台阶倾角对溢洪道陡槽段水流流态及水利性能影响规律分析研究

◇重庆市水利电力建筑勘测设计研究院 朱中烟

受地形限制，水电站溢洪道需要在狭小范围内完成高水头水流下泄任务，导致水流流速迅猛，冲击力巨大。常用台阶式斜陡槽及其他形式来完成水流能量耗散。为了进一步研究台阶倾角对溢洪道陡槽段水流流态及水利性能影响规律，同时为实例工程提供参考依据。借助重庆磨刀碛水电站溢洪道的资料进行三维建模分析，通过溢洪道陡槽段台阶倾角分别为0°、5°、15°、25°的对比计算工况，经综合对比分析，实例工程选择10°台阶倾角的设计方案。

1 前言

水库溢洪道下泄水流能量过大的问题严重威胁着水电站泄流结构建筑物安全以及正常运营。目前常用的消能处理措施有设置台阶式斜陡槽段、掺气旋滚、设置消力池等。其中，设置台阶式斜陡槽，利用水流跌落回弹的多次水跃来耗散水流能量是最常见的消能方式之一。根据文献[1-3]，笔者统计的国内的227座水电站溢洪道，台阶式斜陡槽的消能效率可以达到29.4%～74.8%，平均值59.1%，可见消能效果比较理想。

为进一步研究台阶倾角对溢洪道陡槽段水流流态及水利性能影响规律，本文选择重庆磨刀碛水电站溢洪道为实例研究工程，并以实例工程在设计流量下工况作为基本边界条件，进行三维数模建立并分析，研究不同倾角工况下实例工程整体区域的水流流态分布形态，并对比实际消能效率。

2 实例工程概况

重庆磨刀碛水电站是一座兼顾灌溉、发电、行洪的小型水利枢纽工程。工程设计水位为695.24 m，设计流量为215.33 m3/s。从泄洪口至下游尾门，平面长度为600 m，水头高差达到114.65 m。实例工程的平面布置情况见图1。

图1 实例工程总平面示意图

3 三维数学模型建立

3.1 计算对比工况设计

以实例工程在设计流量下工况作为基本边界条件，设计4组台阶倾角不同的对比工况，并为5°～10°为渐变步长；即设计下泄流量为215.33 m3/s，台阶倾角依次为0°、5°、15°、20°四组计算工况。各计算工况的体形尺寸见图2。

图2 对比计算工况设计

3.2 计算软件选择及网格划分

本次模拟采用FLUENT进行三维建模计算，以工况一为例，实例工程的三维模型建立见图3。模型采用四边形网格，网格间距设为1 m，在局部区域（如弧形边界、陡槽末端）采用加密处理。

图3 实例工程网格划分

4 三维数学模型计算结果分析

4.1 水流流场分布分析结果

经过本文数模计算，实例工程4组工况下的流态见图4（考虑到模型范围较大，因此只取12#台阶，即单台阶流速下降比最大的台阶，作为典型对比区域）。经对比分析可知：

图4 4组方案下在12#台阶处水流流场分布

（1）在各工况下，每一单级台阶下，90%以上的水体都直接沿着梯坎段轴线方向下泄；只有少量水体在单级梯坎的交角范围内出现了旋滚、和二次强迫水跃。

（2）每一单级台阶产生旋滚后的水流流速都断崖式下降（下降幅度达到84.2%～95.5%）；旋滚后水流基本贴着梯坎顺流而下，与沿着梯坎段轴线方向下泄的主流水体流向偏差巨大。

（3）总体来看，方案三下旋滚区流速最小，且旋滚水体占比最高，达到7.22%。

4.2 水流流速分布分析结果

同理，本节以12#台阶为例，4组方案下水流流速与测点水深关系图见图5（图5中y坐标标示测点水深，即测点与台阶底板的高程距离；x坐标标示测点的水流总流速）。分析可知：

图5 4组方案下在12#台阶处水流流速与测点水深关系

（1）随着测点与底板距离增大，测点流速单调递增，可见表面流速显著大于底部流速。尤其是在0～0.2 m的范围内，测点流速均小于10 m/s。

（2）不同工况下，流速分布规律基本一致，可见水深对测点流速分布影响远大于台阶倾角影响。

（3）在测点与底板距离为0～0.1 m范围内，测点流速均非常小，且水流以回流、环流、乱流为主，水流出现了明显的涡旋。

（4）工况1～工况4，模型尾水的流速依次为12.22 m/s、12.16 m/s、11.69 m/s、11.94 m/s。工况3的流速略小于其他工况，为最优流速分布。

4.3 压力分布

四组工况下，12#台阶的压强分布图见图6，且图6中压强等值线步长取3000 Pa。分析可知：

图6 4组方案下在12#台阶压强分布图

（1）四组工况下，12#台阶压强分布规律基本相同，即大部分区域为正压区（工况1～工况4，正压区区域面积占比依次为98.25%、98.31%、98.52%、98.36%），局部区域有负压区（负压区主要出现在水流刚飞入单级梯坎的左上方区域，该区域容易发生气蚀现象）。

（2）四组工况下，最大负压依次为-3252.6 Pa、-3176.5 Pa、-3028.9 Pa、-3378.6 Pa；四组工况的最大负压较为相似，且面积大小、发生区域也基本一致。总体来看，方案三的负压分布对溢洪道陡槽段的影响相对较小。

4.4 消能效率对比

溢洪道在梯坎段进、出口时水流的能量差与进口时水流能量的比值即为消能效率[10]，可用式（1）表示：

式中：为溢洪道进口单位重量水流的重力势能与动力势能之和；为溢洪道出口单位重量水流的重力势能与动力势能之和。

总体来看，在方案三工况下，水流的旋滚规模最大，出口流速值最低，耗散效率更高，优于其他工况。

表1 消能效率对比

5 结论

本文为了进一步研究台阶倾角对溢洪道陡槽段水流流态及水利性能影响规律，同时为实例工程提供参考依据，借助重庆磨刀碛水电站溢洪道的资料进行三维建模分析，通过溢洪道陡槽段台阶倾角分别为0°、5°、15°、25°的对比计算工况，分析各工况下的水利特性指标。研究结果显示，在方案三工况下，水流的旋滚规模最大，出口流速值最低，耗散效率更高（67.58%），优于其他工况。本文研究结论可以为类似水电站溢洪道设计时提供参考和借鉴。