基于Fluent计算泄流建筑体型设计对水力特性影响分析研究

黄志豪

(广州市花都区赤坭镇农业农村技术服务中心，广东 广州 510830)

泄流建筑乃是水利枢纽工程的重要组成部分[1-2]，保障泄流建筑的运营安全是工程设计的重要考量因素，提升泄流建筑设计水平很大程度上需要考虑水工结构的渗流特征[3-4]，其与水利工程安全运营密切相关。周望武[5]、施得兵等[6]、傅长锋等[7]通过分析水工设计参数，引入模型试验理论，设计开展水工模型试验，研究水闸、溢洪道等水工设施的渗流安全性，进而评价设计方案合理适配性。水工结构渗流活动与水利材料防渗特性密切相关，通过研究防渗结构渗流活动或分析渗流场特征[8-9]，有利于提升对水工结构渗流的认知水平。当然，渗流特征也可采用仿真计算手段，朱冬晋等[10]、王星等[11]、王静[12]研究各类水工建筑在不同工况或不同设计方案下，渗流场与设计参数、工况荷载关系，评价不同方案的利弊性，作为评价方案的依据。本文针对水电站泄流建筑中溢流坝、消力池等水工建筑的消能设计，研究了阶梯式溢流坝过渡段截面体型设计方案对渗流特征的影响，为评价溢流坝截面最优体型方案提供参考。

1 工程概况

水电站枢纽工程设计控制流域面积为1200 km2，年均流量为580 m3/s。该枢纽工程包括拦水大坝、溢流孔、消力池、发电厂房及泄水设施，坝体高度为52.0 m，最大库容达3.5亿m3，惠及农田面积超过66 666.7 hm2，每年可为地区提供绿色电力资源超过20亿kW·h。拦水大坝采用重力坝设计型式，坝顶最宽处为3.6 m，坝体内埋设有多类型渗流、力学监测传感器，下游坝趾处铺设有防渗垫层，厚度为55 cm，坝基位于灰岩层上，前期现场标准贯入试验表明最大承载力超过250 kPa，坝肩与坝平台处均加设有防冲刷墙，有效降低水力冲刷对坝体影响。溢流孔尺寸设计为12 m×8 m，采用弧形钢面板作为控水设施，另在面板背水侧设置有多支臂压杆支撑系统，结构允许其最大静力位移为5 mm；溢流表孔前设置有排沙闸设施，有效降低上游泥沙淤积对溢流孔影响，孔内含沙量最大不超过2.5 kg/m3，且孔内渗流活动较平静，无涡流、紊流等现象，此为弧形面板与溢流表孔良好适配的原因。消力池内铺设有6～8个消能坎，各坎高可根据上游泄流量进行人工调整，一方面降低水能，另一方面延长消力池运营寿命；在池两侧设置有预制水工挡土边墙，顶、底厚度分别为1.2 m、1.4 m，箱涵内可承受最大土压力超过2.6 MPa，墙后土坡内滑移量较少，并未形成显著滑移面，边坡稳定性较佳。泄水建筑包括有溢流坝、泄洪闸及消力池等一体系泄洪设施，其中泄洪闸设计最大泄流量超过300 m3/s，采用宽尾墩作为结构支撑体系，共有4根尾墩，每根尾墩间均采用横、纵连系梁作为加固结构，有效提升尾墩支撑体系整体性，降低泄流对尾墩动水冲击效应，溢流坝采用阶梯式体型设计。

2 模型概况

为分析该溢流坝设计体型对水力特征影响，本文利用UG平台建立溢流设施模型图[13-14]，该模型根据溢流坝阶梯式体型，共设置有25级阶梯，泄洪闸与溢流坝间设置有高度为16.7 mm的掺气坎，布设角度为水平方向10°，此为上、下游水工设施连接载体。为简化溢流坝计算模型，本文将部分边墙及导墙或垫层设施简化，仅研究溢流坝0+2.5～0+37.5 m区段内水力特征，该区域内消力池区域位横向2.5～5.2 m。所建立的计算模型如图1所示。

图1 溢流坝计算模型

该模型采用Fluent划分非结构化微单元体[15-16]，在溢流坝面、消力池等模型区域加密划分，适应水流体态特征。模型进水口设置为速度与压力边界条件，分别以气液两相流作为模型介质，在出口设置为压力边界条件；而模型顶部为无限制边界条件，底部为零自由度边界，坝体侧壁为摩擦边界。计算流量以上游峰值流量2500 m3/s为条件，流速与紊动能分别设定为0.3 m/s、0.0023 m2/s2，在上述基础设计条件下，针对阶梯式溢流坝上、下游过渡段设计体型开展水力特征分析。

