劉菊蓮

(惠州市白盆珠水庫(kù)工程管理局，廣東 惠東 516341)

水工建筑物設(shè)計(jì)時(shí)考慮其消能水平對(duì)提升水利設(shè)施運(yùn)營(yíng)安全性具有重要意義[1-2]，特別是對(duì)于溢洪道等泄流水工建筑物，研究消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)具有重要作用。張?bào)心鹊萚3]、姜勇志等[4]、李鶴等[5]根據(jù)水工模型試驗(yàn)理論，按照原型材料復(fù)制比尺，設(shè)計(jì)有溢洪道、消能池等泄流建筑模型試驗(yàn)，通過(guò)開(kāi)展不同設(shè)計(jì)方案的泄流試驗(yàn)，可獲得水工模型滲流特征與消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)間關(guān)系，為評(píng)價(jià)工程最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。當(dāng)然，也有一些專家認(rèn)為水工結(jié)構(gòu)不僅僅需要考慮滲流或水力特征，同樣需要考慮其靜、動(dòng)力特性[6-7]，因此利用Abaqus、ANSYS等數(shù)值仿真軟件研究了包括有攔污柵、泄洪閘等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移響應(yīng)特征，進(jìn)一步完善了工程設(shè)計(jì)優(yōu)化的參考依據(jù)。消能結(jié)構(gòu)作為泄流設(shè)施中重要部分，其水力特征是反映工程運(yùn)營(yíng)可靠性的關(guān)鍵，利用Fluent等仿真計(jì)算平臺(tái)可針對(duì)性分析消能池、溢洪道及泄洪設(shè)施的滲流、水力特征變化[8-10]，為工程設(shè)計(jì)提供重要佐證。本文根據(jù)某水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)方案，對(duì)其開(kāi)展消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)溢洪道水力特征影響性分析，為工程建設(shè)提供計(jì)算參照。

1 工程仿真

1.1 工程概況

該水庫(kù)位于東江干流上游，承擔(dān)著防洪、供水水利功能，同時(shí)具備發(fā)電及生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償功能。水庫(kù)總集水面積超過(guò)800km2，擔(dān)負(fù)惠州市的防洪重任。該庫(kù)區(qū)是廣東省嚴(yán)重的水土流失地區(qū)之一，根據(jù)普查，庫(kù)區(qū)水土流失面積7810hm2，每年土壤流失入庫(kù)約17.45萬(wàn)t。作為地區(qū)內(nèi)重要水利樞紐，水庫(kù)為地區(qū)水利安全、水資源調(diào)度等發(fā)揮著重要作用，而這些功能均與水庫(kù)各水工設(shè)施密不可分，包括防洪大壩、泄洪閘及溢洪道等水工建筑。該水庫(kù)作為東江地區(qū)重要蓄洪樞紐，其泄流面積、汛限水位、應(yīng)急供水及最小流量特征面如圖1所示。其中防洪大壩頂高度為23.5m，寬度為3.2m，采用混凝土重力式大壩設(shè)計(jì)形式，在壩身處設(shè)置有防滲面板，其分布范圍涉及壩趾至正常蓄水位水面線處，表面鋪設(shè)有土工防滲系統(tǒng)，有效降低壩身內(nèi)滲流活動(dòng)，傳感器監(jiān)測(cè)表明壩體內(nèi)最大滲透坡降僅為0.23，滲流活動(dòng)較平靜。泄洪閘作為該水庫(kù)重要泄流及水資源調(diào)度樞紐，其最大泄流量設(shè)計(jì)為1350m3/s，閘室底板厚度為1.2m，多孔式泄流設(shè)計(jì)，單孔凈寬為2.6m，其閘門采用平面鋼閘門結(jié)構(gòu)，配備有相應(yīng)的壓桿支撐體系，有限元仿真表明閘門結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力不超過(guò)1.4MPa，且拉應(yīng)力主要集中在背水側(cè)，而動(dòng)力作用下計(jì)算表明閘門位移、加速度響應(yīng)值均較低，滿足安全設(shè)計(jì)要求。為降低閘門受靜水壓力與動(dòng)水壓力影響，泄洪閘建設(shè)有防浪墻與消能擋墻，墻高度分別為2.2、2.8m，該水工消能設(shè)施經(jīng)滲流計(jì)算表明，最大消能率可達(dá)56.6%，此與消能墻有效高度對(duì)水流限制有關(guān)。另一方面，溢洪道與下游消能池構(gòu)成了消能防沖主要水利設(shè)施，堰頂高程為21.5m，溢流面具有多階梯式截面，過(guò)渡段階梯共有12個(gè)，消能池內(nèi)坎高為0.6～1.2m，F(xiàn)lunet計(jì)算表明消能池水流局部會(huì)出現(xiàn)渦流、回旋等現(xiàn)象，紊流活動(dòng)較強(qiáng)。為確保泄洪閘溢流活動(dòng)穩(wěn)定性，在下游消能降沖水工設(shè)施中設(shè)計(jì)有消能坎，坎高為0.6～1m，有效降低上游水力沖刷效應(yīng)，作為溢洪道重要消能結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)參數(shù)與消能效果具有顯著關(guān)聯(lián)性，故應(yīng)對(duì)溢洪道消能結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，為工程建設(shè)提供最優(yōu)化參數(shù)。

