泄流水工建筑设计体型对结构水力消能影响特性研究

刘 俊，谭海苗，赵梦丽

(南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000)

泄流乃是水利建筑进行水资源调度的重要运营活动[1-2]，而泄流所引起的水力势能变化对水工结构的冲刷影响必须考虑，探讨泄流水工建筑设计体型与水力消能降冲具有重要意义[3]，对不同体型的水工建筑进行渗流场分析有助于评价最优设计方案。李宁霄[4]、王常红等[5]、傅长锋等[6]根据原型试验理论，引入相似材料与复制尺寸，建立溢洪道、消能池等水工建筑的物理模型，在室内开展相应的渗流试验，进而评价工程设计方案的最优性。另一方面，通过对已有水工建筑运营中的渗流场开展模拟计算及监测分析，有助于探讨不同工况、不同外荷载条件下溢洪道、坝体等水工建筑的水力特征变化，为拟建水利工程的渗流分析提供参考[7-8]。为确定最优方案，利用Fluent等渗流场计算平台[9-10]，建立水工建筑计算模型，通过变换不同设计体型方案，研究各方案中水工结构渗流场变化特征，从而判定工程最适配方案，此种研究手段较为高效。本文根据淮安水利枢纽工程泄流水工建筑溢流面过渡段阶梯的水平坡度最优化问题，设计开展了不同坡度方案下稳定渗流场与紊动场的计算分析，为工程选择最优方案提供依据。

1 工程概况

由于苏北水资源分布不均，常造成部分工、农业用水部门水资源短缺等现象，不利于地区经济建设。为提升地区水利安全性，考虑对淮安水利枢纽工程进行提级加固，保障地区水资源调度安全性。淮安水利枢纽工程承担着发电、防洪、蓄水等作用，其现状水利设施包括有坝体、泄流水工建筑、溢流孔等，年发电量超过10亿kW·h，每年可为下游农田灌溉提供水量超过300万m3，极大稳固下游农业生产，可惠及农田10万hm2。目前，为提升泄洪设施与水利调度安全性，对溢流阶梯体型进行设计升级，溢洪道所在溢流面采用阶梯式消能与下游消能池联合降能设计形式，目前该阶梯布设整体坡度还未确定。为此，工程设计部门讨论以溢流面过渡段开展设计对比分析，探讨不同阶梯式溢流面过渡段体型下，运营工况中渗流场差异性。

2 研究方法

为确保设计对比计算结果可靠性，本文利用UG几何构图软件对阶梯式溢流面进行建模[11]，根据溢流面研究区段设置有20级阶梯，全长为14.5 m，溢流面上过渡阶梯共有8级，其他均为均匀阶梯，尺寸为17.8 mm×16.5 mm，其截面阶梯宽度为4.6 mm，一级阶梯尺寸为25.0 mm×16.0 mm，各阶梯上溢流坝高度以356.0～482.6 mm为主，本文各计算方案中仅更改过渡阶梯段水平坡度。计算模型简化部分消能坎与挡墙结构，仅研究溢流面上过渡段阶梯与均匀阶梯间渗流特征，所建立的计算模型如图1所示。

图1 溢流面计算模型

对所建立的几何模型导入至Fluent渗流场计算平台中[12]，划分微单元体，特别是在过渡段阶梯及下游消能池局部模型处加密划分。本模型中设定上、下游分别为速度与压力耦合条件，其中速度出口条件采用自由边界模式，乃是处于无滑移状态。溢流面顶部为法向运动边界条件，而在底部为零约束限制，在其他侧壁分布有摩擦力约束条件。各计算方案中均设定入口流量为150 m3/s，流速与紊动能分别设定为0.25 m/s、0.002 m2/s2，该模型中设定X、Y、Z正向分别为顺水流下游、竖直向上及溢流面泄流水体横轴左向。本文根据阶梯水平坡度不得低于10°，且布设坡度不得高于坝体坡度，对比计算方案设定溢流面过渡段阶梯水平坡度分别为10°、20°、30°，泄流建筑典型溢流面设计体型如图2所示，分别对三个设计方案的水力特征开展计算分析，探讨过渡段阶梯体型参数对消能减冲影响。

