L型側(cè)槽溢洪道進(jìn)口段水力特性試驗(yàn)及三維數(shù)值模擬研究

葉 龍，王 斌，宋炳忠，劉 偉，王月華，王自明

(1.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，杭州 310020；3.景寧畬族自治縣水利局，浙江 景寧 323500)

0 引 言

側(cè)槽溢洪道被廣泛應(yīng)用于岸坡陡峻、無(wú)適宜場(chǎng)地設(shè)置正堰溢洪道的水利工程，具有減小工程開挖量、降低泄洪水頭等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前學(xué)者們已對(duì)側(cè)槽溢洪道進(jìn)行了較深入的研究，如武珂璘[1,2]對(duì)側(cè)槽溢洪道水力計(jì)算中水面線、水流控制點(diǎn)以及流態(tài)的判別進(jìn)行了相關(guān)研究；賴勇等[3]通過(guò)對(duì)比分析水工模型試驗(yàn)中側(cè)槽溢洪道的泄流能力和水面線，驗(yàn)證了水力設(shè)計(jì)計(jì)算值的有效性；楊順玉[4]通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化了側(cè)槽溢洪道調(diào)整段的布置，從而改善泄槽的水流特性。而隨著計(jì)算技術(shù)迅速發(fā)展，開展復(fù)雜流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，相對(duì)于傳統(tǒng)物理模型試驗(yàn)具有減少成本投入、節(jié)約時(shí)間以及成果可視化等優(yōu)點(diǎn)。劉發(fā)智[5]、陳振軍[6]和邸宇測(cè)[7]等分別通過(guò)RNGk-ε紊流模型對(duì)側(cè)槽溢洪道的水力特性進(jìn)了三維數(shù)值模擬，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性；陳小威[8]通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法分析了側(cè)槽溢洪道的水流流態(tài)、水面線、壓強(qiáng)、流速等內(nèi)容。

但以上研究主要針對(duì)的是溢流堰單獨(dú)由側(cè)堰組成的常規(guī)側(cè)槽溢流堰，而對(duì)由正堰和側(cè)堰組成的L型溢流堰的相關(guān)研究較少。L型側(cè)槽溢流堰由正堰段和側(cè)堰段組成(如圖1所示)，能有效增加堰頂過(guò)流寬度，達(dá)到抬高正常蓄水位、降低工程投資等目的。但相對(duì)常規(guī)側(cè)槽溢流堰，L型溢洪道在正堰和側(cè)堰兩股水流的相互作用下，側(cè)槽內(nèi)水流結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。因此，為揭示L型側(cè)槽溢洪道側(cè)槽內(nèi)正、側(cè)堰水流的相互作用機(jī)理，本文運(yùn)用Flow 3D三維數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，重點(diǎn)對(duì)L型側(cè)槽溢洪道側(cè)槽段水流流態(tài)、消能率、壓強(qiáng)等水力參數(shù)開展分析，成果可為類似工程的研究提供參考。

圖1 兩類側(cè)槽溢洪道布置對(duì)比圖

1 工程概況

景寧某水庫(kù)工程壩高90.0 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核為1 000年一遇。工程泄水建筑物采用無(wú)閘門控制的開敞式溢洪道，其進(jìn)口為正堰與側(cè)堰相結(jié)合的L型側(cè)槽，下接控制段、調(diào)整段、泄槽，溢洪道下游采用挑流消能方式。溢流堰堰頂高程318.00 m，橫斷面采用WES實(shí)用堰，溢流堰總長(zhǎng)54.0 m，其中側(cè)堰長(zhǎng)38.5 m，正堰長(zhǎng)15.5 m，側(cè)槽起始斷面底寬6.0 m、末端底寬12.0 m，底坡3%，側(cè)槽橫斷面為梯形，堰體側(cè)為1∶0.65，山坡側(cè)為1∶0.50；側(cè)槽末端緊接長(zhǎng)度為20.0 m、寬度12.0 m的調(diào)整段；調(diào)整段后為泄槽，采用等寬矩形斷面，底寬12.0 m，底坡1∶1.40，全長(zhǎng)90.29 m(水平長(zhǎng)度)；陡槽末端為挑流鼻坎，出口設(shè)消能護(hù)坦，護(hù)坦中心線長(zhǎng)度43.0 m，底寬14.0 m，底板高程232.50 m，具體工程布置見圖2所示。本工程設(shè)計(jì)和校核流量分別為328 m3/s(水位320.19 m)和522 m3/s(水位320.99 m)。