圖1 水庫(kù)泄流特征水位

1.2 工程建模

基于水庫(kù)工程設(shè)計(jì)，采用Gambit建模平臺(tái)建立溢洪道幾何模型，如圖2所示。該模型包括有溢洪道消力池、消能挑坎結(jié)構(gòu)、階梯式溢流面、進(jìn)水段等，各部分高程按照實(shí)際工程設(shè)定，全比例為1/1，設(shè)定堰頂、底高程差為6.5m，模型中所有構(gòu)件均采用Gambit中六面體單元構(gòu)建[11-12]。

圖2 溢洪道幾何模型

在幾何模型基礎(chǔ)上利用Fluent CFD工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)定為0.5，局部消能結(jié)構(gòu)處加密劃分，共獲得微單元體2963622個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)1982654個(gè)，劃分后模型如圖3所示。模型中消能結(jié)構(gòu)為壁面對(duì)稱式狀態(tài)，底部邊界為全約束條件，進(jìn)水段設(shè)置有水氣二相端口，即為自由出流狀態(tài)，出口段為壓強(qiáng)單端口。

圖3 溢洪道有限元模型

模型研究工況下流量設(shè)定為160、240m3/s，并與水工模型試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，其試驗(yàn)與計(jì)算流態(tài)特征如圖4所示。從Gambit-Fluent計(jì)算結(jié)果與水工模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，在溢洪道頸縮段流態(tài)特征基本一致，均勻性較佳，頸縮段水流受截面橫向尺寸變化，導(dǎo)致流態(tài)出現(xiàn)折向，此與數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果一致，表明本文所建立模型精度及可靠度均合理。

圖4 試驗(yàn)與計(jì)算流態(tài)特征

2 挑坎尺寸對(duì)水力特征影響分析

根據(jù)對(duì)溢洪道消能結(jié)果建模分析可知，消能挑坎尺寸參數(shù)具有優(yōu)化空間，選擇最適配參數(shù)具有重要意義。本文根據(jù)消能坎為弧形截面，探討其半徑參數(shù)對(duì)水力特征影響，根據(jù)消能池內(nèi)坎高0.6～1.2m，確定挑坎半徑為坎高的5～8倍，設(shè)定為3、5、7、9m，此參數(shù)設(shè)定為挑坎弧形截面的半徑尺寸。每個(gè)設(shè)計(jì)方案僅改變單一變量因素，研究在流量200m3/s下水力特征變化。

