“L”形侧槽式溢洪道水力特性数值模拟及优化研究

杜跃亭 王志祥

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020)

溢洪道是一种主要用于宣泄规划库容所不能容纳洪水的永久性泄水建筑物，大致可分为：正槽溢洪道、侧槽溢洪道和井式溢洪道等。溢洪道的结构布置合理与否直接关系到挡水建筑物的安全，因此对于新建枢纽，有必要通过理论与试验相结合的方式确定溢洪道的布置形式、水流流态、掺气减蚀布置以及消能方式等。

笔者已通过模型试验，对景宁县金村水库“L”形侧槽溢洪道原设计方案进行研究，并针对原设置方案存在的问题提出了改进优化原则，本文在此基础上采用FLOW-3D进行数值模拟进行方案比选，并按照推荐方案进行模型试验，为工程的实施提供理论依据。

1 优化方案及数值分析

根据前期模型试验研究成果，发现侧槽内首端断面淹没度过高，同时实测泄流量偏大，富余度较高，初步分析原因如下：ⓐ侧槽内底板高程过高；ⓑ正堰入槽流量过大；ⓒ正堰与侧堰来流顶托作用过强；ⓓ正堰与侧堰的总过流长度较大。本阶段针对上述问题进行方案优化，见表1和图1。

表1 溢流堰布置方案优化设置

图1 “L”形侧槽溢洪道优化方案布置 (单位：mm)

2 优化方案数值模型分析

2.1 数值模型建立

FLOW-3D软件近年来已广泛应用于水利工程设计中，并得到了广泛认可。为节约时间，本文采用FLOW-3D对优化方案进行数值模拟分析。模型库区段长为85m，宽为65m；溢洪道长为80m，该区域为数模计算重点研究范围，包括侧槽溢洪道侧槽段、调整段及泄槽段前端部分。模型进口边界条件给定为设计水位321.07m，出口边界为自由出流。“L”形侧槽溢洪道优化方案模型计算区见图2。

图2 “L”形侧槽溢洪道优化方案模型计算区域

2.2 数值分析结果

数值计算结果见表2，由表2可以看出，优化方案的泄流能力为399～477m3/s、较原设计方案的553m3/s有明显降低；首端断面，过流富余度由60.1%～69.6%降低至21.4%～45.4%，可见优化效果明显。优化方案1和优化方案2侧槽内水流出现了明显的折冲和潜底现象，优化方案3中侧槽水流虽然仍旋滚剧烈，但无明显不良流态，此外泄流富余度较原方案明显降低。

因此，推荐优化方案3为溢流堰布置的最终方案，并按照该方案进行室内模型试验。

表2 “L”形侧槽溢洪道优化方案数值分析结果对比

3 推荐方案水工模型试验成果

3.1 泄流能力

试验量测了优化方案3在不同水位下的泄流能力，其泄流能力结果见表3。

由表3可知，优化方案3各特征频率洪水的下泄能力均能满足设计要求，且富余度为38%～41.9%。表2中数值分析结果表明优化方案3在设计工况下的泄流富余度为45.5%，表3中试验设计工况下泄流富余度为41.9%，数值模型分析与试验模型分析结构相吻合。鉴于推荐方案侧槽长度为43.2m，原设计计算侧槽长度30m，增加了44%，与泄流富余度较为接近，进一步说明优化方案3的设置及模型试验结果是比较可信的。另外，鉴于水库的防洪功能，溢洪道实际泄流能力考虑设计要有一定的安全富余度，更有利于工程的安全运行与维护管理。

表3 不同工况下推荐方案泄流能力对比

3.2 水流流态及流速分布

3.2.1 溢流堰段

试验观测表明，各特征工况下堰前流态较为平稳，水流能平顺进入溢流堰。在正、侧堰相交处，两股水流存在交汇对冲，汇合处水面有所壅高；侧堰水流进入侧槽后，水流迅速潜底并冲向侧槽左侧，遭对岸边墙(山体侧)约束后折向水面，沿35°方向顶托正堰来流，并在正堰来流的驱动下往下游及右侧回旋，形成明显的横向漩流，水面紊动剧烈，水体掺气明显。在正、侧堰水流的共同作用下，侧槽左侧边墙(山体)附近水位壅高明显，其中校核工况时侧槽首断面的淹没度为0.23，满足规范要求，这是由于增加了正堰与侧堰之间的夹角，使得侧堰来流能够更加平顺地转为泄槽轴向方向。

3.2.2 调整段

调整段左岸边坡为由倾斜过渡为直立的扭面段，过流断面逐渐减小。左岸附近水流沿边坡向右岸旋滚折冲，并在断面Y0+045附近顶冲右岸，再向左岸折冲，左右岸水位沿程交错变化，水面剧烈翻滚。经调整段调整后，除校核工况外，其余工况的水流均能较均匀地进入下游陡槽。

3.2.3 泄槽段

泄槽内水流均为急流，无冲击波及折冲现象出现，水流平顺通过掺气设施，无明显不利流态，各断面流速分布基本均匀，水深沿程逐渐减小。

3.2.4 挑流鼻坎

原方案的水舌入水点已十分接近左侧山体岸坡，增大挑角会进一步加剧对左岸山坡的砸击影响。从原方案挑舌轨迹看出，校核工况时水舌最高点距离鼻坎尾端的垂向高差为6.64m，水舌入水角17°，如减小挑角会导致水舌入水角进一步减小，从而减弱挑射水流的消能作用。综合考虑溢洪道下游河道地形，为保证挑射水流尽快入水，同时减小对下游河道及岸坡的冲刷，优化方案3保持鼻坎参数不变。通过试验观测，各特征工况时挑流水舌均能挑离鼻坎，水舌与空气充分掺混，消能作用明显。

