溢洪道台阶式溢流设计下水力消能特征研究

张 杰

（江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，江苏 南京 210029）

溢洪道作为一种泄流水工建筑，其泄流运营时具有较大能量的转换，对水工结构安全乃是较大考验，因而提高溢洪道泄流消能水平[1，2]是溢洪道结构设计时必须考虑的问题。溢洪道运营受进水段体型、溢流段溢流面参数以及下游消能结构设计影响，综合分析溢洪道运营安全与设计优化很有必要。桂冰登[3]、钟勇明等[4]为研究溢洪道消能设计方案，建立水工模型试验方案，利用模型试验监测结果，分析溢洪道泄流时水面线、流态、速度以及压强等水力特征，从而确定溢洪道的消能结构设计方案。溢洪道设计也与掺气坎、挑坎等结构体型有关，徐玮等[5]、许超等[6]基于Fluent流场模拟方法，探讨了掺气坎的截面体型、挑坎挑角等设计参数对溢洪道渗流场影响，进而评价溢洪道结构设计最优方案。台阶式溢洪道是溢洪道结构型式中典型一种，王煌等[7]探讨了台阶尺寸、交错布置、溢流宽度等体型参数对泄流影响，结合水力参数评价溢流台阶设计的利弊，为工程优化设计提供依据。基于出水洞水库溢洪道溢流台阶交错设计，从模型试验与渗流场模拟计算两方面探讨溢洪道交错式异形台阶设计下泄流消能特征。

1 研究概况

1.1 工程概况

作为贵州地区重要水源工程，出水洞水库为“十三五”时期水利行业重点项目，设计总库容为6 884.2万m3，预计一期工程建设投入运营后可实现年供水8 772.2万m3。水库设计蓄水位高程为1 446 m，死水位为1 440 m，采用面板堆石坝结构，最大坝高为109.5 m，坝顶主轴长为300 m，宽度为10 m，可满足地区水资源分布调节、蓄洪排涝等水利功能需要。水库包括堆石坝、输供水渠道、引水隧洞以及溢洪道等工程。水库堆石坝趾板断面体型如图1（a）所示，趾板厚度为1 m，面板厚度为0.8 m，防渗板位于面板与趾板下方夹角30°处，厚度为0.3 m，趾板面等高线与趾板呈“X”形布置；趾板面“X”形等高线平面分布形态如图1（b）所示，两等高线左、右高程相差为85～102 m，按照X1～X11 不同基准点确定趾板河床段、岸坡段距离，如X4～X5、X8～X9的河床段分别为2.3、1.8 m，配合有效厚度范围内的防渗面板，可实现良好防渗、拦水设计效果。实际监测表明，从2021 年水库蓄水运营以来，历经六盘水地区南盘江水系洪峰过境考验，水库趾板上应力、应变分布以及面板水力坡降分布均满足安全要求。除堆石坝工程外，水库溢洪道的建设与运营较为关键，基于水库设计需求以及工程选址特点，设计采用台阶式溢洪道，堰顶高程为1 439 m，为3孔进水控制方式，单孔净宽为7 m，下游配置消力池消能结构，池长、宽度分别为50、35 m，尾坎高度为4.5 m，从模型比尺设计考虑，原型尺寸1/10 设计模型如图2 所示，溢流段台阶坡度为1/3，台阶前、后水平段均为6 m。从该溢洪道设计方案考虑，采用均匀分布状溢流台阶，台阶宽度与溢流面宽度一致，若可划分出异形台阶且交错分布，如台阶宽度为溢流面的1/2 或1/3，相邻台阶可进一步增强泄流效果，但异形交错分布台阶的设计也会加剧溢流面上不稳定流态产生。因而，从水库台阶式溢洪道运营考虑，可应用异形交错台阶设计，但需优化其体型方案，这也是开展溢洪道异形交错台阶应用设计的前提。