2.1 水位特征

水位特征是反映溢洪道消能結(jié)構(gòu)中重要參數(shù)，本文重點(diǎn)研究溢洪道進(jìn)、出水口各斷面上水位變化趨勢(shì)，不同研究方案下流量200m3/s時(shí)池中部水位變化特征如圖5所示。從圖5中可知，各挑坎尺寸方案中溢洪道斷面水位變化基本一致，即改變挑坎尺寸，并不影響溢洪道各斷面上水位變化趨勢(shì)，各方案中階梯式溢流面水位降幅最顯著，半徑3m時(shí)在階梯式溢流面15～45m區(qū)間內(nèi)水位降幅達(dá)18%，而半徑5、9m在該區(qū)間內(nèi)降幅同樣達(dá)22.7%、27.1%。對(duì)比各方案中水位變化差異可知，當(dāng)半徑愈大，則在溢流面后期水位降幅愈大，表明挑坎半徑愈大，可限制溢流面下游水位波幅，降低水力勢(shì)能，從而達(dá)到消能減勢(shì)作用。半徑愈大，不僅僅是溢流面下游，在整體各斷面上水位降低，半徑3m時(shí)各斷面上平均水位為29.6m，而半徑5、7、9m下平均水位較前者分別減少了5.1%、10.1%、12.6%，各斷面上水位最大差距主要體現(xiàn)在溢流面及其下游消能結(jié)構(gòu)處，而在溢流面進(jìn)口段各方案中水位基本一致，由此可知，改變挑坎半徑尺寸參數(shù)，會(huì)影響階梯式溢流面及其下游消能池水力勢(shì)能；4個(gè)方案中挑坎半徑7m時(shí)從溢流平臺(tái)斷面65m至出水段，水位降幅處于較理想狀態(tài)，而半徑9m方案在該區(qū)間斷面內(nèi)具有局部的波幅，綜合認(rèn)為挑坎半徑7m下的斷面水位分布更為合理。

圖5 挑坎半徑影響下各斷面水位變化特征

2.2 壓力特征

根據(jù)對(duì)水力特征計(jì)算，獲得各方案在溢洪道各斷面上壓強(qiáng)分布特征，如圖6所示。從圖6中可知，當(dāng)挑坎半徑參數(shù)愈大，則各斷面上壓強(qiáng)分布愈小，特別是在斷面30m后，壓強(qiáng)分布出現(xiàn)顯著差異，半徑3m在斷面30～50m區(qū)間上平均壓強(qiáng)為496.6kPa，而半徑5、9m下同一區(qū)間斷面上平均壓強(qiáng)較前者減少了18.3%、67.5%；當(dāng)挑坎弧面半徑增大，接觸水力作用截面增大，進(jìn)而對(duì)水利勢(shì)能的抑制效應(yīng)愈強(qiáng)，故壓強(qiáng)愈低，從挑坎消能設(shè)計(jì)方面考慮，應(yīng)選擇較高的挑坎弧面半徑值。對(duì)比半徑7m與9m方案中壓強(qiáng)變化特征可知，半徑9m方案中在斷面50m后期壓強(qiáng)處于較大波幅狀態(tài)，最大波幅可達(dá)1.5倍，而半徑7m方案中該區(qū)間壓強(qiáng)增幅穩(wěn)定不變，維持在5.4%左右，筆者認(rèn)為壓強(qiáng)的波幅與消能結(jié)構(gòu)對(duì)水流的束縛作用影響有關(guān)，過(guò)大的水力束縛引起了渦流的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致該區(qū)間斷面上具有壓強(qiáng)波動(dòng)[13-14]。綜合壓強(qiáng)特征與其消能穩(wěn)定性可知，選擇挑坎半徑7m時(shí)不僅有利于壓強(qiáng)在消能結(jié)構(gòu)處穩(wěn)定性，其對(duì)水力勢(shì)能削弱作用亦較強(qiáng)，且與水位特征下選擇該方案具有一致性。

