侧堰式溢洪道水力特性三维数值模拟★

邸宇测　牧振伟　孙文博

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐　830052)

目前实际工程中哈拉布拉水库[1]、白石崖水库[2]、五排水库等岸边溢洪道由于地形原因，均采用了侧堰式溢洪道。

当前侧堰溢洪道研究问题主要集中在泄流流态、水位、流速、压力等方面。从1981年王仕筠[3]通过对侧槽溢洪道流量和堰首水位关系的研究以来，侧堰式溢洪道的水力特性问题一直深受相关学者的关注[4-6]。唐涛等[7]结合蒿枝坝水库除险加固工程对侧堰溢洪道进行了水工模型试验研究，结果表明水流流态，过流能力与侧槽底坡坡度大小有关；迟颖[8]对侧堰溢洪道泄流能力模型试验成果与理论计算进行了分析与探讨；周斌斌[9]对侧堰式阶梯溢洪道的流态、流速以及底板压强等水力特性进行了试验与数值模拟分析对比。

本文采用模型试验与三维数值模拟相结合的方法对侧堰式溢洪道的流态、水面线、流速、压强以及空化特征等问题进行了综合性分析研究。

1　侧堰溢洪道模型试验

1.1　模型设计

试验模型由蓄水区、侧堰段、泄槽段、洞身段、挑流鼻坎及护坦组成，溢洪道结构见图1。

模型试验采用正态模型，模型按重力相似准则设计，模型几何比尺为λl=31.82。其他水力参数相似比尺如表1所示。

表1　重力相似条件下的各水力参数相似比尺

溢洪道模型采用高强度亚克力玻璃板材制作，其糙率n=0.008，采用亚克力玻璃模拟可以满足糙率相似要求。

1.2　设计方案试验结果分析

本次研究主要针对设计洪水位及校核洪水位两种工况，其设计流量分别为41.26 m3,203.72 m3，堰上水头分别为0.7 m,2.04 m，主要分析内容为：流态、水面线、流速、压力及其空化特征等。

1.2.1WES堰过流能力

经试验实测流量和设计流量对比：在设计水位下实测WES堰泄流量为40.21 m3，较设计泄流量约小2.5%；在校核水位下实测WES堰泄流量为204.70 m3，较设计泄流量约大0.5%。试验表明在大流量时WES堰泄洪能力满足泄洪要求。

1.2.2水流流态及水深

1)当水位为校核水位时，堰前水流较平稳，水面几乎无波动，堰顶进口水流平稳。水流经过堰顶，由于水流方向与侧槽中轴线夹角为92°，水流直冲右岸边墙与侧槽内的水流形成较大环流翻滚，于右岸形成较高水强(低于堰顶)，且侧槽右岸水墙的高度与厚度随流量的增加而增加。

2)过渡段(桩号0+035.00～0+065.00)由于连接侧槽，右岸水深高于左岸，两岸水深高差随距进口距离的增加而减小，两岸水深在渐变段趋于平稳；过渡段水深有跌落现象，过渡段入口与末端水深差较大；溢洪道整体在洞身段趋于平稳，且呈随距进口距离的增加而降低。

试验表明，在校核水位和设计水位时，溢洪道沿程水深均低于边墙高度，满足原设计要求。

1.2.3流速与压强

试验表明校核洪水位时(见图2)，过渡段进口流速较小，流速整体呈上升趋势，在挑坎末端有些许下降。由于糙率影响在同一典型断面下表面的流速较上表面要小；由于空气阻力影响在挑坎末端中部的流速较上表面大。最大流速位于挑坎末端(桩号0+265.00)设计洪水位下流速为10.53 m/s；校核洪水位下流速为18.23 m/s。

校核洪水位下，沿程动水压强大体呈降低趋势，在挑坎段(桩号0+255.00～0+265.00)动水压强有明显起伏，变化较大；设计洪水位下，动水压强沿程趋势呈局部下降，在桩号0+200.00之后压强大体呈上升趋势。溢洪道沿程压强随流量的增加而增大。动水压强沿程趋势见图3。

溢洪道沿程未出现负压，最小压强0.3 kPa,位于侧堰段0+010.00断面的堰顶。

2　数值模拟

2.1　数值模型

根据水流特性，采用水气两相流的VOF模型，根据文献[10]以及文献[11]研究表明再引入VOF模型之后，对该模型而言由k-ε模型计算出的结果较雷诺应力模型和代数应力模型与实测值吻合更好。所以本次采用k-ε紊流模型对整个溢洪道原型流场进行了三维紊流数值模拟。

2.2　网格划分及边界定义

数值模拟包括溢洪道侧堰段、过渡段、泄槽段、洞身段、挑坎反弧段及消能区域的网格划分。在对网格进行划分时，全部采用六面体结构化网格，网格尺寸范围0.1 m～0.5 m。溢洪道因此各个部分网格划分疏密程度有所差异，模型总网格数量约19万个，见图4。

