基于CAD-Fluent計算模型下的水庫溢洪道水力特性分析研究

徐 瑋，林 立，蔣 婉

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

1 概 述

溢洪道作為水利工程中重要泄流設施，其運營可靠性與消能設施、泄洪洞、溢流面等水工建筑均密切相關[1-2]，探討溢洪道結構設計需要綜合分析其水力特性影響變化。消能池邊墻是溢洪道一種重要消能設施[3-4]，其設計狀態關乎溢洪道出流段消能率，研究邊墻設計參數有助于提升溢洪道運營水平。何志亞等[5]、周望武[6]、孟云祥等[7]根據溢洪道工程實際設計，建立溢洪道物理模型，開展水工結構模型試驗，研究其水面線、流態及流速等水力特征參數，優化結構設計參數及運營狀態。王月華等[8]、劉明瀟等[9]、劉少麗等[10]采用MIKE 21、Flow 3D等水沙模擬平臺，開展了溢洪道、消能池等結構的水動力學特征分析，結合水沙特征分析工程運營狀態。劉長勇[11]、劉菊蓮[12]、靳晟等[13]采用Fluent流場計算軟件開展了消能池、沉砂池及溢洪道等水工結構的水力特性計算，從滲流場特征狀態探討水工體型設計優化，為工程建設提供了實際依據。

本文基于某水庫溢洪道水力特性研究問題，分析消能結構邊墻擴散角對溢洪道水力特征影響，為某河運營及上游水庫泄流設計提供參考。

2 CAD-Fluent計算模型

2.1 工程背景

某河作為蘇北地區重要人工水利通道，承擔著地區農田灌溉、供水調水及防洪排澇等功能，設計農業生產灌溉率為85%，面向農業生產凈供水量超過850×104m3。設計有多條輸水灌渠支流，渠底采用特種防滲混凝土襯砌材料，輸水耗散率不超過15%，渠坡滲透坡降不超過0.15，穩定性較佳。面向地區工業、居民用水設計供水保證率達90%，生活用水年供水量超過300×104m3，工業生產用水一方面來自某河地表水，另一方面來自上游污水處理轉換。從某河供水保證率及河床水位來看，其變化特征見圖1，根據地區水資源現狀設定河道水位消落線、出力區等，最大水位高程為76 m。根據對某河運營現狀分析，調供水、輸水等水利功能離不開上游某水庫的泄流支撐，根據水力運營分析得知，某水庫樞紐集大壩、溢洪道、引水隧洞為一體，管控流域面積超過30 km2，直接影響某河河道長度25 km，間接全覆蓋影響水資源調度、水沙演變等。該水庫樞紐設計年徑流量為1.05 m3/s，年過水流量超過3 000×104m3，設計庫容量為500×104m3，其各部分水工結構平面布置見圖2。作為某河上游重要水利控制樞紐，其加固、改擴建壩體軸長超過455 m，最大壩高達75.5 m，迎背水面壩身坡度分別為1/1.5和1/1.2，采用厚度為0.4 m的混凝土防滲面板，在壩底部設置厚度約為55 cm的防滲層，全壩身在某河汛限水位運營下滲流場活動均較穩定，監測表明起動水壓力不超過10 kPa。

圖1 河道水位汛限特征

圖2 水庫溢洪道平面布置

該樞紐另一重要水工設施即為溢洪道，其位于主壩右側，全長284.5 m，包括進出水渠、水力控制段、泄流段及消能段，堰頂高程為72.5 m，進水段長度為48 m，坡度為1/20，泄流段槽身長度為63 m，階梯式弧形溢流面設計，坡度為1/1.5，兩側建有翼墻結構，高度為4.5 m，出流段采用消力墩與消能池聯合消功措施，墩體為預應力混凝土結構，墩厚為1.6 m，與兩端翼墻橫縱梁加固連接，結構體系最大張拉應力不超過2 MPa，溢洪道立面幾何布置見圖3。溢洪道泄洪閘采用雙孔式設計，單孔凈寬為6 m，堰頂為WES體型，且為底流消能，由于下游某河控制水力勢能的問題，溢洪道消能設計對出流段水動力特征影響至關重要，特別是消能結構壓強、紊動場等特征。為此，工程設計部門針對某水庫樞紐溢洪道結構開展水力特性計算分析，進而為某河運營及上游水庫溢洪道設計提供依據。