圖6 挑坎半徑影響下各斷面壓強(qiáng)變化特征

3 挑坎角度對(duì)水力特征影響分析

3.1 水位特征

根據(jù)對(duì)不同挑坎角度方案下溢洪道各斷面水位特征分析，獲得挑坎角度影響下各斷面水位變化特征，如圖7所示。從溢洪道各斷面上水位對(duì)比來(lái)看，以挑坎角度較低的方案中水位更低，而挑坎角度較高的方案，如角度24°、27°中水位整體高于低角度方案，在挑坎角度18°、21°中平均水位分別為19.97、21.4m，而在挑坎角度24°、27°中溢洪道平均水位較18°時(shí)分別增長(zhǎng)了17.4%、39.9%。各挑坎角度方案在溢流面平臺(tái)及下游消能池?cái)嗝嫔纤徊罘顬轱@著，即改變挑坎角度，有助于控制溢流面及消能池內(nèi)水位變化，且應(yīng)控制消能坎角度在低水平，此時(shí)消能池內(nèi)水位不易引起過(guò)大的卷流效應(yīng)，進(jìn)而可使下游水流趨于平衡。從選擇最適配溢洪道消能結(jié)構(gòu)的挑坎角度分析，挑坎角度18°、21°更利于工程運(yùn)營(yíng)，但角度18°時(shí)在溢流平臺(tái)斷面45～70m上水位波動(dòng)最大幅度超過(guò)10%，而且在消能池上水位雖整體為遞減，但降幅過(guò)程波動(dòng)性較大，表明該斷面上流態(tài)波動(dòng)性及折流特征明顯，不利于長(zhǎng)期泄流運(yùn)營(yíng)。因而，筆者認(rèn)為應(yīng)選擇21°為消能結(jié)構(gòu)挑坎角度。

圖7 挑坎角度影響下各斷面水位變化特征

3.2 壓強(qiáng)特征

同理計(jì)算獲得各挑坎角度研究方案中斷面上壓強(qiáng)變化特征，如圖8所示。根據(jù)壓強(qiáng)變化可知，挑坎角度與斷面壓強(qiáng)具有正相關(guān)關(guān)系，角度18°時(shí)溢洪道斷面平均壓強(qiáng)為177.7kPa，最大、最低壓強(qiáng)分別位于斷面57、33m，而當(dāng)角度每增大3°后，斷面平均壓強(qiáng)可增長(zhǎng)23.1%，但最大、最低壓強(qiáng)所在斷面位置并未發(fā)生變化，即增大挑坎角度，僅影響壓強(qiáng)特征值，不影響其峰、谷壓強(qiáng)分布位置。從控制壓強(qiáng)特征值考慮，壓強(qiáng)過(guò)高不利于溢流面穩(wěn)定，選擇低挑坎角度具有設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)[15-16]。分析壓強(qiáng)變化特征可知，在溢洪道進(jìn)水端，各方案中壓強(qiáng)均為遞減，但以角度21°、24°下降幅穩(wěn)定性更好，而角度18°、27°下波動(dòng)較大，特別是在進(jìn)入階梯式溢流面后，此兩方案中壓強(qiáng)變幅最大超過(guò)20%、36.3%。在溢洪道下游及消能池內(nèi)中，各挑坎角度方案下的壓強(qiáng)變化具有一致性，但整體上以角度18°、21°時(shí)壓強(qiáng)水平最低，兩方案在斷面33～54mm上平均壓強(qiáng)分別為94.2kPa、147.95kPa，角度18°時(shí)在消能結(jié)構(gòu)處斷面63～80m具有波幅24.6%～68.5%，而角度21°時(shí)壓強(qiáng)變化具有瞬時(shí)性與連貫性。綜合壓強(qiáng)與水位特征，本文認(rèn)為挑坎角度21°時(shí)水工建筑消能效果最顯著，流態(tài)控制及水位變化較為合理，乃為最佳方案。

圖8 挑坎角度影響下各斷面壓強(qiáng)變化特征

4 結(jié)論

(1)改變挑坎半徑，對(duì)水位特征值的影響在溢流面上最顯著；挑坎半徑愈大，愈限制溢流面下游水位波幅，但半徑過(guò)大易導(dǎo)致水位波動(dòng)。

(2)挑坎半徑愈大，則壓強(qiáng)愈??；挑坎半徑9m時(shí)斷面壓強(qiáng)最大波幅達(dá)1.5倍，半徑7m方案中壓強(qiáng)分布穩(wěn)定性較好。

(3)挑坎角度較低的方案中水位更低；改變挑坎角度，有助于控制溢流面及消能池內(nèi)水位，低角度18°下溢流面的水位波幅超過(guò)10%，與工程泄流適配性不佳；挑坎角度與斷面壓強(qiáng)具有正相關(guān)關(guān)系，角度增大，峰、谷壓強(qiáng)斷面位置仍一致。

(4)綜合認(rèn)為挑坎半徑7m、挑坎角度21°時(shí)更適配溢洪道消能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。