胸墻式泄洪閘模型試驗及數值模擬優化研究

王月華，劉 云，韓曉維，王自明，葉 龍，周盛侄

(1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；2.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江杭州310016)

0 引 言

泄洪閘是用以宣泄洪水并調節控制水庫水位的建筑物。在滿足泄洪要求下，為了減小閘底板高程，可設置較低的堰頂高程，同時又考慮擋水閘門高度不宜過大，常可設置胸墻擋水，形成胸墻式泄洪閘，其優點是可在庫水位較低時泄洪、減少閘門孔數和閘門尺寸。

研究泄水建筑物主要依靠物理模型和數值模擬[1-3]，這兩種方法相互依賴相互補充。劉世裕[4]通過模型試驗分析了影響直角胸墻溢洪道泄流能力的因素，胸墻底緣由直角胸墻改為橢圓曲線形胸墻，可顯著增加孔口的泄流能力。王敏[5]對溢洪道進口翼墻布置形式進行了試驗研究，推薦圓弧翼墻，使溢洪道進口水流流態平順，流速均勻，提高了溢洪道泄洪閘的泄流能力。羅岸等[6]通過模型試驗表明孔口胸墻底緣和進口引渠翼墻形式以1/4橢圓曲線較佳。郭慧敏[7]通過水工模型試驗對胸墻式泄洪閘的泄流能力及影響因素進行了分析總結。楊京廣等[8]應用紊流數值模型和VOF方法對低水頭大流量河床式電站大壩泄洪流場進行了三維數值模擬，結合物理模型成果計算分析了各工況下泄洪閘閘室及下游流場的流態，水面線，閘室內流速、壓力分布等水力特性值。郭園等[9]采用最新CFD方法對具體工程泄洪閘水流流態進行模擬分析，詳細分析了水力參數的規律性，并通過方案比較優化了吸氣漩渦和脫流現象。李蕾[10]和王新雷[11]利用FLUENT軟件對泄洪閘泄流進行了三維流場數值模擬，利用標準湍流數值模型得到校核工況下泄洪閘的泄流能力、水流流態、水面高程、速度場及壓力場等計算結果。

本文研究的泄洪閘位于水庫右岸，若水流進口體形不當，則可能造成局部流態紊亂、閘前吸氣漩渦、閘底板負壓和泄流能力不足等問題。因此，采用模型試驗和三維數值模擬方法，對泄洪閘水流特性進行綜合性分析。

1 工程概況

某除險加固工程的泄洪閘采用胸墻式泄洪閘。原設計方案是泄洪閘2孔，每孔凈寬4.5 m。泄洪閘的形式既非寬頂堰式閘孔，也不是常規的實用堰式閘孔，閘底高程和消力池池底高差為6.5 m。進口導墻為直立墻，與水流方向夾角20°。胸墻厚 0.6 m，胸墻底緣是橢圓形式，孔口上部采用內凹形式。水庫正常蓄水位12.6 m，設計洪水位16.5 m，校核洪水位17.5 m。平剖面布置見圖1a。原設計方案存在以下問題：①進水渠左側導墻頭部存在局部繞流；②校核工況泄洪時，進口前緣存在連續吸氣漩渦，大量挾氣漩渦進入閘室。針對原設計方案存在的問題，對泄洪閘進行了優化設計，優化方案一是改善孔口上游的導墻形式，減小平面側收縮的影響，二是采用流線形胸墻底緣，減小水流受胸墻影響產生的垂直收縮影響。因此優化方案閘室進口設置圓弧導墻，圓弧直徑17 m。在閘孔前緣設置垂直胸墻，胸墻厚3.2 m，胸墻底緣保持橢圓形式不變。平剖面布置見圖1b。

圖1 泄洪閘平面和剖面示意(單位：m)

2 研究方法

2.1 物理模型

模型試驗采用正態模型，按重力相似準則設計，模型比尺為1∶35。模型由水庫、進口段、閘室段及消能設施段、泄洪渠段組成。模型長約18 m，寬2～11 m。泄洪閘模型用有機玻璃制作，其糙率為0.009，而原型混凝土抹面糙率為0.011～0.017，按照相似比尺計算出模型糙率為0.016，滿足糙率相似要求。