3.3 泄槽沿程压力

试验在泄槽中心线上共布置了10个测压孔，具体位置见图3。试验测量了推荐方案在校核、设计、消能、5年一遇工况的压力分布情况。

图3 优化方案3溢洪道测压管沿程布置

优化方案3溢洪道泄槽沿程水压力变化见图4，由图4可知，泄槽沿程压力值随着上游库水位的升高逐渐增大，在挑坎最低点出现极值。

图4 优化方案3溢洪道泄槽沿程水压力变化

优化方案3溢洪道泄槽沿程空化系数变化见图5，由图5可知，陡槽上空化数约为0.19～5.5，在测压孔6(桩号Y0+121.56)以下空化数在0.25左右，而溢洪道按不平整度控制的初生空化数为0.32，因此桩号Y0+121.56以下均有可能产生空化及气蚀破坏。考虑到此种情况，对方案进行了掺气减蚀试验，同时建议泄槽采用特殊材料，严格控制边壁表面不平整度，以防止空化空蚀发生。

图5 优化方案3溢洪道泄槽沿程空化系数变化

3.4 掺气减蚀设施水力特性

为降低泄槽段发生空蚀的可能性，分别在桩号Y0+97.89和Y0+146.31设置1号和2号掺气设施，采用挑坎+掺气槽相结合的形式，在掺气槽前端设有1∶1.8的挑坎，掺气孔直径80.0cm。

试验观测表明，不同工况下1号掺气设施位置水流流态平顺，能够形成稳定的掺气空腔，槽内无积水现象，通气孔进气顺畅，掺气效果良好。2号掺气槽底空腔不稳定，出现局部水流回溯现象，槽内虽有少许积水，但是仍可取得较好减蚀效果。

根据相关规范规定：“掺气槽保护范围内，近壁处的掺气浓度不得低于3%”，本工程校核工况时，1号掺气设施保护范围内近壁处掺气浓度为3.2%～4.1%；2号掺气设施保护范围内近壁处掺气浓度为3.6%～4.8%，试验掺气设施的掺气效果满足规范要求。

3.5 挑流消能及动床冲刷试验

溢洪道挑坎下游河道地面高程为225～230m，河床覆盖层以漂石为主，夹粉细砂及砂卵石，覆盖层厚度2.6m左右，下伏青灰色凝灰岩，以弱-新鲜岩体为主，弱风化厚度4.4m，岩体总体完整性较好。根据原体河床抗冲流速，模型中散粒体冲刷料的平均粒径利用伊兹巴士公式计算，模型试验散粒体粒径范围为4～10cm，选取平均粒径7.0cm的散粒体进行模拟。模型试验过程中，动床冲刷时间要求能够保证下游动床冲刷和堆积达到稳定状态。

试验表明，冲坑形态呈马鞍状，冲坑最深点处于冲坑左右两侧位置，冲坑以下附近河道由于散粒体的堆积明显抬高，形成稳定冲刷坑后，下游河道水流流态较原方案明显改善。水舌进入下游冲坑内后，与冲坑内的水体相互掺混，水面剧烈翻滚，消能较充分，坑后流速降低至4.2～6.9m/s。由于桩号Y0+234.93之后河道走向与溢洪道轴线呈18°夹角，使得主流顶冲左岸山体，造成水面爬高，顶冲点位于桩号Y0+290.90附近，水面最大爬高至241.0m，应注意山体岸坡的防护。设计工况下游流态及冲坑形态见图6。

图6 设计工况下游流态及冲坑形态

4 结 语

笔者前期通过模型试验，对景宁县金村水库“L”形侧槽溢洪道设计方案进行研究，针对原设置方案存在的问题进行改进优化，并通过FLOW-3D进行数值模拟方案比选，并确定推荐方案。对数值分析比选出的优化改进的推荐方案进行模型试验，通过“L”形侧槽式溢洪道控制段泄流能力、水流流态、泄槽沿程压力、掺气减蚀设施、挑流消能及冻疮冲刷试验等研究，最终推荐方案布置如下：

a.溢流堰控制段：控制段为正堰和侧堰相结合的“L”形布置，堰顶高程为318.0m，堰前平台高程为312.5m，其中正堰长11.5m，侧堰长31.7m，总长43.2m，正堰与侧堰夹角114°。侧槽首断面底宽3.0m，高程为310.4m，末端断面底宽12.0m，高程为310.0m，侧槽底坡为2%。

b.调整段：调整段长度为28.0m，底板高程为310.00m。

c.泄槽段：泄槽采用等宽矩形断面，底坡1∶1.5，水平全长116.31m。在泄槽桩号Y0+97.89、Y0+146.31出分别设置挑坎与掺气槽结合的掺气设施，坎高1.34m，通气孔直径为0.8m，同时泄槽底板及挑坎表层采用HF高强耐磨粉煤灰C30钢筋混凝土，并严格控制边壁表面不平整度，以防止空化空蚀发生。

d.挑流鼻坎段：坎顶高程242.0m，中心角51°41′，挑射角18°，反弧半径15m。