圖3 溢洪道立面幾何布置

2.2 CAD-Fluent模型

本文采用Autodesk CAD幾何軟件建立該水庫溢洪道模型，見圖4，該模型中包括泄洪洞、進水渠、消能池挑坎段等。所建立的溢洪道模型堰頂、溢流面體型等均以實際工程設計為依據，消能池設置有邊墻，高、厚等設計參數均與泄槽段翼墻一致。該邊墻有助于擴散水力勢能，但其泄流擴散角處于優化階段，根據聯合消功設計標準，其擴散角不超過10°，有利的聯合消功擴散角度對控制出流段水力特征、提升下游某河輸水安全具有重要作用，因而本文以消能結構擴散角設計優化為研究對象。

從CAD建模平臺中完成幾何模型構建后，導入至網格化Fluent平臺中開展水力特征計算[12]，圖5為網格化后溢洪道模型。該模型經結構模型網格化后，共獲得網格單元286 842個，微單元節點223 867個，所有微單元均為邊長0.8 m的方體。為分析方便，圖5計算模型中設定X-Z三向分別指代溢流方向、指向邊墻右向及水工結構自重方向。在該模型中，上下游均為固相條件，水位已設定，底部及邊墻交界面均為光滑壁面，采用瞬態法求解各水力特征參數。

圖4 水庫溢洪道模型

圖5 溢洪道計算模型

根據某河汛期水位，設定溢流面上下游水位分別為71.5、62.4 m，泄流量按年均值設定，為225 m3/s，此即為計算工況荷載條件。擴散角度按照聯合消功要求，設定有1°、區間梯次為1.5°的1.5°～9°設計方案。

3 不同擴散角下溢洪道水力特征

3.1 流速特征

根據對溢洪道消能邊墻不同擴散角度方案下計算，獲得溢洪道出流段流速特征。本文以出流段80m斷面距離為分析對象，見圖6。

從圖6中流速變化特征分析可知，當擴散角增大，斷面流速水平為先增后減變化。以斷面9 m處為例，在擴散角1°方案中流速為2.76 m/s，而擴散角為4.5°、6°、9°時，其流速相應分別增長2.98倍、3.52倍、2.65倍，而流速水平增長節點在擴散角6°后發生逆轉變化，擴散角7.5°、9°方案中該處斷面流速較之6°下分別減少21.6%、19.2%。筆者認為，當擴散角增大后，進入出流段的水體質量增多，超過聯合消功的承載范圍，進而使水流進入消能段后流速水平減小；而在擴散角處于出流段可控流區間時，愈大的擴散角只會增大進入消能段的水體勢能，進而經出流段能量轉換后，水體流速水平升高。從各擴散角設計方案的斷面流速水平也可看出，在擴散角1.5°時出流全斷面平均流速為4.8 m/s，而在擴散角每增大1.5°時，擴散角在1.5°～4.5°各方案之間斷面平均流速可增長67.8%，擴散角4.5°方案平均流速最高達13.4 m/s；而在擴散角4.5°后三方案中，斷面平均流速降幅12.8%。從溢洪道消能設計優化考量，流速水平過低，不利于泄洪運營，也會削減聯合消功結構消能率。

分析斷面流速變化穩定性可知，當擴散角過低時，雖流速水平仍維持較高，但其在出流段上流速穩定性欠佳。如擴散角1.5°方案中，斷面流速最大可達9.1 m/s，為斷面62 m處，但該方案中斷面間流速最大波幅也可達157.1%，位于斷面16～24 m。同理，當擴散角處于較大時，如擴散角6°、7.5°方案中，出流段中均有較大的流速波幅，最大波幅分別可達45.6%、71.2%。筆者認為，當出流段中流速波幅性較大時，一方面會對消能池及消能墩等聯合消功帶來不穩定滲流因素，同時流速波幅性變化，會造成水力消能過程中引起斷面上水工建筑的沖刷損耗[14-15]。因而，擴散角控制一方面應確保流速水平，也應同時控制斷面流速穩定性。

圖6 擴散角對流速影響變化

圖7為不同擴散角方案中消能池內流速分布特征。從圖7中可看出，各擴散角方案中池內流速最高均位于中部，而在兩側壁及下游流速遞減。擴散角3°、4.5°方案中，流速水平基本接近，兩方案中池內均有少量的漩渦分布，特別以池尾及邊墻側壁為顯著；當擴散角為6°、7.5°時，漩渦分布顯著增多，且逐步從池尾蔓延至中部，甚至在靠近一側邊墻區域，漩渦分布寬度接近消能池寬度的1/2。由此表明，過大的擴散角，不僅不利于流速量值特征，還會導致消能池內渦旋等非穩定滲流分布增多。綜合消能池內流速分布及流速影響變化特征，擴散角在3°、4.5°時水力特性更為有益。