图2 溢流面阶梯式体型(单位：m)

3 设计体型与稳定渗流场关系

3.1 流态特征

根据对不同设计方案的泄流建筑溢流面流态计算结果，发现各方案中流态特征基本一致，变化过渡段阶梯水平坡度，并不影响溢流面上流态分布特征，本文给出阶梯水平坡度20°时溢流面流态特征，如图3所示。从图3可知，水气二相在阶梯面上具有交错特性，此主要由于阶梯式泄流导致水气出现混杂现象，而在下游经消能池内消能坎作用，气相逐渐与水相分离，特别受消能坎的调高作用，下游水流壅流效应显著，出现局部的紊流现象，水液相混流经翻滚、挑射作用，在消能池末端，水相分布占比减弱。分析表明，阶梯式溢流面有利于在消能坎及溢流段上减弱水力作用，进而在消能池末端及出水口水力冲刷效应减弱，不同阶梯坡度下均具有此类特征。

图3 溢流面流态特征

根据对不同阶梯水平坡度体型方案的流态计算，可获得溢流面上空腔分布状态，图4为三种设计方案下溢流面空腔分布特征。从图4可知，当阶梯水平坡度为10°时，其空腔分布长度为11.5 m，而在坡度为20°、30°时，相应的空腔分布长度较前者分别增大了18.3%、37.4%，即增大阶梯式坡度体型设计参数，有助于扩大气相空腔延伸范围。而从气相空腔分布在过渡段阶梯区域来看，当水平坡度为10°时，共有12个阶梯，而坡度为20°、30°下空腔分布阶梯数能达到14、15个，表明坡度有助于扩大水流内掺气分布，对水气二相流分布的稳定性具有促进作用。

图4 溢流面上空腔分布状态

3.2 消力池水深与流速特征

对溢流面上不同水平坡度方案下开展水力特征计算，获得池内断面上水位变化特征，如图5所示。从图5可知，三种过渡段阶梯坡度体型方案下断面上水位变化基本一致，由上游至下游水位呈先增后减变化，在靠近下游出口处水位具有下降趋势。笔者认为，当上游受溢流面泄流效应影响，进入消力池后水位乃是最低，故各方案中水位最低均位于池首0 m处，而经上游较大流量影响，断面上水位逐渐增大，当池内消能坎发挥降冲作用后，其水位逐渐平稳降低，水力势能减小。比较三个坡度方案下水位特征可知，当水平坡度愈大，则消能池内水位愈高，水平坡度10°时其断面水位平均为1.11 m，而坡度20°、30°时断面平均水位相比前者分别提高了50.5%、73.0%，即溢流面过渡段阶梯水平坡度愈大，愈有利于消力池内水能囤积，降低势能对下游水工建筑冲击作用[13-14]。另一方面，在水平坡度20°方案中，其断面2.00 m、4.00 m、8.00 m处水位较池首分别增长了30.8%、54.2%、80.9%，当断面位置每递进1 m，则水位增长8.7%；而断面超过8.00 m后，其水位乃是稳定降低，平均各断面间水位降幅可达5.4%。当水平坡度为30°时，其在池内峰值水位位于断面5.00 m处，相比坡度10°、20°下均有所提前，且在池首至峰值水位断面处，其平均增幅为12.5%，而从峰值水位至下游出口断面处其水位降幅可达7.6%；分析表明溢流面过渡段阶梯水平坡度愈大，对水能控制作用愈强，在消力池内对水力冲刷作用的减能效果更显著。

