臺(tái)階傾角對(duì)溢洪道陡槽段水流流態(tài)及水利性能影響規(guī)律分析研究

◇重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)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(nèi)完成高水頭水流下泄任務(wù)，導(dǎo)致水流流速迅猛，沖擊力巨大。常用臺(tái)階式斜陡槽及其他形式來(lái)完成水流能量耗散。為了進(jìn)一步研究臺(tái)階傾角對(duì)溢洪道陡槽段水流流態(tài)及水利性能影響規(guī)律，同時(shí)為實(shí)例工程提供參考依據(jù)。借助重慶磨刀磧水電站溢洪道的資料進(jìn)行三維建模分析，通過(guò)溢洪道陡槽段臺(tái)階傾角分別為0°、5°、15°、25°的對(duì)比計(jì)算工況，經(jīng)綜合對(duì)比分析，實(shí)例工程選擇10°臺(tái)階傾角的設(shè)計(jì)方案。

1 前言

水庫(kù)溢洪道下泄水流能量過(guò)大的問(wèn)題嚴(yán)重威脅著水電站泄流結(jié)構(gòu)建筑物安全以及正常運(yùn)營(yíng)。目前常用的消能處理措施有設(shè)置臺(tái)階式斜陡槽段、摻氣旋滾、設(shè)置消力池等。其中，設(shè)置臺(tái)階式斜陡槽，利用水流跌落回彈的多次水躍來(lái)耗散水流能量是最常見(jiàn)的消能方式之一。根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]，筆者統(tǒng)計(jì)的國(guó)內(nèi)的227座水電站溢洪道，臺(tái)階式斜陡槽的消能效率可以達(dá)到29.4%～74.8%，平均值59.1%，可見(jiàn)消能效果比較理想。

為進(jìn)一步研究臺(tái)階傾角對(duì)溢洪道陡槽段水流流態(tài)及水利性能影響規(guī)律，本文選擇重慶磨刀磧水電站溢洪道為實(shí)例研究工程，并以實(shí)例工程在設(shè)計(jì)流量下工況作為基本邊界條件，進(jìn)行三維數(shù)模建立并分析，研究不同傾角工況下實(shí)例工程整體區(qū)域的水流流態(tài)分布形態(tài)，并對(duì)比實(shí)際消能效率。

2 實(shí)例工程概況

重慶磨刀磧水電站是一座兼顧灌溉、發(fā)電、行洪的小型水利樞紐工程。工程設(shè)計(jì)水位為695.24 m，設(shè)計(jì)流量為215.33 m3/s。從泄洪口至下游尾門，平面長(zhǎng)度為600 m，水頭高差達(dá)到114.65 m。實(shí)例工程的平面布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)例工程總平面示意圖

3 三維數(shù)學(xué)模型建立

3.1 計(jì)算對(duì)比工況設(shè)計(jì)

以實(shí)例工程在設(shè)計(jì)流量下工況作為基本邊界條件，設(shè)計(jì)4組臺(tái)階傾角不同的對(duì)比工況，并為5°～10°為漸變步長(zhǎng)；即設(shè)計(jì)下泄流量為215.33 m3/s，臺(tái)階傾角依次為0°、5°、15°、20°四組計(jì)算工況。各計(jì)算工況的體形尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 對(duì)比計(jì)算工況設(shè)計(jì)

3.2 計(jì)算軟件選擇及網(wǎng)格劃分

本次模擬采用FLUENT進(jìn)行三維建模計(jì)算，以工況一為例，實(shí)例工程的三維模型建立見(jiàn)圖3。模型采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格間距設(shè)為1 m，在局部區(qū)域（如弧形邊界、陡槽末端）采用加密處理。

圖3 實(shí)例工程網(wǎng)格劃分

4 三維數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果分析

4.1 水流流場(chǎng)分布分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)本文數(shù)模計(jì)算，實(shí)例工程4組工況下的流態(tài)見(jiàn)圖4（考慮到模型范圍較大，因此只取12#臺(tái)階，即單臺(tái)階流速下降比最大的臺(tái)階，作為典型對(duì)比區(qū)域）。經(jīng)對(duì)比分析可知：

