多级消能溢洪道消能防冲FLOW-3D数值模拟研究

娄诗建 高 远

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

多级消能是解决低弗劳德数水流消能不充分的一个有效方法，但其复杂流态暂无有效水面计算方法确定水力学参数[1]，需要依靠水工模型试验[2]、FLOW-3D数值模拟[3]等对其性能参数进行测试和结构优化。水工模型试验可以对溢洪道的流态、流速及水压力分布和消能率进行测试分析，以论证方案的可行性，并对结构参数进行优化调整，但存在周期长、测试工作量大和成本高等问题，不太适用于大坝运行和泄洪安全评价。而FLOW-3D数值模拟作为一种可以实现对各种复杂物理条件下流场的全域模拟仿真并提供丰富信息的研究方法，已被广泛应用于水工水力学流态分析、水力机械内部脉动压力等相关研究。已建盐津桥水库由于设计时泄洪建筑物未进行水工模型试验，加之溢洪道结构体形复杂，现状运行时均采取保守的非正常运行洪水调度方式，不仅水库灌溉和发电功能不能正常发挥，而且一遇大洪水或超标洪水时，调度风险极大，急需进行系统的大坝运行和泄洪安全评价，确保水库安全稳定运行。鉴此，本文通过FLOW-3D软件对盐津桥水库复杂溢洪道泄流能力和消能防冲进行数值模拟和复核论证，旨在为工程设计和运行管理人员解决复杂问题提供支持。

1 工程概况

盐津桥水库位于贵州省仁怀市盐津河中游，是赤水河一级支流盐津河水利梯级开发的第四个梯级。坝址以上流域面积244km2，正常蓄水位650.0m，水库总库容3480万m3，水库规模为中型。工程任务为灌溉和发电，设计灌溉面积3.5万亩，电站总装机4000kW。大坝为混凝土砌块石对数螺旋线双曲拱坝，最大坝高100m。左岸开敞式设闸溢洪道泄洪，堰顶高程644.60m，溢流净宽7×5m，采用多级消能。泄洪建筑物消能防冲洪水标准为30年一遇，最大泄流量为787m3/s(P=3.33%)；校核水位最大泄流量为1570m3/s(P=0.1%)。

2 溢洪道结构布置

溢洪道布置于大坝左岸，为开敞式设闸溢洪道，包括引水渠段、溢流控制段、泄槽段和出口挑坎消能段等组成，全长188.50m。溢洪道平面布置见图1。

图1 溢洪道平面布置

控制段紧靠左坝肩重力墩布置，受地形地质条件限制，泄槽段设平面转弯段，中心方位角从N41.37°W转N16.45°E。溢流总净宽21m，共3孔，闸门尺寸为7.0m×5.0m(b×h)，堰型为驼峰堰，堰顶高程644.60m。泄槽段转弯前溢流宽度为26.2m，转弯后渐变为24.6m。采用多级消能措施，堰顶下游设双圆弧衔接，上游圆弧半径为7.5m，下游圆弧半径为25.0m，挑射角20°；中部采用消力塘消能，消力塘底板高程629.36m，池长38.9m；后接陡槽段，陡槽坡比为1∶2.0；出口采用挑流消能，挑流鼻坎高程617.56m，反弧半径15m，挑射角0°。

3 数值模拟分析

3.1 仿真模型构建

溢洪道采用多级消能，溢流面流线复杂[4]。《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)规定：矩形断面弯道轴线的曲率半径宜采用6～10倍泄槽宽度。受地形限制，采取急转弯平面布置，轴线转弯半径仅为15m，转弯角度57.82°。为评价大坝运行和泄洪安全，需进行泄洪能力及消能防冲等水力计算复核。经现场勘察结合三维激光扫描地形图测量，利用BIM相关软件对溢洪道进行三维实体建模。为减小过堰水流跌落影响，有效模拟实际泄洪状态，仿真模型构建时对上游引水渠段进行了有效延长，延伸长度L>3B(B为进水渠末端宽度)。溢洪道三维仿真模型见图2。

图2 溢洪道三维仿真模型

3.2 泄流能力复核

溢洪道堰顶高程644.60m，堰型为驼峰堰，溢流总净宽21.0m，单孔宽度7.0m，共计3孔。根据现场实测数据，上游堰高P1=2.5m，圆弧R1=6.25m，R2=14.12m。盐津桥水库溢洪道为低堰，则Hd=8.0m，堰型为a型，泄流计算公式为：

(1)