图1 堆石坝趾板体型特征

图2 溢洪道溢流台阶特征

1.2 设计分析

基于异形交错式台阶溢洪道设计理念，在模型比尺台阶溢洪道设计的前提下，对溢流面分布的台阶进行等分切割，按照交错布置方式，分别以溢流面宽度的1/3、1/5、1/7、1/9 进行交错设计，溢流面宽度的1/3、1/5台阶交错分布特征如图3（a）、（b）所示，单个台阶宽度分别为8、4.8 cm；无交错分布台阶溢洪道如图3（c）所示，台阶宽度为24 cm。在模型试验结果中，图3（a）、（b）两方案具有显著差异，监测得到的水体流态、动水压强等分布均有明显区别，如图3（b）中在溢流面的交错分布台阶第3、5 级分布有涡旋流等特征，同时两方案中掺气浓度分布也有差异。基于不同交错式台阶溢洪道设计方案，对溢洪道的水力变化特征开展对比分析。

图3 溢洪道溢流面台阶设计

利用CAD 构图工具对溢洪道结构进行几何建模，溢洪道几何模型如图4（a）所示，溢流面长度为1.2 m，全模型主轴长为2.4 m，共有6级阶梯，各级阶梯面的壁面以及边界约束模型均视为一致。通过CAD 几何模型的导入，在渗流场模拟平台获得网格模型如图4（b）所示。模型中X、Y、Z 向分别为溢流面泄流方向、结构竖向以及台阶流体横向。

图4 溢洪道模型

依据不同交错形态的溢流台阶设计方案，分别有溢流面宽度的1/3、1/5、1/7、1/9 研究方案，相应的异形台阶数量分别为1、2、3、4 级，且设计有无异形交错台阶数量的研究方案（0 级），溢流台阶宽度为24 cm。研究工况中设定3 个泄流量，分别为50、100、150 m3/s。基于不同异形交错台阶设计方案，探讨溢洪道溢流面的水力、消能特征。

2 异形台阶下水力特征

2.1 流速特征

基于不同异形交错台阶的溢洪道水力特征计算，获得了溢洪道沿程流速分布变化特征，包括溢流面前、后水平段处流速特征，如图5所示。

图5 溢洪道流速变化特征

依据溢洪道沿程流速特征变化可知，不同泄流量工况下，同一种异形交错台阶设计下沿程流速变化具有相似性，流速峰、谷值对应断面不变。在泄流量50 m3/s工况下，异形交错台阶数量为1级时，沿程流速峰、谷值分别为1.43、1.27 m/s，而在泄流量150 m3/s工况下峰、谷值流速依然位于沿程断面0.6、1.6 m处，相应的流速值分别为1.83、1.65 m/s。当异形交错台阶数量为3级或4级时，两泄流量工况下流速变化具有一致性，泄流量改变不会影响沿程流速分布变化特征，影响仅局限于流速水平值，泄流量愈大则流速水平值愈高。在异形交错台阶数量为0、1 级时，在泄流量50 m3/s 工况下，溢流面断面0.6～1.8 m内流速分别为1.54～1.72、1.29～1.43 m/s，溢流段流速均值分别为1.64、1.35 m/s，而在泄流量150 m3/s工况下流速均值分别提高了43.9%、28.1%。各异形交错台阶设计下，泄流量对流速水平值影响具有无序差异性。

当异形交错台阶数量变化，沿程流速变化差异性显著，其中无异形交错台阶设计下流速变化具有独立性，具有“M”形特征，泄流量150 m3/s 工况下在断面0.6、1.8 m 处出现“双峰值”流速，分别达1.7、1.72 m/s；特别需要注意的是，该方案在溢流段0.6～1.8 m 内，流速分布是5 个方案中最高的。当溢流面设置有异形交错台阶后，沿程流速大都为单峰流速变化趋势，但峰值流速断面位置、溢流段后水平段流速分布变化具有差异，泄流量50 m3/s工况下，在异形交错台阶2、4 级方案中，溢流段后1.8～2.4 m 水平段内流速分布变化具有差异性，分别呈稳定变化、递减变化特征。综合来看，溢流面增设异形交错台阶，有助于减弱下游动水势能[7，8]，但异形交错台阶数过多，会影响溢流面以及下游水平段流速分布变化。

