基于数值模拟的若坑水库溢洪道水力特性分析

郑扬锲

（上饶市国控水利水电工程建设有限公司，江西 上饶 334000）

1 工程概况

新建若坑水库地处饶河流域洎水河若坑水，坝址位于德兴市银城街道吊钟村境内，距市区约12km， 地理位置为N28° 55′ 42.10′′ 、E117° 32′ 29.48′′ ，坝址以上集雨面积1.02km2，主河道长1.637km，河道平均坡降0.0785，水库总库容92.3×104m³，年用水量61.84×104m³，是一座以灌溉为主的小（2）型蓄水工程。溢洪道布置在坝轴线桩号坝0+36.0～0+44.0m 坝段上，长8.0m。堰型为实用堰，堰顶高程83.0m，溢洪方式为无闸开敞式自由溢洪，设计洪水（P=3.33%）时最大下泄流量7.32m³/s。校核洪水（P=0.5%）时最大下泄流量13.58m³/s。

2 网格划分及边界条件

2.1 网格划分

该水库溢洪道三维流场模拟及水力特性分析对应的计算域结合推荐体型与尺寸确定，原型尺寸上游界限为坝轴线以上150m，下游界限为溢洪道。如此确定出的流场全长780m。因库区面积大，故通过结构网格将计算域划分出50×104个网格单元。

2.2 边界条件

本研究中若坑水库溢洪道水力特性模拟时主要采用压力进口边界条件，该条件便于界定流动进口处压力和相关标量特性参数[1]。此条件对可压和不可压流动全部适用，故对于本工程进水口处压力为已知，而流速或流量未知的情形也完全适用。借助Pressure Inlet 对话框进行边界条件输入。结合工程实际，进口边界主要包括上部空气进口与库区水流进口两部分，前者属于速度进口边界类型，按明渠流算法确定；后者则借助进口水流速度和自由水面高度展开确定。全部气体入口边界均采取压力边界条件形式，在下游挑流鼻坎末端设置压力出口边界，以体现自由出流特征[2]。

3 流场数值模拟

溢洪道泄水构筑物的泄流能力对于水库大坝安全运行至关重要，为此必须对其三维流场和水力特性展开模拟分析。以位于相应桩号处的溢流堰顶部为限，向下游水流向为X 轴；从上游水位0.0m 处开始垂直向上为Y 轴。为防止水位较高情况下发生封顶，将最大模拟高程确定为234m。

3.1 水流流态及水面线

对于库水位设计值以及闸门全开的情况，进流对称，引流均匀，引渠中不存在水面跌落情况；闸室表现出顺畅水流，位于左侧的泄洪槽水流能够保持平顺；而位于右侧的泄洪槽水面存在一定的波动；闸墩处水流平顺，尾端无水翅出现；泄洪槽中仅存在小规模的折冲水流；中隔墙和边墙水流缓慢，明显无水流飞溅迹象[3]。

通过比较模拟值和试验值看出，对于设计洪水位而言，泄槽底部坡度较为缓和，故沿程水面线变动态势呈稳定状态，水面线计算值和实测值也较为吻合[4]。在泄流量设计值取10 200m³/s 时，闸室后部实际水深约为7.0m，边墙收缩段水深则增至8.8m，到挑流鼻坎前部又下降至5.4m。泄洪槽相同断面水面差始终位于1.1m 以内。

3.2 压强

根据该水库水工溢洪道压强分布及变化趋势，能在一定程度上体现空蚀发生的程度。所得到的沿程断面压强分布情况见表1。据此看出，随着溢洪道尾坎边长的持续增大，不同边长方案下均无明显的负压出现，充分说明前置尾坎的设置能较好克服空蚀。

表1 沿程压强变动模拟结果

此处进行设计工况下左、右侧泄洪槽底板压力模拟，结合模拟结果展开压力等值线图形的描绘，同时和模拟值展开比较。根据比较结果，随着水深的增大，侧墙收缩段开始到掺气坎之间的泄洪槽区段底板压力表现出明显的线性变化，且静水压力特征十分显著。此后随着水流的持续作用，挑流坎前部所承担的压力持续升高，直到挑流坎末端后才转而降低；水流流进掺气槽结构的空腔段内便出现负压力。遭受水舌冲击明显的区段，压力升高迅速，因水舌冲击所引发的动水压力附加值也较大，充分说明泄流槽内水流流态遭受掺气结构物的影响并不大[5]。试验值也与模拟值较好吻合，计算精度有保证。

3.3 水流流速

结合该水库溢洪道渗流场特征的量化分析，所得到的该水工结构物断面水流流速变动趋势情况见表2。根据取值情况，在各种溢洪道尾坎尺寸下，沿程断面水流流速均呈先升后降趋势，但对应对的峰值数据各异。对于尾坎边长3.6mm 的情况，流速峰值达到9.1m³/s，且出现在10m 的沿程断面处；对于其余的尾坎边长情况，流速峰值分别取8.0m³/s、7.0m³/s、5.5m³/s、4.5m³/s，分别出现在10m、5m、0m 和0m 的沿程断面；随着尾坎边长的增大，沿程断面最大流速逐渐趋缓，降幅分别为12.08%、12.5%、21.43%、18.18%。