式中Q——流量，m3/s；

B——孔口总净宽，B=21.0m；

ε——闸墩侧收缩系数，ε=0.95；

H0——未计入行近流速水头的堰上总水头；

m——为流量系数，当P1/H0>0.24时，m=0.414(P1/H0)-0.0652。

经计算得盐津桥水库溢洪道泄流能力复核成果，见表1。

表1 溢洪道泄流能力复核成果

表1可知，各工况下溢洪道现状最大下泄流量均小于允许下泄流量，泄流能力满足要求。

3.3 消能防冲复核

3.3.1 FLOW-3D模拟仿真分析

盐津桥水库溢洪道结构体形复杂，无有效的常规水力计算方法，大坝运行和泄洪的安全评价运用FLOW-3D软件进行仿真分析，采用RNG湍流模型。计算工况：①消能防冲工况(P=3.33%)，上游水位651.90m，设计下泄流量787m3/s；②校核工况(P=0.1%)，上游水位656.17m，设计下泄流量1570m3/s。仿真分析得流速和水深分布见图3～图8。

图3 消能防冲工况流速分布

图4 消能防冲工况水压力分布

图5 消能防冲工况流速剖面

图6 消能防冲工况水压力剖面

图7 校核工况流速分布

图8 校核工况水压力分布

根据FLOW-3D数值模拟输出成果，分析得消能工况下泄槽段典型断面的水深及流速值(如表2)。

表2 消能工况泄槽段典型断面水深及流速分析成果

通过FLOW-3D仿真分析，从流速和水深分布图显示及表2可知，消能防冲工况下，水流流态相对平稳，消力塘消能效果明显；校核工况下，水流流态紊乱，消力塘出口左岸有下泄水流溢出挡墙现象，左侧边墙存在超高不足问题。

根据《溢洪道设计规范》(SL 253—2018)中的鼻坎挑流消能和跌流消能公式进行计算，得下游挑流消能和跌流消能分析成果(如表3、表4)。

表3 下游挑流消能分析成果

表4 下游跌流消能分析成果

由表3和表4可知，根据FLOW-3D分析数据计算获得的盐津桥水库泄流能力和消能防冲复核成果为：ⓐ消能工况最大挑距为69.21m，挑坎出口至河对岸平面距离为73m，泄洪时不会冲刷岸坡；ⓑ校核工况最大挑距为83.0m，泄洪时存在冲刷岸坡现象，会危及对岸污水处理厂的运行安全；ⓒ当水库通过小流量跌流泄洪时，射距为31.79m，水流基本挑落至下游冲坑，对挑坎边坡影响较小。

3.3.2 分析成果对比

为验证FLOW-3D模型进行消能防冲仿真分析的准确可靠性，将数值模拟成果与《贵州省仁怀市盐津桥水库蓄水安全鉴定设计自检报告》成果进行对比分析。安全鉴定报告中；溢洪道消力塘出口陡坡段坡比为1∶1.8，末端采用挑流消能，反弧半径15m，挑射角0°。受当时条件限制，溢洪道泄槽段于2010年才实施完成，且实际施工中对溢洪道结构进行了适当调整，即：陡坡段坡比调整为1∶2.0，其余参数不变。各频率洪水泄流能力和消能防冲分析成果如表5。

表3～表5对比分析可知，由于溢洪道施工时进行了局部调整，且各阶段计算方法不同，故计算成果存在一定差异性。但消能工况最大挑距相差仅2.4m，占原设计挑距的3.3%；校核工况最大挑距相差2.1m，占原设计挑距的2.6%。FLOW-3D仿真分析数据与原设计值相近，说明数值模拟的模型结构及参数设置合理，分析获得的水深和流速数据能够满足大坝运行和泄洪安全评价的泄流能力和消能防冲计算要求，仿真分析数据成果合理、可信。

4 结 论

采用FLOW-3D软件构建RNG湍流数值模型，对已建盐津桥水库大坝不同工况下的泄流能力和消能防冲效果进行模拟仿真分析，获得大坝运行和泄洪期的主要安全鉴定复核成果：溢洪道下游冲坑距大坝较远，约170m。冲坑薄层夹中厚层泥质白云岩基础抗冲刷能力较强，冲坑的发展对大坝安全影响较小；消能工况下，消力塘内能够形成稳定淹没水跃，达到消能作用，溢洪道边墙超高满足泄洪要求；校核工况下，消力塘内不能形成稳定水跃，无法发挥消能作用。同时，消力池出口段左岸边墙超高不满足泄洪要求，下泄水流会对岸坡造成冲刷破坏，危及对岸污水处理厂的运行安全。

盐津桥水库为中型水库，为保证大坝长期稳定运行及下游防洪安全，继续发挥灌溉和发电效益，后期需结合仿真分析成果辅助实体水工模型试验进行系统论证，以期为水库防洪策略制定和调度运行提供更多数据支撑。