体分布特征，经过研究发现，在溢流面上进行分布的过程当中，基本上是保持一致的，每一个方案当中的紊动能都是从上游到下游不断地递增，尤其是到了中下游区域的时候，会出现最大动能，但是绝对不能够忽视的一点是，水平坡度变得越小，那么紊动能地分布分散性就会变得越来越显著，这也就导致溢流面上面的水能在进入到消能池之后，不利于对其冲击作用进行控制。

根据对于溢流面上面的紊动能进行有效的计算，就能够获得每一个阶梯的紊动能的具体变化情况，水平坡度的增长也会导致紊动能不断的增高，在阶梯为5～12级位置坡度设置为10度的方案当中，其紊动能为0.28㎡，当坡度设置为20度和30度的时候，相较于10度时，其紊动能分别增加了2.86倍以及8.20倍，每一个方案当中，在对于紊动能进行探究的时候，其差异性都是体现在过渡段的阶梯上面。在进水口的位置紊动能基本上都是一致，然后从上游到下游逐渐呈现着递增的趋势，尤其是在过渡段阶梯之后，这三个方案当中的紊动能都出现了一定的增长，特别是坡度为30度方案下的增长趋势是最为明显的，在13级到第20级的阶梯当中，该坡度方案的增幅甚至能够达到10.5%，而坡度控制在10度和20度的时候，其平均增幅是6.3%以及8.4%，所以紊动能增长效果以及量值变得越大的时候，对于水流的作用反而是最好的，能够有效地对于水流进行扰动，降低水流的冲击势能。

4.2 消能率

根据对于最终的三个方案进行消能率方面的计算可以发现，在溢流面的阶梯体型水平坡度在10度的时候，消能率是50.56%，而坡度为20的时候是56.82%，坡度为30度的时候是60.28%，也就是说坡度越大，那么消能率也会越大。溢流面的过渡阶梯水平的坡度每增大10度，消能率就可以增长4.86%，综合对于三个方案进行分析，最终发现选择水平坡度为30度的时候，对于泄流建筑的降能效果是最为有利的[5]。

5 结论与研究

①过渡段的阶梯体型的水平坡度对于溢流面的流态分布影响是非常的小的，但是如果我们增大了阶梯的坡度，那么是有利于提升气相空腔的分布范围的，当坡度在20度以及30度的时候，其空腔分布的长度相较于10度的时候分别增大了18.3%以及37.4%。

②经过研究发现，坡度越小，其紊动能在分布的过程当中就会变得越来越分散，而且紊动能也会变得非常的低，在坡度为20度以及30度的时候，平均紊动能相较于10度的时候分别增高了2.86倍以及8.02倍，在对于所有的数据进行综合性的分析之后，认为当水平坡度为30度的时候，水工建筑的降能效果是最为显著的，所以设定坡度为30度是最佳方案。