圖2 L型側(cè)槽溢洪道平面與剖面示意圖(高程單位：m；其他單位：cm)

2 研究方法

2.1 物理模型

物理模型采用1∶40的正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。上游庫(kù)區(qū)模擬至壩軸線以上200 m附近，包括了鄰近溢洪道的部分上游壩面、溢洪道側(cè)堰及其堰前地形等；下游則模擬至溢洪道出口以下350 m附近河道，包含了泄槽段、挑流鼻坎或消力池以及護(hù)坦段等關(guān)鍵建筑物。

2.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用Flow 3D三維仿真軟件的RNGk-ε紊流模型，該模型已被廣泛運(yùn)用于水利工程的優(yōu)化布置、消能防沖等的研究[9-11]，具有一定的可靠性。軟件采用基于結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格的FAVOR方法及真實(shí)的3步Tru-VOF方法，控制方程中含有體積和面積分?jǐn)?shù)參數(shù)。本次模擬采用單相流體模擬水流流動(dòng)，VOF自由液面處理方法，應(yīng)用GMRES方法求解離散方程。控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、紊動(dòng)能k方程、紊動(dòng)能耗散率ε方程，對(duì)此已有較多介紹，文中不再贅述[12]。模型庫(kù)區(qū)段模擬長(zhǎng)度為150 m，寬度為100 m；溢洪道長(zhǎng)度為80 m，該區(qū)域?yàn)閿?shù)模計(jì)算重點(diǎn)研究范圍，包括側(cè)槽溢洪道側(cè)槽段、調(diào)整段及泄槽段前端部分，并對(duì)該部分網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，最小網(wǎng)格尺寸為0.4 m。具體模擬范圍見圖3所示。模型進(jìn)口及出口條件均為壓力邊界并設(shè)置相應(yīng)水位，其中出口邊界水位采用相應(yīng)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，壁面采用無(wú)滑移條件，粗糙影響程度由壁面函數(shù)確定。

圖3 模型計(jì)算區(qū)域圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 泄流能力

圖4給出了模型試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算的泄流量值，結(jié)果表明，兩者數(shù)值基本接近。數(shù)模計(jì)算校核工況下泄流能力為525.1 m3/s，設(shè)計(jì)工況為331.3 m3/s，分別較設(shè)計(jì)要求流量富余0.6%和1.0%，即溢流堰的泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。其次，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)321.6 m左右后，水位流量關(guān)系曲線中出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)以上曲線較陡，主要原因是隨著庫(kù)水位的上升，堰上水流逐漸趨向淹沒，從而導(dǎo)致L型堰的流量系數(shù)反而降低。

圖4 L型側(cè)槽溢洪道泄流能力

3.2 流態(tài)及流速分布

物理模型試驗(yàn)表明，在各特征工況下堰前流態(tài)總體較為平穩(wěn)，水流能平順進(jìn)入側(cè)槽。在正、側(cè)堰相交處，兩股水流對(duì)沖交匯，沿45°方向進(jìn)入側(cè)槽，匯合處水面壅高明顯，導(dǎo)致左側(cè)邊墻附近水位也有所壅高。側(cè)堰水流進(jìn)入側(cè)槽后潛底并沖向側(cè)槽左側(cè)，遭對(duì)岸邊墻約束后折向水面，再在正堰來(lái)流的驅(qū)動(dòng)下往下游及右側(cè)回旋，形成明顯的橫向漩流，水面紊動(dòng)劇烈，水體摻氣明顯，同時(shí)使得側(cè)堰來(lái)流更加平順轉(zhuǎn)向泄槽軸向。校核工況時(shí)堰首斷面的淹沒度為0.63，略高于規(guī)范要求的0.5[13]，但根據(jù)類似研究[2]及本試驗(yàn)觀測(cè)表明，L型溢流堰出現(xiàn)高淹沒度對(duì)過(guò)流能力影響有限，由圖4可知只有當(dāng)庫(kù)水位高于321.6 m，溢流堰的流量系數(shù)才隨水位的增高而降低，該水位已經(jīng)超過(guò)校核水位320.99 m。設(shè)計(jì)工況時(shí)溢流堰為自由出流，側(cè)槽內(nèi)未出現(xiàn)明顯的折沖水流。