边界条件定义时，溢洪道进口边界采用速度进口边界，进口速度根据模型试验中所测数据换算得来；出口采用压力出口边界，上边界均采用压力进口边界，其压强值均为标准大气压；其他均为固定边壁，采用无滑移壁面。

2.3　结果与分析

2.3.1流态分析

计算结果表明，在校核水位下，水流从堰顶流入侧槽后，水流沿曲型堰面流向侧槽底板，受底板约束沿底板冲向侧槽右岸边墙，受右岸边墙约束而顶冲向水面，到达表层后与新流入侧槽的潜底水流形成向左侧回旋，并将空气卷入流场内部形成明显的横向漩涡，该漩涡的最大宽度与侧槽段的横向宽度相同，流场紊动剧烈，上表层水流掺气且底板局部有掺气。侧槽内水流流态数模结果与实验结果一致。侧槽段水流流态结果见图5。

过渡段水深变化较大有明显水跌，水深随距离的变化趋于平顺，最大水位差3.855 m；在洞身段流态无明显差异，沿程水面较为平稳；挑坎段挑射水流流态均匀。沿程流态数模结果(如图6所示)与试验结果基本一致。

2.3.2水面线分析

计算结果表明，在校核洪水位下水面线在洞身段均平稳，未出现不良跌水现象。在校核流量工况下过渡段(桩号0+035.00)出现跌水现象，在桩号0+065.00出水面开始趋于平稳；从渐变段(桩号0+065.00)到洞身段末端(桩号0+220.00)两种工况均小于6 m,末端水深2.77 m；反弧挑坎段(桩号0+220.00～桩号0+230.00)水面紧贴底板呈壅水曲线，水深沿水流方向先增加后减小，最高水深3.44 m。校核工况的模拟值与校核工况下的试验测量值吻合较好，如图7所示，试验测量值与数值模拟的水面线沿程趋势与底板的形态较为接近。

2.3.3流速与压强

溢洪道沿程流速模拟结果表明(见图8)，侧槽中水流流场较紊乱。侧槽段流速纵向分布较规则，大小呈逐步上升趋势。模拟结果与实测值相接近。

校核水位下沿程未在溢洪道内出现负压，WES堰各断面均无负压出现；除去侧槽段，在挑坎反弧段(桩号0+255.00～0+265.00)出现高压区，在洞身段动水压强就平稳，均在50 kPa以下。校核流量下的模拟值与校核流量试验值较为吻合，变化趋势相同(见图9)。

3　结语

1)设计方案泄洪能力满足泄洪要求。溢洪道各段设计边墙高度均满足设计水位、校核水位下的泄洪要求。溢洪道沿程流速模拟结果表明，侧槽中水流流场较紊乱。泄槽段纵向流速分布基本规则，大小沿程逐渐增加。校核洪水和设计洪水工况堰面均无负压产生。

2)采用物理模型试验及溢洪道Fluent软件进行数值模拟运算的方法，能够清晰地分析各工况下的水力特性数值。

参考文献:

[1]潘忠霞,马品非.哈拉布拉水库侧槽式溢洪洞设计[J].新疆水利,2010(4):31-33.

[2]卢东晓.侧槽式溢洪洞在白石崖水库中的应用[J].农业科技与信息,2015(16):90-92.

[3]王仕筠.侧槽溢洪道中侧槽泄洪能力的估算法[J].水利科技,1981(3):66-76.

[4]舒以安.评“侧槽式溢洪道水力设计另一种方法——阻力系数法”[J].水利科技,1982(1):86-89.

[5]林忠泉.侧槽式溢洪道水力设计另一种方法——阻力系数法[J].水利科技,1981(3):90-98.

[6]吴子荣,牟家珣.双侧堰溢洪道泄流能力的若干试验研究[J].浙江水利科技,1985(3):17-26.

[7]唐涛,王海军,佟庆彬,等.蒿枝坝水库工程溢洪道侧堰水工模型试验研究[J].中国农村水利水电,2005(10):58-60.

[8]迟颖.侧堰溢洪道泄流能力的理论计算与模型试验成果分析与探讨[J].水利建设与管理,2015,35(1):19-21.

[9]周斌斌.侧堰式阶梯溢洪道水力特性试验研究及数值模拟[D].乌鲁木齐：新疆农业大学,2015.

[10]李秋林,李连侠,廖华胜,等.变坡溢洪道模型试验及数值研究[J].水力发电,2017,43(5):56-59.

[11]陈群,戴光清.鱼背山水库岸边阶梯溢洪道流场的三维数值模拟[J].水力发电学报,2002(3):62-72.