图5 消力池各断面水位变化特征

从三个方案的水力特征计算中亦可得到消力池各断面上流速变化特征，如图6所示。从图6可知，过渡段阶梯体型坡度愈大，则流速愈低，在断面5.00 m处坡度10°时的流速为12.6 m/s，而坡度增大至20°、30°后，相同断面上流速分别降低了39.2%、70.7%，从池内断面流速变幅整体来看，坡度10°下流速分布在7.24～17.40 m/s，但坡度20°、30°断面上流速较前者具有差幅16.0%～67.4%、27.6%～98.6%。另一方面，各方案下流速整体均呈递减变化，但尤以坡度30°下降幅更具显著，其各断面间流速平均降幅可达29.5%，而坡度10°、20°下平均降幅仅为6.5%、12.9%。综合认为，当水平坡度为30°时，不仅流速量值最低，且其受溢流面与消力池降冲效果最为显著，有利于水工建筑安全泄洪。

图6 消力池各断面上流速变化特征

4 设计体型与紊动渗流场关系

4.1 紊动能特征

根据水力特征计算，获得三个方案下紊动能分布特征，如图7。从图7可看出，溢流面上紊动能分布具有一致性，各方案中紊动能均是从上游至下游逐渐递增的过程，特别是在中下游阶梯区段处出现最大紊动能，但不可忽视，水平坡度愈小，则其紊动能分布分散性愈显著，导致溢流面上水能进入消能池后不利于控制水力冲击作用。

图7 紊动能分布特征

根据对溢流面上紊动能计算，获得各阶梯紊动能变化特征，如图8所示。依据图8中紊动能变化可知，水平坡度愈大，则其紊动能愈高，在过渡段阶梯5～12级上，坡度10°方案中平均紊动能为0.28 m2/s2，而坡度20°、30°较前者分别增高了2.86倍、8.20倍；各方案中紊动能分布差异最主要体现在过渡段阶梯上，在进水口处紊动能基本一致稳定在0.15 m2/s2，随上游至下游紊动能递增，特别是在过渡段阶梯后，各方案中紊动能均为递增态势，特别以坡度30°方案下增长趋势最大，在阶梯13～20级中，该坡度方案下平均增幅可达10.5%，而坡度10°、20°下平均增幅分别为6.3%、8.4%。当紊动能增长效果及量值愈大时，其对水流反作用效果愈好，产生扰动水流降低势能的作用[15-16]。

图8 各阶梯紊动能变化特征

4.2 消能率

根据对三个方案最终消能率计算，获得表1中对比数据。在溢流面阶梯体型水平坡度10°时的消能率为50.56%，而坡度为20°、30°时消能率分别达56.82%、60.28%，即坡度愈大，消能率愈大，溢流面过渡段阶梯水平坡度每增大10°，消能率可增长4.86%。综合三个方案的稳定渗流场与紊动场特征对比结果可知，选择水平坡度30°时更有利于泄流建筑的降能减冲效果。

表1 各方案消能率

5 结 论

(1)过渡段阶梯体型水平坡度对溢流面流态分布影响较小，但增大阶梯坡度，有助于提升气相空腔分布范围，坡度为20°、30°时空腔分布长度较10°时分别增大了18.3%、37.4%。

(2)消力池断面上水位为先增后减变化；坡度愈大，则峰值水位所在断面愈靠近池首，从池首至峰值水位断面，坡度20°、30°下水位平均增幅为8.7%、12.5%，而在断面超过8.0 m后，两坡度方案平均降幅分别为5.4%、7.6%；坡度愈大，则池内流速愈低，坡度20°、30°断面上流速较10°时具有差幅16.0%～67.4%、27.6%～98.6%，坡度30°下池内断面上流速降幅更显著。

(3)坡度愈小，紊动能分布愈分散，且紊动能愈低，坡度20°、30°下平均紊动能较10°时分别增高了2.86倍、8.02倍；溢流面过渡阶梯段上紊动能以坡度30°下增长最高，且该方案下消能率最大，达60.28%。

(4)综合稳定渗流场与紊动渗流特征，认为水平坡度30°时水工建筑的降能减冲效果最显著，方案最佳。