3 溢流坝流态与流速特征

针对阶梯式溢流坝设计功能，本文对过渡段阶梯体型改良设计成弧形截面，但过渡段截面尺寸参数并未确定，本文设定过渡段弧形阶梯半径分别为4.2 mm(A方案)、4.7 mm(B方案)、5.2 mm(C方案)，其截面如图2所示，三种过渡段阶梯体型设计方案其他水力参数均保持一致，计算弧形阶梯体型下水力特性。

3.1 流态特征

基于气液二相流水力特征计算，获得典型方案下溢流坝流态特征，三种方案下流态特征基本类似，差异性较小。上游水流受尾墩影响，具有受约束效果，出现“水舌”效应，且具有层次感，当经掺气坎影响，水舌逐步与溢流坝阶梯产生旋转、滚动效应，不同截面弧形阶梯半径，则旋转的影响区域有所差异，以半径5.2 mm时水舌扰动影响效果最显著，但最终均会在下游出水口前汇入主流，并趋于平稳态势。水舌的旋转过程会局部产生碰撞、摩擦效应，造成局部紊动能，最终形成壅流效应[17-18]。

基于三种截面过渡段阶梯设计方案对比，计算获得溢流坝上掺气空腔分布特征，过渡段阶梯截面弧形半径增大，则无水区分布蔓延，半径4.2 mm 方案中仅涉及前14个阶梯，而在半径4.7 mm、5.2 mm无水区空腔阶梯长度均为15个，表明改变过渡段阶梯弧形截面，对溢流坝上空腔分布范围影响较小。从溢流坝空腔延伸长度来看，在半径4.2 mm方案中其空腔长度为10.8 m，而半径4.7 mm、5.2 mm方案中溢流坝空腔长度相比前者分别增长了3.7%、6.5%，分析表明，过渡段阶梯圆弧截面有利于提升溢流坝面掺气，空腔面积扩大，气相分布更利于溢流面。

3.2 流速特征

根据对三种设计方案中溢流坝渗流参数计算，获得泄流建筑中消力池中水位变化特征，图3为三种过渡段阶梯式设计方案下消力池断面上水位特征。从图3可知，三种设计方案下消力池中水位从上游至下游为递增效应，直至在出水口出现回落；各设计方案中消力池水位最高、最低分别位于断面31.0 m与断面1.5 m处，即消力池中水位所在断面位置不受过渡段截面阶梯尺寸参数影响，具有一致性，但峰、谷水位值与过渡段阶梯截面尺寸具有正相关，半径4.2 mm方案消力池峰、谷水位分别为17.74 m、12.58 m，而方案4.7 mm峰、谷水位较前者分别增长了6.8%、9.6%，同样在方案5.2 mm中增幅分别为11.8%、22.8%。在过渡段截面半径4.7 mm下消力池峰、谷水位分布为19.94、13.78 m，当截面半径增至5.2 mm后，其整体水位增大4.7%～12.1%。在断面10.0 m处截面半径4.2 mm方案的水位为15.09 m，而半径4.7 mm、5.2 mm下同断面水位较前者分别增长了7.3%、19%。分析认为，过渡段截面圆弧尺寸增大，消力池中水流方向受影响更显著，本质上是产生了池中的向心力，并且消耗大量紊动能，提升消力池消能水平，降低下游建筑受水力冲刷影响。

图3 消力池断面上水位特征

流速作为反映水力重要特征参数，本文从渗流场中提取出消力池中各断面上流速变化特征，如图4所示。从图4可知，从上游至下游消力池中流速为递减，直至在出水口流速限制减弱，量值有所回升；三种设计方案中流速最小、最大分别位于断面31.0 m与1.5 m处。过渡段截面圆弧半径4.2 mm的最大、最小流速分别为13.13 m/s、3.10 m/s，降幅为76.4%，而截面半径4.7 mm消力池中最大、最小流速降幅可达81.4%，特别是半径5.2 mm降幅更可达93%，表明，过渡段阶梯截面尺寸愈大，对流速限制效果愈好。对比三种设计方案中流速特征可知，半径4.2 mm时在断面12.5 m上流速值为10.45 m/s，而半径4.7 mm、5.2 mm时同断面流速相比前者分别减少了40.9%、62.8%，在消力池断面上半径4.2 mm 设计方案流速值与半径4.7 mm、5.2 mm方案差幅分别分布为16.1%～40.9%、36.5%～81.3%。综合分析认为，过渡段阶梯截面尺寸愈大，则水流受扰动影响愈大，水流需消耗能量愈大，进而在消力池中动能转化过程中较小，反映在流速量值降低，此有利于溢流坝消能设计目的。

