何家沟水库除险加固工程消能墩体型和位置优化研究

付云鹏

（凌源市水利工程管理站，辽宁省朝阳市凌源市 122500）

1 工程概述

何家沟水库位于辽宁省凌源市刀尔登镇南店村，是一座主要以防洪为主兼顾灌溉、养鱼的小（Ⅱ）型水库。何家沟水库于1969年完成初步设计，于1971年建成并投入使用。2008年水库进行过简单维修，但是维修不彻底，2016年4月，朝阳市水务局组织专家对该水库大坝进行安全鉴定，结果为三类坝，需要进行除险加固。在除险加固设计方案中，溢洪道总体布置不变，由引渠、溢流堰、陡坡、跌坎组成。本次设计原溢洪道边墙高程不满足泄洪要求的拆除重建，底板重新以钢筋混凝土衬砌，采用0.3m厚的钢筋混凝土结构；跌坎下游设10m消力池，池深0.6m，采用钢筋混凝土结构厚0.5m，在钢筋混凝土下再铺设0.2m碎石垫层，在消力池埋设排水管。下游设15m石笼海漫防冲，厚度为0.5m。受到地形因素的影响，消力池的池长与加固前相同，由于防洪设计标准提高，传统挖深消力池已经不能满足消能要求，因此计划采取在消力池内设置消能墩的方式解决[1]。基于此，此次研究通过模型试验的方式，探讨最加佳的消能墩墩型和设置位置，为工程设计和施工提供支持。

2 有限元计算模型

使用FLUENT软件，对梯度较大的流动区域进行模拟计算，可以对流动情况进行精确预测[2]。

2.1 模型的构建

为了保证计算结果的准确性，此次研究计算模型包括上游100m库区，溢洪道引渠、溢流堰、陡坡、跌坎段，下游消力池以及海漫段[3]。其中，上游库区的地形起伏较大，其静思园区域难以通过规则图生成，因此将上游地形点导入CFD前处理软件，再生成几何图形，对于其余规则形状部分，则在autoCAD中生成实体，导入CFD前处理软件，并与上游计算区域相连，最终形成完整的计算区域[4]。模型构建过程中对整个模型结构全部进行六面体结构化网格划分。鉴于T型墩部位的水流流态复杂多变，为了保证计算结果的科学性和有效性，对T型墩附近区域进行网格加密处理，整个模型共划分为39个体、245个面，618 895个网格单元。其中，T型墩附近区域的模型网格划分示意图如图1所示。

图1 T型墩附近区域网格划分示意图

2.2 边界条件

此次模拟计算研究涉及到的边界类型有三个，分别为水流入口、水流出口以及固壁边界[5]。模型进口采用速度进口，由上部的气体入口和下部的水流入口两大部分组成。其中，水流进口在水库的水流入口veolicity—inlet，以水位和单宽流量给定进口速度；气体边界部位采用压力边界条件，其压力值为一个标准大气压[6]。模型的出口为自由出流，整个计算模型的顶部为压力出口，为给定大气压强。模型的溢洪道边墙和底板均采用固壁边界条件，近壁区采用标准壁面函数进行处理。为了提高模型计算的精度，在设置完成边界条件之后，将上游水库部分水位线以下全部充满水，其他区域全部充满空气[7]。

2.3 计算方案

消能墩主要依靠依靠水流紊动产生的小尺度漩涡的局部掺混、剪切消除水流能量，降低消力池下游的水流流速，减轻冲刷破坏[8]。为了获得最佳的消能墩设计方案，同时减小运算量，试验中首先将消能墩的位置确定在消力池池首，对梯形墩、T型墩和顶角60°T型墩三种常见的墩型进行计算和比选，以确定最佳墩型。然后，针对最佳墩型选择消力池池首、池中和池尾三个不同的位置进行比选研究，以确定最佳的消能墩位置。

3 不同墩型计算结果

3.1 流速

对位于消力池池首的不同墩型和不同下泻流量条件下的各关键断面的流速进行模拟计算，从计算结果中提取最大流速值，结果如表1所示。由计算结果可以看出，随着下泻流量的增大，T型墩对流速的消减最为明显，而下泻流量较小时，由于其没有和尾坎相连，其相对流速的控制作用不如梯形墩。但是，对于背景工程为代表的低水头溢洪道而言，其消能结构的主要作用体现在大流量条件下，因此认为T型墩最为适合。

表1 不同墩型最大流速计算结果

3.2 水跃高度

水跃高度也是评价消能结构消能效果的重要指标，研究中利用构建的有限元计算模型，对不同墩型、不同下泻流量条件下的水跃高度进行计算，结果如表2所示。由表中的计算结果可以看出，在下泻流量较小的情况下，三种墩型的水跃高度比较接近，随着下泻流量的增大，T型墩的水跃高度明显偏小，而顶角60°墩的水跃高度最大。这说明，T型墩可以产生相对较好的消能效果。

表2 不同墩型水跃高度计算结果

3.3 能量损失系数

利用有限元模型对不同墩型方案的综合能量损失系数进行计算，结果如表3所示。从计算结果可以看出，对于背景工程而言，T型墩方案在不同流量条件下的综合能量损失系数最大，具有显著的消能优势。因此，推荐采用T型墩墩型。

表3 不同墩型能量损失系数计算结果

4 不同消能墩位置计算结果

4.1 流速

对位于不同位置和不同下泻流量条件下的各关键断面的流速进行模拟计算，从计算结果中提取最大流速值，结果如表4所示。由计算结果可以看出，当T型消能墩位于池首时的流速最大，其次是位于池中，最大流速最小的是池尾方案。由此可见，对于水流动能的消减，将消能墩置于池尾和尾坎相连时的效果最好。

表4 不同消能墩位置流速最大值

4.2 水跃高度

研究中利用构建的有限元计算模型，对不同T型墩位置、不同下泻流量条件下的水跃高度进行计算，结果如表5所示。由表中的计算结果可以看出，三种墩型的水跃高度比较接近，随着下泻流量的增大，T型墩的水跃高度明显偏小，而顶角60°墩的水跃高度最大。这说明，T型墩可以产生相对较好的消能效果。由表中的结果可以看出，池首和池尾方案下的水跃高度比较接近，池中方案下的水跃高度相对偏大，但是差距并不明显。由此可见。消能墩位置对水跃高度的影响不明显。

表5 不同消能墩位置水跃高度计算结果

4.3 能量损失系数

利用有限元模型对不同消能墩位置方案的综合能量损失系数进行计算，结果如表6所示。从计算结果可以看出，对于背景工程而言，在各种不同泄流量工况下，消能墩位于池尾时的综合能量损失系数最大，其次是池中部位，位于池首时的综合能量损失系数最小。由此可见，当T型消能墩位于池尾时可以获得最佳消能效果。因此，推荐在工程设计时将T型墩墩型设置在池尾。

表6 不同消能墩位置能量损失系数计算结果

5 结论

此次研究以具体工程为背景，利用数值模拟的方式，探讨了消能墩的最佳设计方案，获得的主要结论如下：

1）模拟计算结果显示，相对于梯形墩和顶角60°墩，T型墩方案的有助于控制大泄流量下的断面流速，水跃高度最小，综合能量损失系数最大，具有最佳消能效果。

2）相对于池首和池尾，将T型消能墩置于池尾时，断面流速和水跃高度最小，综合能量损失系数最大，具有最佳消能效果。

3）综合模拟计算结果，建议工程设计中在消力池的池尾设置T型消能墩。□