表2 沿程流速变动模拟结果

据此可以看出，水库溢洪道尾坎体型的调整对沿程流速影响不大，但前置型尾坎设置后，仅引起闸前段水力冲击势能的增大和流速小幅升高，台阶面和出流段之间流速基本呈削弱态势。随着这种尾坎边长尺寸的增大，流速水平持续降低；此外，峰值流速越早在断面出现，面临的流速递增段所保持的时间越短。出于消能效果方面的综合考虑，应当尽可能增大该水库溢洪道尾坎尺寸，以相应增加水流和台阶表面之间的接触面积，使之发生更加充分的搅动与摩擦，削减水流的动力势能，降低水流流速。

前置尾坎的设置能在很大程度上削减水流动力势能，但值得注意的是，随着溢洪道尾坎边长设置长度的增大，沿程断面流速的稳定程度下降，不稳定段相应增大。例如，尾坎边长取12.4mm和14.6mm 的情况，依次在沿程断面14～25m 以及8～19m 间存在水流剧烈震荡、涡流区段。进一步分析得知，随着溢洪道尾坎尺寸设置值的增大，会为水流震荡提供更加充足的空间，引发沿程断面水流涌动、紊乱泄流的可能性明显增加。综合以上分析，为取得较好的泄流消能和渗流安全的综合效果，应将溢洪道尾坎边长控制在5.8～10.2mm。

最后，本研究还从渗流场内进行了不同溢洪道消能方案下峰值断面流速等值线的提取和确定，以便对溢流面所布置的尾坎处流速特征展开直观展示和分析。结果显示，对于尾坎边长取5.8mm 和10.2mm 的情况，水流涡流中线基本位于溢流阶梯内，对应的流速几乎为0；溢流阶梯外部流速显然较高；随着尾坎边长取值的增大，溢流阶梯中流速等值线也愈加平稳，对应的主流流速呈快速递减趋势。

4 跌坎掺气水流模拟

4.1 模型创建及网格划分

该水库溢洪道按照70m间距布设4道掺气槽，在具体施工时必须符合掺气保护浓度要求，将不同气腔中的负压严格控制在-0.1～0.4m 范围内，并保持较好的进气状态，以便将不同泄流过程中通气孔内的平均风速控制在60m/s 以下。按照以上安排，4 道掺气槽流速下气腔内基本无积水，为掺气槽进气过程的顺畅及槽体结构的可靠运行提供了较好保证。

此处以2#掺气槽为例展开掺气坎上游和下游各60m 范围的详细模拟。为简化分析过程，在模型创建时仅考虑右侧溢洪道部分，同时按照工程原型在其左右两侧对称布置通气孔。鉴于水气混掺过程必将加剧水流流态的复杂程度，必须顺水深向展开网格划分；此外，跌坎下游临近底板侧则按照非均匀网格设计，越靠近底板网格设置应越细密；水面处则恢复均匀网格即可[6]。

4.2 模拟结果

4.2.1 通气量

根据模拟分析结果所得出的通气量、风速等通气孔计算结果见表3。据此看出，模拟分析值和设计值较为接近，且设计值取值偏大。出于测量精度和比尺效应等方面的考虑，笔者认为，模拟结果能够对该水库溢洪道通气孔实际通气特性进行较好模拟；实际通气量随着通气孔特征直径的持续增大而增加。

表3 通气孔通气量值的比较

4.2.2 压力

根据对该水库溢洪道掺气坎周围底板压力分布情况的模拟分析得知，对于掺气槽上游的泄槽底板而言，其压力主要以静水压力形式分布，并随水深的增大而增加。因受到局部体型变化的作用，该跌坎前后压力差异较大。当水流流经掺气槽挑坎前部时压力骤增，而至挑坎末端后又持续降低；此后流经掺气坎下游空腔段后则表现出负压；最后进入水舌冲击区段后压力骤增。

4.2.3 掺气浓度

根据表4 所示模拟结果，掺气空腔横向分布均匀性较差，临近通气孔位置处空腔大，而远离通气孔区域空腔面积小，对应的掺气浓度也不大。这种模拟情况与设计要求存在偏差，主要原因在于通气孔中风速不大，对掺气充分程度存在不利影响，同时增大了跌坎下游空腔内的负压，引发空腔末端回流[7]。

表4 掺气浓度模拟值和设计值的比较

5 结 论

本研究应用模拟分析技术对若坑水库溢洪道三维流场模拟及水力特性展开分析，主要得出以下结论：

1）掺气降蚀水工结构物是泄水建筑物中避免空蚀和空化发生的关键，随着溢洪道流量的增大，对溢洪道不断提出更高要求，掺气减蚀设施的逐渐受到技术人员的关注。

2）高速掺气水流的数值模拟属于水工水力学中难度较大的课题，通过对三维流场和流体水力特性的全面分析，可为水工水力学的发展提供促进。

3）溢洪道跌坎下游掺气浓度模拟值和设计值明显展现出水体中心处掺气浓度的沿程衰减趋势，模拟值比设计值小，空腔内负压较大。

4）尾坎体型尺寸的调整对溢洪道沿程断面流速先增后减的趋势影响不大，尾坎体型增大后流速峰值所在断面表现出提前趋势，而台阶外部流速基本稳定。该水库溢洪道尾坎和跌坎等消能设计具备较好的可靠性和稳定性。