某水庫臺階式溢洪道泄流水力特性研究

洪琛

（遼寧省湯河水庫管理局 遼陽市 111000）

某水庫臺階式溢洪道泄流水力特性研究

洪琛

（遼寧省湯河水庫管理局 遼陽市 111000）

隨著碾壓混凝土壩設計、施工技術的不斷發展和完善，以及計算機運算性能的不斷增強，其在流體力學的計算應用也在快速普及，數值模擬技術已經逐漸成為水庫臺階溢洪道水力特性的模擬研究的主要方法，促進了臺階溢洪道的實踐應用，而對臺階溢洪道泄流水力特性的實踐研究也就具有十分具有重要的意義。

臺階溢洪道 水庫泄流 數值模擬 水力特性

水是自然界最豐富的能源，其通過技術手段可轉化為生活所必須的電能。水能資源的合適利用與水利工程的運行狀況密切相關，因此水利工程的科學研究和合理設計就顯得尤為重要。世界范圍內每年依舊有很多水利工程處于危險狀態，一旦這些大庫、高壩出現決口或潰壩現象，這將給社會經濟和國民生活帶來不可估量的破壞和損失。

在傳統水利工程中，為設計消除水流過壩時的能量，水庫溢洪道普遍采用光面設計。隨著時代的進步，實踐證明溢洪道采用光面設計已經無法滿足水利工程設計運行所需的逐步提升的消能要求。在此應用背景下，臺階溢洪道進入了水利科研重點方向，與光面設計相比其更加適應時代的發展和滿足水利工程的實際需求[1]。水庫溢洪道采用臺階式設計，可以有效降低溢洪道水流流出時的流速，實現了減小下游消能設施規模的目標。

1 工程概況

某水庫總庫容約為231萬m3，其洪水位經校核約為1 417 m，工程設計中設的計洪水位為1 413 m。該水庫的工程規模屬于Ⅳ等小型，工程的樞紐布置包括混凝土重力壩、上壩公路及輸水管線等水利工程的重要結構。

水庫的大壩設計的壩頂高程為1 440 m，工程最大壩高設計為45 m。大壩設計選址時考慮“V”型河谷為標準，根據工程實際，其主體壩體結構設計為對稱建設。壩體的中間部分屬于河床溢流段，滿足了壩體流水需要；壩體的兩邊設計為非溢流壩段，分別為左岸及右岸非溢流壩段。該水庫的壩體泄洪洞設計結構包括進水塔、洞身段、斜洞段及消力池四個重要部分。

2 臺階溢洪道數值模型

2.1 建立模型

通過CAD建立該水庫臺階溢洪道的模型。設計三維模型的臺階溢洪道水流水頭的設計值和校核值分別為37.1 m和38.9 m，設計臺階溢洪道的標準長為38.1 m，寬為29.1 m。

三維模型需要進行計算網格的劃分，其由CAD建模且導入前處理器ICEM處理，并需要設置設計系統的邊界條件。為了滿足臺階溢洪道的模型計算，采用ICEM中的四面體網格劃分，網格間距設定為0.8 m，且對溢洪道模型的臺階處網格進行加密處理，其臺階處網格總加密層數設定為4層，且采用逐層加密方式。臺階溢洪道的邊壁和臺階模型經網格劃分如圖1所示。

圖1 計算區域及網格示意圖

2.2 邊界條件及參數

水庫臺階溢洪道的模型計算選擇采用標準k—ε兩方程紊流模型， 采用離散化控制方程的方法為有限體積法[2]。模型計算設定的邊界條件包括：①模型計算進口邊界條件，根據實際情況設定采用溢洪道水流進口壓力，采用標準k—ε模型，進口邊界k和ε值的給定會影響計算模型的收斂速度， 相應缺少的計算參數需要以默認值為標準進行計算； ②模型計算出口邊界條件，出口邊界設定為壓力出口，其他相應缺少的計算參數需要以默認值為標準進行計算；③模型計算壁面邊界條件，壁面的相關參數采用設置為WALL默認值，溢洪道壁面邊界設定了無滑移狀態速度，近壁區域的計算值通過壁面函數法進行設計整定；④自由水面條件：自由水面的追蹤設定采用VOF法，且由于建模的限制，計算模型設定為定常流模型。

對設計洪水和校核洪水的兩種工況進行建模模擬。模型計算的收斂依據設定為溢洪道進出口流量差值，且進行收斂判斷需結合設定系統的殘差圖進行。該臺階溢洪道模型進出口計算流量對比如附表所示。

