变坡溢洪道模型试验及数值研究

李秋林,李连侠,廖华胜,刘德伟,魏晶晶,沈焕荣,易文敏

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都610041；2.Michigan State University, East Lansing48824-1226, USA)

变坡溢洪道模型试验及数值研究

李秋林1,李连侠1,廖华胜2,刘德伟1,魏晶晶1,沈焕荣1,易文敏1

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都610041；2.Michigan State University, East Lansing48824-1226, USA)

变坡溢洪道内水流流态和衔接形式复杂,为论证该溢洪道设计的合理性,采用物理模型试验和三维紊流数值模拟相结合的方法,对流态、水面线、流速、压力及空化特性等水力学参数进行对比分析,进而对进口体型、堰面曲线及陡坡变缓坡等设计进行了评价。试验结果和数值计算结果吻合良好,表明溢洪道进口流态良好,进水顺畅,无壅水跌水情况,且堰面未出现负压,说明溢洪道进口形状和堰型选择合理；溢洪道各段内水面衔接光滑,流速分布合理,底板各处空化特性良好,说明溢洪道底坡设计合理。

溢洪道；变坡；模型试验；数值模拟

0 引 言

根据不同的底坡类型,可将溢洪道分为缓坡溢洪道和陡坡溢洪道。从水力学和施工角度考虑,缓坡溢洪道流速较小,不易出现空化空蚀现象,结构强度要求不高,施工难度小；但目前大部分水电项目都在西南地区,所建水电站几乎都是高坝,随之溢洪道的布置大部分都是陡坡溢洪道,所以对陡坡溢洪道的研究具有实用意义。

目前陡坡溢洪道的研究问题主要集中水面线、断面水深、压力、空化空蚀等方面。从1982年罗肇烽[1]通过研究陡坡溢洪道平台扩散与辅助消能工问题以来,陡坡溢洪道的水力学问题一直都受到研究人员的关注[2- 6]。崔瑞等[7]进行了陡坡溢洪道参气坎空腔长度及掺气坎试验研究,结果表明在陡坡溢洪道设置掺气坎时应保证挑角和单宽流量相匹配。黄智敏、戚其训、牛坤等[8-10]对陡坡溢洪道水深进行了研究,龙伯璋、戚其训等[11-12]对陡坡溢洪道的水面线进行研究。以上研究都仅仅只考虑了单个方面的因素,而本文研究所依托的工程,其后期运行仅靠溢洪道泄流,一旦出现问题,会直接影响大坝和下游人民生命财产安全,所以在研究溢洪道时不能仅仅研究单个的水力学问题,而应该同时考虑水面线、流速、压力、空蚀空化等问题对工程的影响。本文研究的溢洪道设置在左岸,属于岸边溢洪道,因此还应保证在溢洪道出口处的下河流速不能过大,否则水舌会砸落在边坡上,岸坡和坝址处都会出现安全隐患。本文结合地形地貌和运行时的具体情况进行研究,对溢洪道水力要素进行模型试验和数值模拟相结合的方法进行综合性分析研究。

1 研究方法

本文研究主要依托实际工程对溢洪道进行研究,旨在对变坡溢洪道进口体形、堰面曲线及变坡设计和内部水力特性进行论证分析,而对溢洪道下游的消能防冲问题不做深入研究,其方法主要采用物理模型试验和数值模拟相结合的方式进行。

1.1 模型试验

模型试验采用正态模型,按重力相似准则设计,模型几何比尺为1∶50。试验模型由进口引渠段、控制闸室段、泄槽段、反弧段及挑坎段组成。进口引渠段长109.67 m,底板高程77.30 m,平坡,宽23 m；控制段长27.50 m,采用WES堰,堰顶高程80 m,堰高2.70 m,共3孔,单孔净宽6 m,设置弧形工作门及平板检修门各一道；泄槽段长83.98 m,前段为纵坡i=1∶1.8的陡坡,长25.16 m,底宽23 m,采用矩形整体式结构,中段采用反弧结构,长21.55 m,底宽23 m,半径50 m；末端为纵坡i=1∶16的缓坡,长37.27 m,底宽23 m,与前端反弧段衔接处设置1 m深的掺气坎,两侧边墙设置长宽1 m 的通气孔；挑坎段采用反弧结构,长16.12 m,底宽23 m,半径50 m,边墙高度为5～7.50 m；出口采用挑流消能。溢洪道结构见图1。溢洪道模型采用高质量的有机玻璃制作,其糙率n=0.008,而原型混凝土抹面糙率np=0.011～0.017,按照相似比尺λn=1.919,计算出模型糙率nm=0.005 4～0.008 4,溢洪道长度比较短糙率影响不大,因此采用有机玻璃模拟基本上能够满足糙率相似要求。