圖4 4組方案下在12#臺(tái)階處水流流場(chǎng)分布

（1）在各工況下，每一單級(jí)臺(tái)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(jí)梯坎的交角范圍內(nèi)出現(xiàn)了旋滾、和二次強(qiáng)迫水躍。

（2）每一單級(jí)臺(tái)階產(chǎn)生旋滾后的水流流速都斷崖式下降（下降幅度達(dá)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(lái)看，方案三下旋滾區(qū)流速最小，且旋滾水體占比最高，達(dá)到7.22%。

4.2 水流流速分布分析結(jié)果

同理，本節(jié)以12#臺(tái)階為例，4組方案下水流流速與測(cè)點(diǎn)水深關(guān)系圖見(jiàn)圖5（圖5中y坐標(biāo)標(biāo)示測(cè)點(diǎn)水深，即測(cè)點(diǎn)與臺(tái)階底板的高程距離；x坐標(biāo)標(biāo)示測(cè)點(diǎn)的水流總流速）。分析可知：

圖5 4組方案下在12#臺(tái)階處水流流速與測(cè)點(diǎn)水深關(guān)系

（1）隨著測(cè)點(diǎn)與底板距離增大，測(cè)點(diǎn)流速單調(diào)遞增，可見(jiàn)表面流速顯著大于底部流速。尤其是在0～0.2 m的范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)流速均小于10 m/s。

（2）不同工況下，流速分布規(guī)律基本一致，可見(jiàn)水深對(duì)測(cè)點(diǎn)流速分布影響遠(yuǎn)大于臺(tái)階傾角影響。

（3）在測(cè)點(diǎn)與底板距離為0～0.1 m范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)流速均非常小，且水流以回流、環(huán)流、亂流為主，水流出現(xiàn)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(yōu)流速分布。

4.3 壓力分布

四組工況下，12#臺(tái)階的壓強(qiáng)分布圖見(jiàn)圖6，且圖6中壓強(qiáng)等值線步長(zhǎng)取3000 Pa。分析可知：

圖6 4組方案下在12#臺(tái)階壓強(qiáng)分布圖

（1）四組工況下，12#臺(tái)階壓強(qiáng)分布規(guī)律基本相同，即大部分區(qū)域?yàn)檎龎簠^(qū)（工況1～工況4，正壓區(qū)區(qū)域面積占比依次為98.25%、98.31%、98.52%、98.36%），局部區(qū)域有負(fù)壓區(qū)（負(fù)壓區(qū)主要出現(xiàn)在水流剛飛入單級(jí)梯坎的左上方區(qū)域，該區(qū)域容易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象）。

（2）四組工況下，最大負(fù)壓依次為-3252.6 Pa、-3176.5 Pa、-3028.9 Pa、-3378.6 Pa；四組工況的最大負(fù)壓較為相似，且面積大小、發(fā)生區(qū)域也基本一致?？傮w來(lái)看，方案三的負(fù)壓分布對(duì)溢洪道陡槽段的影響相對(duì)較小。

4.4 消能效率對(duì)比

溢洪道在梯坎段進(jìn)、出口時(shí)水流的能量差與進(jìn)口時(shí)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(jìn)口單位重量水流的重力勢(shì)能與動(dòng)力勢(shì)能之和；為溢洪道出口單位重量水流的重力勢(shì)能與動(dòng)力勢(shì)能之和。

總體來(lái)看，在方案三工況下，水流的旋滾規(guī)模最大，出口流速值最低，耗散效率更高，優(yōu)于其他工況。

表1 消能效率對(duì)比

5 結(jié)論

本文為了進(jìn)一步研究臺(tái)階傾角對(duì)溢洪道陡槽段水流流態(tài)及水利性能影響規(guī)律，同時(shí)為實(shí)例工程提供參考依據(jù)，借助重慶磨刀磧水電站溢洪道的資料進(jìn)行三維建模分析，通過(guò)溢洪道陡槽段臺(tái)階傾角分別為0°、5°、15°、25°的對(duì)比計(jì)算工況，分析各工況下的水利特性指標(biāo)。研究結(jié)果顯示，在方案三工況下，水流的旋滾規(guī)模最大，出口流速值最低，耗散效率更高（67.58%），優(yōu)于其他工況。本文研究結(jié)論可以為類似水電站溢洪道設(shè)計(jì)時(shí)提供參考和借鑒。