臺階傾角對溢洪道陡槽段水流流態及水利性能影響規律分析研究

◇重慶市水利電力建筑勘測設計研究院 朱中煙

受地形限制，水電站溢洪道需要在狹小范圍內完成高水頭水流下泄任務，導致水流流速迅猛，沖擊力巨大。常用臺階式斜陡槽及其他形式來完成水流能量耗散。為了進一步研究臺階傾角對溢洪道陡槽段水流流態及水利性能影響規律，同時為實例工程提供參考依據。借助重慶磨刀磧水電站溢洪道的資料進行三維建模分析，通過溢洪道陡槽段臺階傾角分別為0°、5°、15°、25°的對比計算工況，經綜合對比分析，實例工程選擇10°臺階傾角的設計方案。

1 前言

水庫溢洪道下泄水流能量過大的問題嚴重威脅著水電站泄流結構建筑物安全以及正常運營。目前常用的消能處理措施有設置臺階式斜陡槽段、摻氣旋滾、設置消力池等。其中，設置臺階式斜陡槽，利用水流跌落回彈的多次水躍來耗散水流能量是最常見的消能方式之一。根據文獻[1-3]，筆者統計的國內的227座水電站溢洪道，臺階式斜陡槽的消能效率可以達到29.4%～74.8%，平均值59.1%，可見消能效果比較理想。

為進一步研究臺階傾角對溢洪道陡槽段水流流態及水利性能影響規律，本文選擇重慶磨刀磧水電站溢洪道為實例研究工程，并以實例工程在設計流量下工況作為基本邊界條件，進行三維數模建立并分析，研究不同傾角工況下實例工程整體區域的水流流態分布形態，并對比實際消能效率。

2 實例工程概況

重慶磨刀磧水電站是一座兼顧灌溉、發電、行洪的小型水利樞紐工程。工程設計水位為695.24 m，設計流量為215.33 m3/s。從泄洪口至下游尾門，平面長度為600 m，水頭高差達到114.65 m。實例工程的平面布置情況見圖1。

圖1 實例工程總平面示意圖

3 三維數學模型建立

3.1 計算對比工況設計

以實例工程在設計流量下工況作為基本邊界條件，設計4組臺階傾角不同的對比工況，并為5°～10°為漸變步長；即設計下泄流量為215.33 m3/s，臺階傾角依次為0°、5°、15°、20°四組計算工況。各計算工況的體形尺寸見圖2。

圖2 對比計算工況設計

3.2 計算軟件選擇及網格劃分

本次模擬采用FLUENT進行三維建模計算，以工況一為例，實例工程的三維模型建立見圖3。模型采用四邊形網格，網格間距設為1 m，在局部區域（如弧形邊界、陡槽末端）采用加密處理。

圖3 實例工程網格劃分

4 三維數學模型計算結果分析

4.1 水流流場分布分析結果

經過本文數模計算，實例工程4組工況下的流態見圖4（考慮到模型范圍較大，因此只取12#臺階，即單臺階流速下降比最大的臺階，作為典型對比區域）。經對比分析可知：

圖4 4組方案下在12#臺階處水流流場分布

（1）在各工況下，每一單級臺階下，90%以上的水體都直接沿著梯坎段軸線方向下泄；只有少量水體在單級梯坎的交角范圍內出現了旋滾、和二次強迫水躍。

（2）每一單級臺階產生旋滾后的水流流速都斷崖式下降（下降幅度達到84.2%～95.5%）；旋滾后水流基本貼著梯坎順流而下，與沿著梯坎段軸線方向下泄的主流水體流向偏差巨大。

（3）總體來看，方案三下旋滾區流速最小，且旋滾水體占比最高，達到7.22%。

4.2 水流流速分布分析結果

同理，本節以12#臺階為例，4組方案下水流流速與測點水深關系圖見圖5（圖5中y坐標標示測點水深，即測點與臺階底板的高程距離；x坐標標示測點的水流總流速）。分析可知：

圖5 4組方案下在12#臺階處水流流速與測點水深關系

（1）隨著測點與底板距離增大，測點流速單調遞增，可見表面流速顯著大于底部流速。尤其是在0～0.2 m的范圍內，測點流速均小于10 m/s。

（2）不同工況下，流速分布規律基本一致，可見水深對測點流速分布影響遠大于臺階傾角影響。

（3）在測點與底板距離為0～0.1 m范圍內，測點流速均非常小，且水流以回流、環流、亂流為主，水流出現了明顯的渦旋。

（4）工況1～工況4，模型尾水的流速依次為12.22 m/s、12.16 m/s、11.69 m/s、11.94 m/s。工況3的流速略小于其他工況，為最優流速分布。

4.3 壓力分布

四組工況下，12#臺階的壓強分布圖見圖6，且圖6中壓強等值線步長取3000 Pa。分析可知：

圖6 4組方案下在12#臺階壓強分布圖

（1）四組工況下，12#臺階壓強分布規律基本相同，即大部分區域為正壓區（工況1～工況4，正壓區區域面積占比依次為98.25%、98.31%、98.52%、98.36%），局部區域有負壓區（負壓區主要出現在水流剛飛入單級梯坎的左上方區域，該區域容易發生氣蝕現象）。

（2）四組工況下，最大負壓依次為-3252.6 Pa、-3176.5 Pa、-3028.9 Pa、-3378.6 Pa；四組工況的最大負壓較為相似，且面積大小、發生區域也基本一致。總體來看，方案三的負壓分布對溢洪道陡槽段的影響相對較小。

4.4 消能效率對比

溢洪道在梯坎段進、出口時水流的能量差與進口時水流能量的比值即為消能效率[10]，可用式（1）表示：

式中：為溢洪道進口單位重量水流的重力勢能與動力勢能之和；為溢洪道出口單位重量水流的重力勢能與動力勢能之和。

總體來看，在方案三工況下，水流的旋滾規模最大，出口流速值最低，耗散效率更高，優于其他工況。

表1 消能效率對比

5 結論

本文為了進一步研究臺階傾角對溢洪道陡槽段水流流態及水利性能影響規律，同時為實例工程提供參考依據，借助重慶磨刀磧水電站溢洪道的資料進行三維建模分析，通過溢洪道陡槽段臺階傾角分別為0°、5°、15°、25°的對比計算工況，分析各工況下的水利特性指標。研究結果顯示，在方案三工況下，水流的旋滾規模最大，出口流速值最低，耗散效率更高（67.58%），優于其他工況。本文研究結論可以為類似水電站溢洪道設計時提供參考和借鑒。