2.2 數值模擬

為了得到優化方案更加詳細的水力學參數，本研究采用Flow-3D軟件對典型洪水工況進行數值模擬研究。采用RNGk-ε紊流模型，VOF自由液面處理方法。模型包括水庫、進水渠、閘室段、消力設施段、泄洪渠段。為保證來流條件盡可能均勻，減小其對后面流場的干擾，計算流場的進口邊界設在庫區上游200 m處。庫區入口為壓力入口，即上游邊界給定水位，出口同為壓力出口，并設置相應的下游泄洪渠水位。固定壁面采用無滑移的壁面條件，粘性底層用標準壁面函數方法處理。

3 成果分析

3.1 進口流態

胸墻式泄洪閘泄流一般由堰流逐漸過渡到孔流，本工程泄洪閘起調水位為13.02 m，因此均為孔口出流，其泄流能力計算一般采用孔流公式，即

(1)

式中，Q為過閘水流量，m3/s；μ為孔流流量系數；B為閘孔過流總寬度，m；e為閘門開度，m；H0為閘上水頭，m。

從式(1)可以看出，當閘孔凈寬和開度(全開)一定時，影響過閘流量的主要因素為流量系數和閘上水頭。當閘上水頭一定時，進口導墻及胸墻的布置形式是影響泄洪閘泄流能力的主要因素。

原設計方案為直立導墻+內凹式胸墻，試驗對其水流流態進行了觀測。結果表明，進水渠整體流態不平穩，進口上游12.5 m斷面平均流速約為1.7 m/s，Fr=0.17。左側導墻有明顯繞流，側收縮明顯，導墻頭部繞流流速約3.0 m/s，內外水位差約0.45 m。由于采用內凹式胸墻，胸墻附近存在靜態水體，當庫水位升高到校核水位時，這部分水體與來流進閘水體相互作用，水面波動明顯，存在連續吸氣漩渦，閘前水位發生大幅度升降，水位變幅達1.5 m，從而造成閘孔前緣水流流態不穩定，進水口水流流態見圖2a。

圖2 進水口水流流態

胸墻式泄洪閘進口形式對流量系數的影響較為顯著，為了改善帶胸墻孔口的入流流態，增大孔口的泄流能力，優化后的方案為圓弧導墻+垂直導墻。試驗結果表明，進水渠整體流態平穩，進口上游12.5 m斷面平均流速約為1.5 m/s，Fr=0.15。左側導墻繞流較原設計方案有明顯改善，導墻頭部繞流流速約1.7 m/s，內外水位差約0.3 m。閘室進口右側導墻沿線水流平順，導墻擴散角合理。胸墻前緣水面波動較小，胸墻前緣水面僅出現陣發性表面凹陷渦，但沒有氣泡隨漩渦進入閘室，流態明顯改善。胸墻底緣未發現脫流流態，水閘過流穩定。進水口水流流態見圖2b。

3.2 泄流能力

當泄洪閘體形一定時，閘上水頭是影響孔口流量系數的主要因素。圖3是優化前后的泄洪閘流量系數μ與相對開度e/H0關系。由圖3可知，不同開度的μ與e/H0存在較好的線性關系，流量系數隨著閘上水頭的增加而增加。

圖3 流量系數與相對開度關系

經擬合，原設計方案的試驗式為μ=-0.562 5e/H0+0.933 5，相關系數R2=0.999，適用范圍是0.27≤e/H0≤0.64。優化方案的試驗式為μ=-0.613 9e/H0+0.983 5，相關系數R2=0.997，適用范圍為0.29≤e/H0≤0.67。

根據式(1)分別計算兩種進口布置形式下泄洪閘在不同作用水頭時的流量系數，結果見表1。由表1可知，進口體形對泄洪閘過流能力的影響顯著，優化方案對應的流量系數較原設計方案增大3%～5%。

