基于CAD-Fluent计算模型下的水库溢洪道水力特性分析研究

徐 玮，林 立，蒋 婉

(江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223001)

1 概 述

溢洪道作为水利工程中重要泄流设施，其运营可靠性与消能设施、泄洪洞、溢流面等水工建筑均密切相关[1-2]，探讨溢洪道结构设计需要综合分析其水力特性影响变化。消能池边墙是溢洪道一种重要消能设施[3-4]，其设计状态关乎溢洪道出流段消能率，研究边墙设计参数有助于提升溢洪道运营水平。何志亚等[5]、周望武[6]、孟云祥等[7]根据溢洪道工程实际设计，建立溢洪道物理模型，开展水工结构模型试验，研究其水面线、流态及流速等水力特征参数，优化结构设计参数及运营状态。王月华等[8]、刘明潇等[9]、刘少丽等[10]采用MIKE 21、Flow 3D等水沙模拟平台，开展了溢洪道、消能池等结构的水动力学特征分析，结合水沙特征分析工程运营状态。刘长勇[11]、刘菊莲[12]、靳晟等[13]采用Fluent流场计算软件开展了消能池、沉砂池及溢洪道等水工结构的水力特性计算，从渗流场特征状态探讨水工体型设计优化，为工程建设提供了实际依据。

本文基于某水库溢洪道水力特性研究问题，分析消能结构边墙扩散角对溢洪道水力特征影响，为某河运营及上游水库泄流设计提供参考。

2 CAD-Fluent计算模型

2.1 工程背景

某河作为苏北地区重要人工水利通道，承担着地区农田灌溉、供水调水及防洪排涝等功能，设计农业生产灌溉率为85%，面向农业生产净供水量超过850×104m3。设计有多条输水灌渠支流，渠底采用特种防渗混凝土衬砌材料，输水耗散率不超过15%，渠坡渗透坡降不超过0.15，稳定性较佳。面向地区工业、居民用水设计供水保证率达90%，生活用水年供水量超过300×104m3，工业生产用水一方面来自某河地表水，另一方面来自上游污水处理转换。从某河供水保证率及河床水位来看，其变化特征见图1，根据地区水资源现状设定河道水位消落线、出力区等，最大水位高程为76 m。根据对某河运营现状分析，调供水、输水等水利功能离不开上游某水库的泄流支撑，根据水力运营分析得知，某水库枢纽集大坝、溢洪道、引水隧洞为一体，管控流域面积超过30 km2，直接影响某河河道长度25 km，间接全覆盖影响水资源调度、水沙演变等。该水库枢纽设计年径流量为1.05 m3/s，年过水流量超过3 000×104m3，设计库容量为500×104m3，其各部分水工结构平面布置见图2。作为某河上游重要水利控制枢纽，其加固、改扩建坝体轴长超过455 m，最大坝高达75.5 m，迎背水面坝身坡度分别为1/1.5和1/1.2，采用厚度为0.4 m的混凝土防渗面板，在坝底部设置厚度约为55 cm的防渗层，全坝身在某河汛限水位运营下渗流场活动均较稳定，监测表明起动水压力不超过10 kPa。

图1 河道水位汛限特征

图2 水库溢洪道平面布置

该枢纽另一重要水工设施即为溢洪道，其位于主坝右侧，全长284.5 m，包括进出水渠、水力控制段、泄流段及消能段，堰顶高程为72.5 m，进水段长度为48 m，坡度为1/20，泄流段槽身长度为63 m，阶梯式弧形溢流面设计，坡度为1/1.5，两侧建有翼墙结构，高度为4.5 m，出流段采用消力墩与消能池联合消功措施，墩体为预应力混凝土结构，墩厚为1.6 m，与两端翼墙横纵梁加固连接，结构体系最大张拉应力不超过2 MPa，溢洪道立面几何布置见图3。溢洪道泄洪闸采用双孔式设计，单孔净宽为6 m，堰顶为WES体型，且为底流消能，由于下游某河控制水力势能的问题，溢洪道消能设计对出流段水动力特征影响至关重要，特别是消能结构压强、紊动场等特征。为此，工程设计部门针对某水库枢纽溢洪道结构开展水力特性计算分析，进而为某河运营及上游水库溢洪道设计提供依据。