附表 溢洪道進出口計算流量對比

3 計算結果對比分析

3.1 流態及水面線

目前臺階溢洪道的水流流態一般可分為三種，分別為跌落、滑行和過渡水流[3]。 跌落水流一般指流到的臺階溢洪道的水流在跌落中變現為水流的不連續，水流流態明顯表現為水躍。滑行水流是指臺階上的水流的狀態根據不同位置發生不同反應， 臺階的水流發生漩渦反應，而主流流過臺階依舊流向下游。過渡水流則是介于跌落水流和滑行水流之間的水流狀態。 不同工況下臺階溢洪道中剖面水流流態如圖2所示。 分析圖2可知臺階溢洪道水流會發生水流分層，且分層現象較為明顯，臺階內部水流會產生漩渦，且已以順時針為水流旋轉方向，主流的流動位置主要處于兩個臺階凸角連線的虛擬面， 因此根據該圖推斷該水庫臺階溢洪道的水流流態屬于滑行水流。

圖2 不同工況下臺階溢洪道中剖面水流流態的對比

臺階溢洪道的水流處于高速下泄狀態， 水流會發生劇烈的霧化現象， 該現象水工模型試驗中一般不會發生。臺階溢洪道數值模擬，系統在設計工況下臺階溢洪道水流的原型試驗， 模擬中設定的水流摻氣量相對較多， 且其水流深處摻氣現象更為嚴重[4]。圖3分別為該臺階溢洪道建模校核和設計洪水下不同摻氣工況的水面線與模型試驗數據的對比結果，分析洪水工況下上游河道段和WES曲線段可知，其實測水面與摻氣50%的水面基本保持一致，但臺階段的摻氣濃度的水面線與模型試驗數據分析與規律不一致。

3.2 壓強分布

該水庫臺階式溢洪道校核洪水工況下剖面的壓力分布云和壓力分布圖如圖4（a）、（b）所示。 對圖分析可知該水庫臺階區域普遍存在負壓現象， 其主要發生于臺階豎面的上部區域處， 且負壓區域的分布與臺階位置相關，隨著臺階位置的下降，其負壓現象也相應逐漸變小，最低處臺階負壓現象甚至消失。對水庫臺階式溢洪道進行數值模擬， 可清晰觀察到負壓不同分布以及分布程度規律， 展現了數值模擬的優勢[5]。其可幫助工作者清晰認知負壓現象，熟悉其分布和程度， 最終為水庫臺階式溢洪道的設計實踐提供理論基礎， 實現臺階負壓預測及預防水流空蝕現象發生。

圖3 校核和設計洪水工況下提取摻氣水面線與模型試驗數據

圖4 溢洪道中剖面的壓力分布云圖和壓力分布等值線圖

3.3 流速矢量分布

該水庫臺階式溢洪道設計和校核工況下剖面處水流的速度矢量圖如圖5的（a）、（b）所示。臺階溢洪道水流會發生水流分層，臺階內部水流會產生漩渦，以順時針為水流旋轉方向，且位于漩渦中心的水流流速最小。 對圖分析可知漩渦處水流流速由中心向四周逐漸增大。漩渦的產生使水流大量摻氣，在臺階式溢洪道實踐中實現了水流流動消能防沖的目的。

4 結論

通過對某水庫臺階式溢洪道按定常流進行了三維數值建模分析研究，研究分析了臺階溢洪道的水流流態、壓力及流速等的相關工作規律，得出以下結論：臺階溢洪道實現了泄流和消能功能，其消能效果良好，可實現節省工程造價，節省了下游消能設施的建設投資。

[1]李仲鈺,謝新生.淺談臺階式溢洪道的應用原理及應用前景[J].陜西水利，2013，(01)：32-34.

[2]張峰.臺階式溢洪道消能特性的研究[D].咸陽：西北農林科技大學,2014.

[3]文明宜.臺階式溢洪道水流比能特性的研究[D].咸陽：西北農林科技大學,2016.

[4]常曉亮.臺階式溢洪道與光面溢洪道水流形態及消能率[J].山西建筑,2010，(31)：23-26.

[5]田嘉寧,大津巖夫,李建中.臺階式溢洪道各流況的消能特性[J].水利學報,2003，(04)：35-37.

2016-12-30）

圖5 設計和校核工況下臺階溢洪道速度矢量圖

洪琛（1984-），女，遼寧遼陽人，工程師，大學本科，研究方向：水利水電工程。