表1 泄洪閘流量系數

為了解優化方案的效果，采用數值模擬進一步對比分析。水閘兩孔全開下泄流量與水位關系量測成果見圖4。試驗值和計算值非常接近，說明數值模擬結果能較好的反應物理模型實測成果。表2為校核和設計工況下泄洪閘的泄流能力。可知，泄洪閘優化方案泄流能力滿足設計要求，并有一定富余。

表2 校核和設計工況泄流能力比較

圖4 泄洪閘水位流量關系曲線

3.3 壓力分布

為了解優化方案閘室底板曲線和消力池池前斜坡的壓力分布，在閘孔中心線上布置了8個測壓點(具體位置見圖5)，測試校核水位下的壓力分布，沿程各測點的壓力分布結果見表3，表明壓力計算值和實測值較為接近，閘室底板位置3有負壓出現，校核工況時最大負壓為0.69 m水柱，負壓較小，不易發生氣蝕破壞。

圖5 沿程壓力測點布置示意

編號測壓孔樁號高程/m壓力/m水柱物理模型數學模型10+08.6506.171.25 1.3920+011.006.060.07 0.1230+015.005.13-0.39 -0.6940+019.003.270.480.1050+020.882.023.44 3.0560+022.770.766.80 6.8470+024.49-0.059.19 10.0580+026.37-0.338.73 9.27

4 結 論

(1)泄洪閘原設計方案進水口水面波動明顯，存在連續吸氣漩渦，閘前水位發生大幅度升降，水位變幅達1.5 m，從而造成閘孔前緣水流流態不穩定。優化方案能很好的改善進水口漩渦，胸墻前緣水面僅出現陣發性表面凹陷渦，水面存在一定波動，但沒有氣泡隨漩渦進入閘室。

(2)泄洪閘流量系數隨著閘上水頭的增加而增加。進口導墻和胸墻對泄洪閘過流能力的影響顯著，優化垂直胸墻布置方案對應的流量系數較原設計方案增大3%～5%。

(3)泄洪閘泄洪水流具有復雜的三維紊流特性。采用CFD軟件紊流模型對優化方案進行三維模擬，計算結果較好地反映了水閘的泄流能力和沿程壓力分布，可為采用此類工程設計提供參考。

[1] 李秋林, 李連俠, 廖華勝, 等. 變坡溢洪道模型試驗及數值研究[J]. 水力發電, 2017, 43(5): 56- 59．

[2] 姜攀, 尹進步, 何武全, 等. 有壓泄洪洞彎道壓力特性數值模擬與試驗研究[J]. 水力發電, 2016, 42(2): 49- 53．

[3] 胡靜, 鄧軍, 陳華勇, 等. 寬尾墩對跌坎底流消能影響的試驗研究[J]. 水力發電, 2010, 36(3): 93- 96．

[4] 劉世裕. 提高帶直角胸墻溢洪道泄流能力的研究[J]. 水利水電技術, 1980(4): 15- 17．

[5] 王敏. 溢洪道進口翼墻布置型式分析研究[J]. 河南水利與南水北調, 2008(4): 58- 61．

[6] 羅岸, 黃智敏, 陳卓英. 提高帶胸墻孔口溢洪道泄流能力的分析與應用[J]. 廣東水利水電, 1997(4): 16- 18．

[7] 郭慧敏, 武彩萍, 陳俊杰, 等. 淺談胸墻式泄洪閘體型與泄流量關系[C]∥第二屆全國水力學與水利信息學學術大會論文集, 北京: 中國水力發電工程學會, 2005．

[8] 楊京廣, 把多鐸, 林勁松, 等. 河床式電站大壩泄洪流場的三維數值模擬[J].長江科學院院報, 2009, 26(8): 28- 31．

[9] 郭園, 程永光, 李國棟. 泄洪閘三維流態CFD優化分析[J]. 武漢大學學報： 工學版, 2012, 45(2): 182- 186．

[10] 李蕾. 黃豐水電站泄洪閘泄流三維數值模擬研究[D]. 西安： 西北農林科技大學, 2014．

[11] 王新雷. 泄洪閘下游沖刷過程三維數值模擬研究[D]. 西安： 西北農林科技大學, 2016．