图3 溢洪道立面几何布置

2.2 CAD-Fluent模型

本文采用Autodesk CAD几何软件建立该水库溢洪道模型，见图4，该模型中包括泄洪洞、进水渠、消能池挑坎段等。所建立的溢洪道模型堰顶、溢流面体型等均以实际工程设计为依据，消能池设置有边墙，高、厚等设计参数均与泄槽段翼墙一致。该边墙有助于扩散水力势能，但其泄流扩散角处于优化阶段，根据联合消功设计标准，其扩散角不超过10°，有利的联合消功扩散角度对控制出流段水力特征、提升下游某河输水安全具有重要作用，因而本文以消能结构扩散角设计优化为研究对象。

从CAD建模平台中完成几何模型构建后，导入至网格化Fluent平台中开展水力特征计算[12]，图5为网格化后溢洪道模型。该模型经结构模型网格化后，共获得网格单元286 842个，微单元节点223 867个，所有微单元均为边长0.8 m的方体。为分析方便，图5计算模型中设定X-Z三向分别指代溢流方向、指向边墙右向及水工结构自重方向。在该模型中，上下游均为固相条件，水位已设定，底部及边墙交界面均为光滑壁面，采用瞬态法求解各水力特征参数。

图4 水库溢洪道模型

图5 溢洪道计算模型

根据某河汛期水位，设定溢流面上下游水位分别为71.5、62.4 m，泄流量按年均值设定，为225 m3/s，此即为计算工况荷载条件。扩散角度按照联合消功要求，设定有1°、区间梯次为1.5°的1.5°～9°设计方案。

3 不同扩散角下溢洪道水力特征

3.1 流速特征

根据对溢洪道消能边墙不同扩散角度方案下计算，获得溢洪道出流段流速特征。本文以出流段80m断面距离为分析对象，见图6。

从图6中流速变化特征分析可知，当扩散角增大，断面流速水平为先增后减变化。以断面9 m处为例，在扩散角1°方案中流速为2.76 m/s，而扩散角为4.5°、6°、9°时，其流速相应分别增长2.98倍、3.52倍、2.65倍，而流速水平增长节点在扩散角6°后发生逆转变化，扩散角7.5°、9°方案中该处断面流速较之6°下分别减少21.6%、19.2%。笔者认为，当扩散角增大后，进入出流段的水体质量增多，超过联合消功的承载范围，进而使水流进入消能段后流速水平减小；而在扩散角处于出流段可控流区间时，愈大的扩散角只会增大进入消能段的水体势能，进而经出流段能量转换后，水体流速水平升高。从各扩散角设计方案的断面流速水平也可看出，在扩散角1.5°时出流全断面平均流速为4.8 m/s，而在扩散角每增大1.5°时，扩散角在1.5°～4.5°各方案之间断面平均流速可增长67.8%，扩散角4.5°方案平均流速最高达13.4 m/s；而在扩散角4.5°后三方案中，断面平均流速降幅12.8%。从溢洪道消能设计优化考量，流速水平过低，不利于泄洪运营，也会削减联合消功结构消能率。

分析断面流速变化稳定性可知，当扩散角过低时，虽流速水平仍维持较高，但其在出流段上流速稳定性欠佳。如扩散角1.5°方案中，断面流速最大可达9.1 m/s，为断面62 m处，但该方案中断面间流速最大波幅也可达157.1%，位于断面16～24 m。同理，当扩散角处于较大时，如扩散角6°、7.5°方案中，出流段中均有较大的流速波幅，最大波幅分别可达45.6%、71.2%。笔者认为，当出流段中流速波幅性较大时，一方面会对消能池及消能墩等联合消功带来不稳定渗流因素，同时流速波幅性变化，会造成水力消能过程中引起断面上水工建筑的冲刷损耗[14-15]。因而，扩散角控制一方面应确保流速水平，也应同时控制断面流速稳定性。

图6 扩散角对流速影响变化

图7为不同扩散角方案中消能池内流速分布特征。从图7中可看出，各扩散角方案中池内流速最高均位于中部，而在两侧壁及下游流速递减。扩散角3°、4.5°方案中，流速水平基本接近，两方案中池内均有少量的漩涡分布，特别以池尾及边墙侧壁为显著；当扩散角为6°、7.5°时，漩涡分布显著增多，且逐步从池尾蔓延至中部，甚至在靠近一侧边墙区域，漩涡分布宽度接近消能池宽度的1/2。由此表明，过大的扩散角，不仅不利于流速量值特征，还会导致消能池内涡旋等非稳定渗流分布增多。综合消能池内流速分布及流速影响变化特征，扩散角在3°、4.5°时水力特性更为有益。