图1 溢洪道结构示意

本研究主要针对消能防冲、设计洪水及校核洪水3种工况,其流量分别为910、1 099、1 520 m3/s,库水位分别为88.85、89.91、92.18 m,主要分析内容为流态、水面线、流速、压力及空蚀空化特性等。流速测量采用南京卓玛机电有限公司生产的LGY-Ⅱ型便携式流速仪,水面线测量采用钢尺在每个特征断面的左、中、右3个点进行测量取平均值,时均压力测量采用测压管法(在溢洪道特征断面的边墙底部安装测压管,测量相对于溢洪道底板的压力水头)。对于空化数,根据试验测量的压力和流速,计算公式为

(1)

式中,σ为水流空化数；P/γ为水流相对压力；Pa/γ为大气压力；Pv/γ为水的饱和蒸汽压力(汽化压力),本研究取0.24 m。

1.2 数值模拟

为得到更详细的水力学参数,并对试验手段和试验结果的可靠性进行评估,本研究采用FLUENT软件对设计洪水工况进行数值模拟研究,其边界条件采用模型试验数据。考虑到闸门槽等特殊机构,导致水流运动各向异性和强紊动性,计算选用RNGk-ε紊流模型[13],采用VOF方法[14],偏微分方程的离散,采用有限体积法。

图2 计算区域及网格示意(单位：m)

数值模拟包括溢洪道进口引渠段、控制闸室段、泄槽段、反弧段及消能区域,计算网格划分如图2所示。由于水电站地形地势的原因,溢洪道的水面线为非线性的,水流在陡槽段急剧变化,水面曲线的斜率变化大,难以准确的捕捉水面形态,因此让网格与水面形态一致,并且对水气交界面进行加密处理,模型中网格总数20万,最小网格尺寸0.1 m。边界条件设置：①入口。入流断面包括水进口和气进口,水进口为速度进口边界；气进口包括水舌的上表面、两侧面,溢洪道的上表面,其边界条件均为压力进口。②出口为压力出口边界。③其它为固壁边界,粘性底层采用壁面函数法来处理。

2 研究结果

2.1 流态

流态观测结果表明,3种试验工况的流态无明显差别,进口区域水面均较为平静,没有出现翻水或者跌水现象,水面横向分布均匀；在闸室段WES堰之后水面呈降水曲线,未出现漩涡；泄槽段受闸室分流和边墙收缩影响,溢洪道水面沿程有菱形波出现；挑坎段挑出水流流态均匀,挑角、出坎流态满足设计要求。对比设计洪水下的试验结果和数值模拟结果,可以看出二者流态结果基本一致(见图3)。

图3 溢洪道水流流态模拟结果

2.2 水面线

试验结果表明,校核、设计、消能防冲3种工况的水面线随库水位降低而降低,3种工况下溢洪道内各部位的水面均为平顺,未出现不良壅水和跌水现象,进口段水面平稳；闸室控制段(S0+0.000～S0+027.500)开始跌水,水深逐渐减小；从闸墩末端(S0+027.500)到泄槽段末(S0+111.485)3种工况水深均小于5.0 m,局部水深小于2 m；反弧挑坎段(S0+111.485～S0+129.375)水面紧贴底板呈壅水曲线,水深均小于2 m。其中设计工况的试验值与模拟值吻合良好,如图4所示,试验和数值模拟都表明水面线形状和溢洪道底板形态比较接近,同时也满足设计和运行要求,说明本研究所采用的试验方法和试验数据合理可靠。

图4 水面线沿程变化曲线

2.3 流速

研究结果表明,3种工况的断面流速随泄流量增加而增加,设计洪水工况的流速计算结果和试验值吻合较好,如图5所示。3种工况的试验值和和设计洪水的模拟值在入口处的流速都较小,断面平均流速从控制段(S0+000.000～S0+027.500)开始呈沿程增加趋势；从闸墩末端(S0+027.500)起到泄槽段末(S0+111.485)流速达到相对稳定值22～28 m/s。溢洪道各段断面流速均在30 m/s以内,满足设计要求,出口水舌流速满足工程和下游河道的要求,不会对岸坡和坝址处造成安全隐患。