2.2 压强特征

3 种典型方案下溢流段底板压强分布特征，如图6所示。

图6 溢洪道压强分布特征

从图6（a）、（b）可以看出，溢流段底板台阶侧面均出现了负压现象且贴近交错面凹槽区域，而在无异形交错台阶时各阶梯面上压强随着水流距离而递增，水流势能无法较好约束，各异形交错台阶设计下相邻异形台阶间会形成多个高压强区，上级台阶的泄流裹挟、碰撞[5，9]以及交错台阶形成的凹槽面综合导致了溢流面上的多峰高压强区。结合压强分布对比发现，异形交错台阶设计下，泄流活动较激烈，对流体运动约束较强，对下游泄流降能有利，但应考虑溢流台阶段过大的能量碰撞会导致结构损坏，故台阶材质以及异形台阶数量均应得到重视。

基于溢洪道压强计算结果，提取获得了沿程各断面压强变化，从压强水平量值反映溢洪道泄流安全性，如图7 所示。分析图7 各异形台阶方案可知，无异形交错台阶设计下，压强呈递增-递减变化，溢流段缺乏势能交换，在下游水平段1.8～2.4 m 内具有较大的压强水平，峰值压强为1 277.5 Pa，全断面压强分布为1 109.5～1 277.5 Pa，溢流段0.6～1.8 m 压强分布为1 197～1 277.5 Pa，降幅为6.3%。当溢流面具有异形交错台阶后，上游水平段0～0.6 m 内压强变化与前者方案下基本一致，但在溢流段、下游水平段压强分布具有差异性，异形交错台阶1个时，溢流段内断面0.4、2 m 处分别具有双峰值压强，达1 032.5、1 012.5 Pa，最大变幅可达25.4%；而在异形交错台阶4 个时，溢流段压强呈递减变化，全断面降幅可达63.3%。由此可知，增设异形交错台阶，可提高溢流区段压强变换，降低水力势能。

图7 溢洪道压强变化特征

3 异形台阶下消能特征

溢流段直接影响着异形台阶紊动能分布，故针对溢流段紊动能分布现状，获得了沿程断面紊动能分布特征，如图8 所示。从图8 可以看出，不同异形台阶数量方案下，溢流段各断面紊动能分布变化具有相似性，均呈“稳定-递增”特征，紊动能的稳定段持续至断面1 m 处，在异形交错台阶1、3、4 级下，稳定段紊动能分别为0.068、0.123、0.156 m2/s2，交错台阶1级下紊动能分布水平最低。在溢流段靠近下游水平段区域，紊动能均有较显著增长，异形交错台阶3 级时紊动能的增长为0.135～0.179 m2/s2，以异形交错台阶4级下增长最大，紊动能分布水平也最高，峰值紊动能达0.23 m2/s2。相比之下，无异形交错台阶下沿程紊动能全过程较小，无紊动能递增聚集段。分析认为，增设异形交错台阶，加大了泄流体在溢流段的扰动[2，10]，减少流体对结构水蚀效应。

图8 溢洪道断面紊动能分布特征

各方案中不同泄流量工况下消能分布特征，详见表1。由表1消能率等特征参数对比可知，增设异形交错台阶设计下，消能率普遍高于无异形交错台阶方案，后者方案中泄流量50、100、150 m3/s 工况下消能率分别为45.5%、40.6%、34.8%。在各异形交错台阶设计下，以异形台阶数3个时其消能率最高，泄流量50、100、150 m3/s 工况下消能率分别为66.5%、69.0%、72.8%。综合溢流台阶设计考虑，增设异形交错台阶很有必要，以交错台阶数为3个较适中。

表1 不同泄流量工况下消能率 %

4 结论

（1）同一种异形交错台阶设计下沿程流速变化特征一致，峰、谷值流速断面均一致；无异形交错台阶设计下沿程流速具有双峰值特征，而在异形交错台阶设计下流速峰值段集中于溢流面，下游溢流水平段流速变化具有无序性。

（2）异形交错台阶设计下具有双侧负压分布特征，且在溢流段泄流活动较剧烈；无异形交错台阶设计下的溢流段压强水平较高，沿程压强变幅较小，增设异形交错台阶后溢流段压强变幅增大。

（3）无异形交错台阶设计下沿程紊动能变幅较小，异形交错台阶设计下沿程紊动能呈稳定-递增变化特征，异形台阶4 级时紊动能分布水平最高。有异形交错台阶方案消能率高于无异形交错台阶方案，后者在泄流量50、100、150 m3/s 工况下消能率为45.5%、40.6%、34.8%。

（4）从溢洪道泄流消能考虑，溢流面设计有效的异形交错台阶较可靠。