图7 消能池内流速分布特征

3.2 压强特征

为研究溢洪道消能边墙扩散角对出流段压强影响，本文计算获得该区段内各断面时均压强特征，见图8。当边墙扩散角愈大，出流段整体压强水平增大，在断面16 m处扩散角1.5°时其压强为70.1 kPa，而扩散角为4.5°、6°、9°时该断面处压强较之分别增大19.2%、41.5%、74.4%。从断面平均压强来看，扩散角1.5°时出流段平均压强为75 kPa，当扩散角在各方案中每阶次增大1.5°，则其断面平均压强增长11.4%。当扩散角增大，此时边墙接触水体面积增大，在出流段计算出的时均压强水平提高。从各断面上压强变化特征来看，在扩散角低于4.5°时，各扩散角方案中压强在断面48 m后处于增幅停滞或稍有降幅特征。如扩散角1.5°方案中，断面58、72 m较之断面48 m下压强分别减少1.3%、16.4%；而在扩散角4.5°方案中，断面48 m后增幅接近0，表明出流段末端压强稳定性较高，利于控制涡旋流、稳定水面线作用。而在扩散角6°～9°方案中，压强的稳定增长仅集中在断面0～32 m上，而在断面32 m后压强具有显著波幅，最大波幅可达10.4%～11.2%，且扩散角超过4.5°后的方案中波幅最大断面均为一致，即断面48 m处。当扩散角过大时，虽能保证较高的压强水平，但持续稳定性不佳。综合压强受扩散角影响变化特征，认为扩散角控制在中等角度下即可，如4.5°方案。

图8 扩散角对压强影响变化

4 不同流量下溢洪道紊流特征

紊流特征反映了出流段渗流稳定性，当改变边墙扩散角，对消能段水力势能的改变，会影响紊动场变化。图9为不同扩散角方案下消能池内各断面紊动能变化特征。

从图9中紊动能参数变化可知，扩散角与紊动能具有正相关关系。在扩散角1°时，池内断面0.5 m处紊动能为3.8 m2/s2，而扩散角为4.5°、7.5°、9°方案下，同断面处紊动能分别增长1.93倍、2.3倍、2.4倍，表明增大扩散角，消能池内具有较活跃的紊流势能交换。从池内断面平均紊动能参数来看，在扩散角1.5°时为9.7 m2/s2，而随扩散角方案的阶次增长，池内断面平均紊动能的增幅为11.3%。不可忽视，在扩散角6°方案后，紊动能的增幅处于极低状态，扩散角9°、7.5°较之扩散角6°下分别仅增长4.5%、1.7%，表明扩散角增长到一定区间后，其消能池内紊动能的变化达到饱和状态，而该临界扩散角即为4.5°。另一方面，在扩散角9°、7.5°等方案中，不仅紊动能增幅较小，且局部断面具有较大波幅现象[16]，这也印证了前文涡漩场流速的波动性。分析可知，控制消能池紊动场有助于高消能率与稳定渗流场兼有，而本边墙扩散角在4.5°时，不仅紊动场特征且水力特征综合稳定性均属最优。

图9 扩散角对紊动能影响变化

5 结 论

1) 扩散角增大，出流段断面流速为先增后减，流速最高为扩散角4.5°方案，平均流速达13.4 m/s；扩散角过小与过大时，断面流速波幅均较大，扩散角1.5°、7.5°方案中，最大波幅分别可达157.1%、71.2%。消能池中部流速最高，但在高扩散角方案中，漩涡分布区域增大至池宽度的1/2。

2) 扩散角愈大，压强增大，扩散角每阶次增大1.5°，则断面平均压强增长11.4%；扩散角低于4.5°时，压强在断面48 m后处于增幅停滞或降幅，扩散角6°～9°方案中压强稳定增长段仅集中在断面0～32 m上，其他断面中波幅较大。

3) 扩散角与紊动能具有正相关关系，随扩散角方案阶次增长1.5°，断面平均紊动能的增幅为11.3%，但在扩散角6°方案后增幅较低，且局部断面出现紊动能的震荡变化。

4) 综合溢洪道水力特性与紊动场特征，在边墙扩散角为4.5°时，稳定性及运营可靠性最优。