图5 流速沿程变化曲线

2.4 压力

图6 压力沿程变化曲线

研究结果表明,3种工况的压力值沿程变化趋势一致,且随库水位升高而增加,溢洪道沿程未出现负压,在WES溢流堰(S0+000.000～S0+010.000)和泄流段中的反弧末端的跌坎处(S0+079.460)出现局部低压区；溢洪道中的高压区(除去进口处的高压区)分别在泄流段中的反弧段(S0+054.210～S0+071.710)和挑坎段的反弧部分(S0+112.375～S0+129.375)；其他部分的压力水头均未超过4 m。溢洪道各部分的压力均在设计范围内,均满足设计要求。设计工况下的试验值与模拟值基本一致,如图6所示,除S0+000.000～S0+010.000等少数地方试验值小于模拟值以外,其他断面试验压力值均大于数值模拟值。

2.5 空化数

通过试验得出了特征断面的压力值,再根据式(1)计算出空化数,各工况底板空化数结果见表1。特别是针对WES堰和泄流中段的反弧末端(掺气坎处)容易产生空蚀空化破坏的断面,其空化数均大于0.32。溢洪道其他断面的空化数均大于0.3,满足工程的要求,不会对结构造成空化破坏。

表1 各工况下特征部位底板空化数

3 结 论

研究结果表明,溢洪道进口水流平顺,WES溢流堰堰顶未出现负压,溢洪道内各段水流整体衔接光滑平顺,挑坎出口水舌可以以合适的流速顺利挑出,溢洪道各段底板压力特性良好,空化数满足工程要求,说明本工程变坡溢洪道进口体形、堰面曲线及底坡衔接方式均合理满足要求；溢洪道的水面线、流速、压力等试验值和数值计算结果均吻合良好,说明采用三维紊流数学模型对溢洪道水力学问题进行模拟是一个简单高效的方式,本文研究成果可为类似陡坡变缓坡溢洪道设计提供一定的参考。

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(责任编辑 王 琪)

《水电站油系统及其设备选用、试验及验收规范》和《水电工程电磁法勘探技术规程》通过审查

2017年3月26日、30日，由中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司主编的《水电站油系统及其设备选用、试验及验收规范》和《水电工程电磁法勘探技术规程》分别通过水电水利规划设计总院组织的审查。

《水电站油系统及其设备选用、试验及验收规范》充分反映了水电站油系统设计、设备配置、试验及验收的设计理念和技术方法，达到国内先进水平，将为水电行业油系统的设计及设备配置、验收增加一道可靠的保险。

《水电工程电磁法勘探技术规程》认真总结了我国水电工程电磁法勘探技术经验和工程实践，充分反映了水电工程电磁法勘探技术的先进理念和技术方法，达到国内先进水平。

近几年，贵阳勘测设计研究院通过推动标准化研究、标准制修订工作，促进标准与科技、专利的紧密结合，全面提高标准化工作质量和水平，标准化工作取得了实质性突破。为进一步发挥标准化工作对我院的技术支撑作用，我院将紧紧围绕“工程技术服务、工程总承包、投资与运营”院三大业务板块，同时结合“转商、转场、转产”三个转变，积极组织相关生产部门负责制(修)订技术标准工作，大幅提升国家、行业及地方标准制修订的质量和速度，实现贵阳院标准化工作迈上新的台阶。

(周维娟)

Model Tests and Numerical Study on the Hydraulics of Spillway with Variable Slope

LI Qiulin1, LI Lianxia1, LIAO Huasheng2, LIU Dewei1, WEI Jingjing1, SHEN Huanrong1, YI Wenmin1
(1. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Development and Protection, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan, China; 2. Michigan State University, East Lansing 48824-1226, USA)

The flow pattern and connection form of spillway with variable slope are more complicated. In order to prove the rationality of spillway design, the physical model tests and three-dimensional turbulent flow numerical value are used to simulate the spillway. The water surface line, velocity, pressure and cavitation characteristics are compared and analyzed, and then the design of imported body shape, weir curve and steep slope gradient are evaluated. The results show that: (a) the spillway inlet flow pattern is good, the water flow is smooth, and no backwater or water drop occurs, and the weir surface does not appear negative pressure, which indicates that the spillway inlet shape and weir type selection are reasonable; and (b) the sections of water interface are smoothly connected, the velocity distribution is reasonable, and the cavitation characteristics of floor are good, which indicates that the design of bottom slope of spillway is reasonable．

spillway; variable slope; model test; numerical simulation

2016- 11- 17

国家自然科学基金资助项目(51079091)

李秋林(1992—),男,重庆人,硕士研究生,主要从事水工水力学方面的研究；李连侠(通讯作者)．

TV651.12

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0559- 9342(2017)05- 0056- 04