數(shù)值模擬較為精確的模擬出了側(cè)槽內(nèi)的水流流態(tài)，包括正側(cè)堰交匯處和側(cè)槽左側(cè)邊墻附近的水位壅高、水體在側(cè)槽內(nèi)的翻滾回旋，側(cè)槽內(nèi)水流流態(tài)的對(duì)比見圖5。堰頂水流流態(tài)穩(wěn)定，且底部流速大于表面流速。試驗(yàn)對(duì)堰頂流速分布進(jìn)行了測(cè)量，并同數(shù)模計(jì)算值進(jìn)行比較，具體情況見表1，正側(cè)堰交匯處附近流速最小，測(cè)點(diǎn)8位于側(cè)堰與邊墻的連接處，出現(xiàn)繞流，流速略小，其余位置流速較為接近。其中校核工況試驗(yàn)測(cè)得堰頂平均流速為3.78 m/s，數(shù)模計(jì)算為3.82 m/s；設(shè)計(jì)工況試驗(yàn)測(cè)量為3.11 m/s，數(shù)模計(jì)算為3.20 m/s。

圖5 側(cè)槽水流流態(tài)圖

測(cè)點(diǎn)校核工況試驗(yàn)值計(jì)算值差值設(shè)計(jì)工況試驗(yàn)值計(jì)算值差值14.364.36-0.01 3.683.750.07 24.084.160.09 3.453.590.1433.353.450.10 2.973.110.14 42.252.14-0.11 1.831.80-0.0453.743.820.08 3.033.190.16 64.314.400.10 3.593.730.14 74.274.380.11 3.523.610.09 83.903.86-0.04 2.842.860.02平均3.783.820.043.113.200.09

注：測(cè)點(diǎn)1～3位于正堰堰頂，左中右依次設(shè)置；測(cè)點(diǎn)4位于正側(cè)堰交匯處；測(cè)點(diǎn)5～8位于側(cè)堰堰頂，從左至右依次設(shè)置。

側(cè)槽中存在大尺寸的漩渦是側(cè)槽溢洪道的顯著特征，常規(guī)側(cè)槽溢洪道中側(cè)槽沿程漩渦尺寸都與側(cè)槽尺寸相當(dāng)[5]。而本工程L型側(cè)槽溢洪道中，通過(guò)分析數(shù)模計(jì)算得出的各特征橫斷面流速分布情況可知，L型側(cè)槽溢洪道中由于存在正堰來(lái)流的頂沖，側(cè)槽中的漩渦尺寸在斷首Y0+000.0斷面較小，隨后沿程逐漸發(fā)展，到側(cè)槽末端Y0+030.0斷面其尺寸與側(cè)槽橫向尺寸相當(dāng)，具體如圖6橫斷面流場(chǎng)分布所示。

水流進(jìn)入溢流堰后出現(xiàn)潛底現(xiàn)象，由于側(cè)堰的入流大于正堰，使得正堰潛底水流在側(cè)槽中部位置出現(xiàn)抬升現(xiàn)象。所以，縱斷面流速分布呈現(xiàn)為側(cè)槽中部垂向流速增大，且底部流速明顯小于表面流速，側(cè)槽前端的水位有著不同程度的壅高。這種現(xiàn)象在設(shè)計(jì)工況時(shí)更為明顯，具體如圖6縱斷面流場(chǎng)分布所示。

圖6 特征斷面流速分布情況

3.3 水面線

側(cè)槽中水流流量沿程不斷增加，為不均勻流，并且在正堰來(lái)流的作用下，使得水力設(shè)計(jì)時(shí)水面線的確定更為復(fù)雜。校核工況下，試驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值計(jì)算的水面線十分吻合，水面線在側(cè)槽段沿程變化不大，水位在319.3～319.8 m之間；而進(jìn)入調(diào)整段后，水流下跌，水面線沿程遞減。設(shè)計(jì)工況中由于試驗(yàn)側(cè)槽內(nèi)水位波動(dòng)更為劇烈，左岸邊墻水面波動(dòng)幅度較大，為工程安全考慮試驗(yàn)測(cè)量時(shí)取大值，使得側(cè)槽內(nèi)試驗(yàn)值略大于計(jì)算值，在Y0+030.0處相差最大為0.66 m，進(jìn)入調(diào)整段后兩者較為接近；側(cè)槽及調(diào)整段左岸水面線先沿程遞增，在Y0+012.0處達(dá)到最大值317.7 m左右后，開始沿程遞減。水面線的沿程變化具體見圖7所示。