图4 消力池中各断面上流速特征

4 溢流坝紊流特征

4.1 紊动能

溢流坝面紊流分布乃是渗流状态的重要体现，三个方案中紊动能均随溢流坝面至下游，呈逐渐递增的态势，在靠近中下游区域紊动能达到最大，各方案中溢流坝面上紊动能分布特征具有近似性，由于圆弧截面对水力势能耗散影响，在过渡段阶梯处紊动能分布有所差异，半径5.2 mm设计方案中紊动能分布具有连贯、集中特性，有利于出水口水流控制。

为评价不同阶梯段紊动能特征，针对典型阶梯的断面上紊动能进行分析，图5为13#阶梯上各断面紊动能变化特征。从图5三个设计方案对比可知，各阶梯断面上紊动能均随断面距离为递增；在13#阶梯上A方案中断面3 m处的紊动能为1.26 m2/s2，而断面4 m、6 m时紊动能较前者分别增大了11.7%、45.3%，从断面上整体紊动能表现可知，断面距离增大0.5 m，A方案中紊动能平均递增19.5%，此种现象在B、C设计方案中亦是如此，其平均增幅分别为7.1%、4.1%。对比不同设计方案可知，A设计方案中紊动能分布为0.65～4.30 m2/s2，而B、C设计方案中紊动能较前者具有增幅11.9%～2.51倍、28.5%～4.48倍，表明过渡段阶梯截面尺寸愈大，则水流受气相扰动作用愈显著，碰撞形成的紊动能愈大，此有助于下游消能减冲。

图5 13#阶梯断面紊动能变化特征

4.2 消能率

消能率乃是泄洪水工建筑设计的最终效果参数，笔者计算获得三种过渡段阶梯体型设计方案下消能率，如表1所示。笔者认为，当过渡段阶梯截面尺寸愈大，不仅可增强气液二相流分布，也可对消力池内流速抑制、紊动能提升具有重要作用，故在截面圆弧半径5.2 mm设计方案中其消能率可达58.95%，而半径4.7 mm、4.2 mm中消能率显著不及前者，分别为56.83%、52.85%。综合分析表明，当过渡段阶梯截面体型设计为圆弧形，有助于控制水能、降低流速，提升气液二相状态，对泄洪安全消能具有重要正面作用，因而选择溢流坝过渡段阶梯截面尺寸半径为5.2 mm时为最佳设计方案。

表1 三种过渡段阶梯体型设计方案消能率 %

5 结 论

(1)溢流坝面流态特征受过渡段阶梯体型影响较小，以半径5.2 mm方案水能扰动效果最显著；过渡段阶梯体型参数愈大，溢流坝上掺气空腔愈长，半径5.2 mm与4.2 mm方案中空腔长度增幅为6.5%，更利于溢流坝面泄流。

(2)消力池中水位从上游至下游为递增，在出水口出现回落，而流速为递减；各设计方案中峰、谷水位均位于断面31.0 m与1.5 m处，且流速最小、最大值也位于该断面，但水位值与阶梯截面尺寸具有正相关；过渡段截面圆弧尺寸增大，流速减小，池内各断面半径4.2 mm方案与4.7 mm、5.2 mm方案中流速差幅分别分布为16.1%～40.9%、36.5%～81.3%，有利于提升消力池降能水平。

(3)阶梯半径5.2 mm设计方案中紊动能分布有利于出水口水流控制；紊动能随溢流坝断面为递增，断面距离增大0.5 m，半径4.2 mm、4.7 mm、5.2 mm三方案中紊动能平均递增19.5%、7.1%、4.1%，且后两设计方案的紊动能相比半径4.2 mm方案下增长11.9%～2.51倍、28.5%～4.48倍；三方案中消能率分别为52.85%、56.83%、58.95%。

(4)综合三设计方案渗流特征分析，过渡段阶梯截面尺寸半径为5.2 mm时，消能减冲、流速控制、掺气空腔等均具有正向作用，为最佳方案。