圖7 消能池內流速分布特征

3.2 壓強特征

為研究溢洪道消能邊墻擴散角對出流段壓強影響，本文計算獲得該區段內各斷面時均壓強特征，見圖8。當邊墻擴散角愈大，出流段整體壓強水平增大，在斷面16 m處擴散角1.5°時其壓強為70.1 kPa，而擴散角為4.5°、6°、9°時該斷面處壓強較之分別增大19.2%、41.5%、74.4%。從斷面平均壓強來看，擴散角1.5°時出流段平均壓強為75 kPa，當擴散角在各方案中每階次增大1.5°，則其斷面平均壓強增長11.4%。當擴散角增大，此時邊墻接觸水體面積增大，在出流段計算出的時均壓強水平提高。從各斷面上壓強變化特征來看，在擴散角低于4.5°時，各擴散角方案中壓強在斷面48 m后處于增幅停滯或稍有降幅特征。如擴散角1.5°方案中，斷面58、72 m較之斷面48 m下壓強分別減少1.3%、16.4%；而在擴散角4.5°方案中，斷面48 m后增幅接近0，表明出流段末端壓強穩定性較高，利于控制渦旋流、穩定水面線作用。而在擴散角6°～9°方案中，壓強的穩定增長僅集中在斷面0～32 m上，而在斷面32 m后壓強具有顯著波幅，最大波幅可達10.4%～11.2%，且擴散角超過4.5°后的方案中波幅最大斷面均為一致，即斷面48 m處。當擴散角過大時，雖能保證較高的壓強水平，但持續穩定性不佳。綜合壓強受擴散角影響變化特征，認為擴散角控制在中等角度下即可，如4.5°方案。

圖8 擴散角對壓強影響變化

4 不同流量下溢洪道紊流特征

紊流特征反映了出流段滲流穩定性，當改變邊墻擴散角，對消能段水力勢能的改變，會影響紊動場變化。圖9為不同擴散角方案下消能池內各斷面紊動能變化特征。

從圖9中紊動能參數變化可知，擴散角與紊動能具有正相關關系。在擴散角1°時，池內斷面0.5 m處紊動能為3.8 m2/s2，而擴散角為4.5°、7.5°、9°方案下，同斷面處紊動能分別增長1.93倍、2.3倍、2.4倍，表明增大擴散角，消能池內具有較活躍的紊流勢能交換。從池內斷面平均紊動能參數來看，在擴散角1.5°時為9.7 m2/s2，而隨擴散角方案的階次增長，池內斷面平均紊動能的增幅為11.3%。不可忽視，在擴散角6°方案后，紊動能的增幅處于極低狀態，擴散角9°、7.5°較之擴散角6°下分別僅增長4.5%、1.7%，表明擴散角增長到一定區間后，其消能池內紊動能的變化達到飽和狀態，而該臨界擴散角即為4.5°。另一方面，在擴散角9°、7.5°等方案中，不僅紊動能增幅較小，且局部斷面具有較大波幅現象[16]，這也印證了前文渦漩場流速的波動性。分析可知，控制消能池紊動場有助于高消能率與穩定滲流場兼有，而本邊墻擴散角在4.5°時，不僅紊動場特征且水力特征綜合穩定性均屬最優。

圖9 擴散角對紊動能影響變化

5 結 論

1) 擴散角增大，出流段斷面流速為先增后減，流速最高為擴散角4.5°方案，平均流速達13.4 m/s；擴散角過小與過大時，斷面流速波幅均較大，擴散角1.5°、7.5°方案中，最大波幅分別可達157.1%、71.2%。消能池中部流速最高，但在高擴散角方案中，漩渦分布區域增大至池寬度的1/2。

2) 擴散角愈大，壓強增大，擴散角每階次增大1.5°，則斷面平均壓強增長11.4%；擴散角低于4.5°時，壓強在斷面48 m后處于增幅停滯或降幅，擴散角6°～9°方案中壓強穩定增長段僅集中在斷面0～32 m上，其他斷面中波幅較大。

3) 擴散角與紊動能具有正相關關系，隨擴散角方案階次增長1.5°，斷面平均紊動能的增幅為11.3%，但在擴散角6°方案后增幅較低，且局部斷面出現紊動能的震蕩變化。

4) 綜合溢洪道水力特性與紊動場特征，在邊墻擴散角為4.5°時，穩定性及運營可靠性最優。