3.4 消能率

L型側(cè)槽中正堰、側(cè)堰水流相互作用，加大了水流的紊動(dòng)和漩滾作用，并且在側(cè)槽內(nèi)形成大尺度漩渦，使得水流在進(jìn)入泄槽時(shí)已完成初步消能。其消能效果一般用消能率K表示，具體公式如下：

(1)

圖7 側(cè)槽及調(diào)整段左岸水面線變化

其中：

式中：H1和H2分別為1斷面和2斷面的水位；V1和V2分別為1斷面和2斷面的流速；Z0為基準(zhǔn)高程。

本文中以調(diào)整段底板高程310.6 m為基準(zhǔn)高程Z0，對(duì)側(cè)槽的消能率進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)工況水流翻滾劇烈，水流摻氣明顯，數(shù)模計(jì)算的消能率為28.5%，試驗(yàn)測(cè)量為28.8%；校核工況中側(cè)槽內(nèi)水位較高，屬于淹沒出流，消能效果減弱，計(jì)算消能率為9.1%，試驗(yàn)測(cè)量為10.3%。

表2 側(cè)槽消能率情況

3.5 壓 強(qiáng)

試驗(yàn)中為了保證溢流堰堰面的精度，采用水泥砂漿刮制而成，較難設(shè)置測(cè)壓孔。為了解WES溢流堰堰面壓力分布情況，根據(jù)類似項(xiàng)目以及相關(guān)研究[14]成果表明，F(xiàn)low 3D軟件對(duì)溢流堰堰面壓力的計(jì)算較為可靠。因此，本次研究中采用數(shù)值計(jì)算對(duì)堰面壓力進(jìn)行分析，分別讀取正堰和側(cè)堰中心線上7個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力分布，具體測(cè)點(diǎn)位置見圖8。結(jié)果表明溢流堰沒有出現(xiàn)負(fù)壓，正堰堰面壓力大于側(cè)堰；堰面最小壓力出現(xiàn)在離堰頂0.5～1.5 m范圍內(nèi)，其中設(shè)計(jì)工況堰面最小壓力為0.08 m水柱，位于

圖8 溢流堰壓力測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)

側(cè)堰3號(hào)測(cè)點(diǎn)；校核工況堰面最小壓力為0.26 m水柱，位于側(cè)堰2號(hào)測(cè)點(diǎn)。因此，溢流堰不易發(fā)生空蝕破壞。溢流堰沿程壓力的具體分布見表3。

表3 溢流堰沿程壓力分布情況表

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用Flow 3D軟件對(duì)L型側(cè)槽溢洪道進(jìn)口段開展三維水流數(shù)值模擬，并結(jié)合物模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終得到以下結(jié)論。

(1)數(shù)模計(jì)算結(jié)果與水工模型試驗(yàn)資料吻合較好,表明該軟件可以應(yīng)用于L型側(cè)槽溢洪道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，且相對(duì)物模能夠提供更全面的三維水動(dòng)力信息。

(2)L型側(cè)槽溢洪道中，側(cè)槽內(nèi)水流存在大尺度的橫向漩渦，其尺寸從側(cè)槽斷首沿程逐漸發(fā)展，至側(cè)槽末端與側(cè)槽橫向尺寸相當(dāng)。正堰來(lái)流能加速側(cè)槽內(nèi)水流轉(zhuǎn)向，使來(lái)流能夠更加平順地轉(zhuǎn)向泄槽下游方向，加速進(jìn)入泄槽，達(dá)到降低側(cè)槽內(nèi)水位及提高過(guò)流能力的目的。

(3)側(cè)槽內(nèi)消能作用明顯，在設(shè)計(jì)工況時(shí)消能率達(dá)到29%左右；溢流堰未出現(xiàn)負(fù)壓，且正堰的堰面壓力大于側(cè)堰。