寬尾墩在溢洪道挑射水流中的優化應用研究

劉 卓，趙 慧

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

寬尾墩通過縮窄出口寬度并改變出射水流方向，使下泄水流由相對均勻的二元水舌轉變為豎向擴展且橫向收縮的三元水舌，使流態發生實質性的改變，具有更高的消能效率。寬尾墩消能工為我國首創，經過多年發展已在我國水利工程中得到廣泛的應用，諸多學者對其進行了研究。阮小蓉[1]通過試驗研究了寬尾墩在溢流面的位置及收縮比對水流的影響。謝省宗等[2]基于安康水電站研究了寬尾墩消力池聯合消能工的消能激勵及其水力計算方法。吳建平等[3]通過室內試驗從波浪、紊動、邊界壓力脈動等方面研究了低弗勞德數寬尾墩水躍的消能特性。甘惠麒等[4]基于巴江口水電站溢流壩消能工的模型試驗表明寬尾墩與戽式消力池聯合消能可有效提高消能效果。倪漢根等[5]結合白石水庫溢流堰進行了平尾墩及不同類型寬尾墩的挑流消能模型對比試驗，研究表明寬尾墩比平尾墩在挑流消能中的消能效率高20%～40%。姬春利等[6]針對沙沱水電站研究了寬尾墩+臺階消能+消力池的水力特性，得到了較為顯著的聯合消能效果。楊濤等[7]通過模型試驗研究了在岸邊溢洪道中寬尾墩-消力池聯合消能的水力特性。羊紹波[8]基于Fluent 軟件研究了收縮墩與跌坎消力池聯合消能在小型溢洪道中的應用。

寬尾墩在溢洪道挑流消能中的數值模擬研究較少，本文將以埃塞俄比亞某水利工程的岸邊溢洪道為研究對象，基于Flow-3D 對寬尾墩在溢洪道挑流消能中的水力特性進行數值模擬分析，以保證工程的長期穩定運行。

1 工程概況

埃塞俄比亞某供水工程為永久大（2）型工程，在大壩右岸布置了溢洪道，泄流凈寬度63 m，堰頂高程1810.80 m。上游為引水渠，長約45 m，控制段長11.6 m，下接泄水槽，泄水槽長度65 m，坡度i=36.4%，然后接挑流底坎，消能方式為挑流消能。原方案挑坎邊墻為順直型式，如圖1所示。

圖1 原方案挑坎邊墻平面示意

根據現場勘探結果及開挖情況可知，沖坑附近兩岸邊坡巖性為強風化石灰巖及頁巖，強度較低，且遇水容易崩解。為保證兩側邊坡的安全穩定，采取的支護措施如下：①鋼筋混凝土護坡板，厚400 mm，混凝土強度C30；②錨桿直徑25 mm，長度3.5 m，間隔3 m 交錯布置；③鋼絲網噴混凝土，厚度100 mm；④PVC 排水管直徑45 mm，長度為1 m，間隔3 m 交錯布置。

2 數值模型建立

2.1 基本控制方程

本計算采用Flow-3D 軟件進行分析。Flow-3D軟件是由美國Flow Science 公司研發的應用于建立流體運動及熱傳導模型的計算流體力學軟件。本計算采用k-ε作為基本控制方程。

連續性方程為：

動量方程為：

k方程為：

ε方程為：

模型求解采用有限差分法，離散格式采用二階迎風格式，壓力-速度耦合采用壓力校正法，時間差分采用全隱格式。

2.2 網格劃分與邊界條件設定

本次數值模擬計算區域主要包括溢洪道上游引水渠、控制段、泄槽段、挑坎段及尾水渠，計算模型按照比例尺1∶1建立。網格劃分采用笛卡兒正交結構網格，網格大小采用0.5 m×0.5 m×0.5 m，網格總數約1100萬個。上游進口設置為壓力邊界條件，其水位為1819.10 m，下游設置為自由出流邊界條件，固體邊界采用無滑移條件，液面為自由表面，流體設置為不可壓縮流體。計算模型，如圖2所示。

圖2 原方案數值計算模型

3 原方案數值分析結果

原方案挑坎邊墻為順直型式，溢洪道泄流流態模擬結果如圖3所示，尾水渠液面流速分布如圖4所示。根據數值模擬結果可知，原方案的挑射水流在空中摻氣擴散，水舌入水范圍從左岸貫穿至右岸，且兩側水舌直接沖擊到沖坑附近兩岸邊坡。入水流速約為33 m/s，流速較大，沖擊能量較強。而沖坑附近兩岸邊坡基巖強度較低，且為遇水容易發生崩解的石灰巖與頁巖。雖然對兩岸邊坡采取了錨桿、噴混凝土、鋼筋混凝土板護坡等一系列支護措施，但作為永久性大（2）工程，水流長時間直接沖擊強度較差的兩岸邊坡，仍存在邊坡失穩垮塌的風險，具有一定的安全隱患。

圖3 原方案溢洪道泄流流態模擬結果

圖4 原方案尾水渠液面流速分布

4 優化方案數值分析結果

4.1 優化方案

為保證兩岸邊坡的穩定，使溢洪道能夠長期安全運行，在溢洪道兩側挑坎邊墻設置寬尾墩，使兩側水舌向中間收縮束窄，避免直接沖擊兩岸邊坡。寬尾墩的尾端折角可選15°～22°，本方案設為18°，如圖5所示，數值計算模型如圖6所示。

圖5 優化方案挑坎邊墻平面示意

圖6 優化方案數值計算模型

4.2 計算結果與分析

優化方案的溢洪道泄流流態模擬結果如圖7 所示，尾水渠液面流速分布如圖8 所示。從圖7—8 可以看出，在寬尾墩的疏導作用下，水舌在橫向上有所收窄，橫向入水范圍約為±25 m，而尾水渠寬度為66 m。因此，此方案下的水舌不會直接沖擊兩岸邊坡，且與邊坡有約9 m 的距離，最大入水流速約為33 m/s，與原方案相比最大流速基本保持不變。另外，水舌兩側邊緣處的入水流速高于中間區域，挑距略小于中間區域，入水沖擊范圍與原方案相比相對分散，可削弱挑流沖坑的影響。

圖7 優化方案溢洪道泄流流態模擬結果

圖8 優化方案尾水渠液面流速分布

6 結論

溢洪道挑射水流下泄時會向兩側擴散，導致水流直接沖擊尾水渠內挑流沖坑的兩側邊坡，對工程安全極為不利。通過在挑坎兩側邊墻加設寬尾墩，改變水舌入水方向與形態，避免水流直接沖擊兩側邊坡，且入水流速基本不變，入水范圍相對分散，可削弱對挑流沖坑的影響，有利于工程的長期穩定運行，可為其他類似工程的研究設計提供參考。