宽尾墩在溢洪道挑射水流中的优化应用研究

刘 卓，赵 慧

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

宽尾墩通过缩窄出口宽度并改变出射水流方向，使下泄水流由相对均匀的二元水舌转变为竖向扩展且横向收缩的三元水舌，使流态发生实质性的改变，具有更高的消能效率。宽尾墩消能工为我国首创，经过多年发展已在我国水利工程中得到广泛的应用，诸多学者对其进行了研究。阮小蓉[1]通过试验研究了宽尾墩在溢流面的位置及收缩比对水流的影响。谢省宗等[2]基于安康水电站研究了宽尾墩消力池联合消能工的消能激励及其水力计算方法。吴建平等[3]通过室内试验从波浪、紊动、边界压力脉动等方面研究了低弗劳德数宽尾墩水跃的消能特性。甘惠麒等[4]基于巴江口水电站溢流坝消能工的模型试验表明宽尾墩与戽式消力池联合消能可有效提高消能效果。倪汉根等[5]结合白石水库溢流堰进行了平尾墩及不同类型宽尾墩的挑流消能模型对比试验，研究表明宽尾墩比平尾墩在挑流消能中的消能效率高20%～40%。姬春利等[6]针对沙沱水电站研究了宽尾墩+台阶消能+消力池的水力特性，得到了较为显著的联合消能效果。杨涛等[7]通过模型试验研究了在岸边溢洪道中宽尾墩-消力池联合消能的水力特性。羊绍波[8]基于Fluent 软件研究了收缩墩与跌坎消力池联合消能在小型溢洪道中的应用。

宽尾墩在溢洪道挑流消能中的数值模拟研究较少，本文将以埃塞俄比亚某水利工程的岸边溢洪道为研究对象，基于Flow-3D 对宽尾墩在溢洪道挑流消能中的水力特性进行数值模拟分析，以保证工程的长期稳定运行。

1 工程概况

埃塞俄比亚某供水工程为永久大（2）型工程，在大坝右岸布置了溢洪道，泄流净宽度63 m，堰顶高程1810.80 m。上游为引水渠，长约45 m，控制段长11.6 m，下接泄水槽，泄水槽长度65 m，坡度i=36.4%，然后接挑流底坎，消能方式为挑流消能。原方案挑坎边墙为顺直型式，如图1所示。

图1 原方案挑坎边墙平面示意

根据现场勘探结果及开挖情况可知，冲坑附近两岸边坡岩性为强风化石灰岩及页岩，强度较低，且遇水容易崩解。为保证两侧边坡的安全稳定，采取的支护措施如下：①钢筋混凝土护坡板，厚400 mm，混凝土强度C30；②锚杆直径25 mm，长度3.5 m，间隔3 m 交错布置；③钢丝网喷混凝土，厚度100 mm；④PVC 排水管直径45 mm，长度为1 m，间隔3 m 交错布置。

2 数值模型建立

2.1 基本控制方程

本计算采用Flow-3D 软件进行分析。Flow-3D软件是由美国Flow Science 公司研发的应用于建立流体运动及热传导模型的计算流体力学软件。本计算采用k-ε作为基本控制方程。

连续性方程为：

动量方程为：

k方程为：

ε方程为：

模型求解采用有限差分法，离散格式采用二阶迎风格式，压力-速度耦合采用压力校正法，时间差分采用全隐格式。

2.2 网格划分与边界条件设定

本次数值模拟计算区域主要包括溢洪道上游引水渠、控制段、泄槽段、挑坎段及尾水渠，计算模型按照比例尺1∶1建立。网格划分采用笛卡儿正交结构网格，网格大小采用0.5 m×0.5 m×0.5 m，网格总数约1100万个。上游进口设置为压力边界条件，其水位为1819.10 m，下游设置为自由出流边界条件，固体边界采用无滑移条件，液面为自由表面，流体设置为不可压缩流体。计算模型，如图2所示。

图2 原方案数值计算模型

3 原方案数值分析结果

原方案挑坎边墙为顺直型式，溢洪道泄流流态模拟结果如图3所示，尾水渠液面流速分布如图4所示。根据数值模拟结果可知，原方案的挑射水流在空中掺气扩散，水舌入水范围从左岸贯穿至右岸，且两侧水舌直接冲击到冲坑附近两岸边坡。入水流速约为33 m/s，流速较大，冲击能量较强。而冲坑附近两岸边坡基岩强度较低，且为遇水容易发生崩解的石灰岩与页岩。虽然对两岸边坡采取了锚杆、喷混凝土、钢筋混凝土板护坡等一系列支护措施，但作为永久性大（2）工程，水流长时间直接冲击强度较差的两岸边坡，仍存在边坡失稳垮塌的风险，具有一定的安全隐患。

图3 原方案溢洪道泄流流态模拟结果

图4 原方案尾水渠液面流速分布

4 优化方案数值分析结果

4.1 优化方案

为保证两岸边坡的稳定，使溢洪道能够长期安全运行，在溢洪道两侧挑坎边墙设置宽尾墩，使两侧水舌向中间收缩束窄，避免直接冲击两岸边坡。宽尾墩的尾端折角可选15°～22°，本方案设为18°，如图5所示，数值计算模型如图6所示。

图5 优化方案挑坎边墙平面示意

图6 优化方案数值计算模型

4.2 计算结果与分析

优化方案的溢洪道泄流流态模拟结果如图7 所示，尾水渠液面流速分布如图8 所示。从图7—8 可以看出，在宽尾墩的疏导作用下，水舌在横向上有所收窄，横向入水范围约为±25 m，而尾水渠宽度为66 m。因此，此方案下的水舌不会直接冲击两岸边坡，且与边坡有约9 m 的距离，最大入水流速约为33 m/s，与原方案相比最大流速基本保持不变。另外，水舌两侧边缘处的入水流速高于中间区域，挑距略小于中间区域，入水冲击范围与原方案相比相对分散，可削弱挑流冲坑的影响。

图7 优化方案溢洪道泄流流态模拟结果

图8 优化方案尾水渠液面流速分布

6 结论

溢洪道挑射水流下泄时会向两侧扩散，导致水流直接冲击尾水渠内挑流冲坑的两侧边坡，对工程安全极为不利。通过在挑坎两侧边墙加设宽尾墩，改变水舌入水方向与形态，避免水流直接冲击两侧边坡，且入水流速基本不变，入水范围相对分散，可削弱对挑流冲坑的影响，有利于工程的长期稳定运行，可为其他类似工程的研究设计提供参考。