基于UG-FLUENT的溢洪道消力池水力特性影響研究

許 超，王星彥，呂曉云

（江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210000）

消力池作為水工建筑中重要消能防沖設(shè)施，其水力特征穩(wěn)定性與泄流量及設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)[1，2]，開展消力池水力特征分析有助于推動(dòng)消力池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平與滲流場安全契合。壓強(qiáng)是反映水工結(jié)構(gòu)運(yùn)營可靠性的重要參數(shù)，從壓強(qiáng)參數(shù)分析入手，探討消力池等水工結(jié)構(gòu)運(yùn)營下流場的影響特性[3，4]，對工程設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。戴涓等[5]、盧洋亮等[6]、謝先坤[7]根據(jù)模型試驗(yàn)理論，利用材料復(fù)制比尺關(guān)系設(shè)計(jì)開展了室內(nèi)水工模型試驗(yàn)，研究了溢洪道、水閘及消力池等水工結(jié)構(gòu)運(yùn)營期流速、水位等特征。邢磊磊[8]、秦亞斌等[9]、馬志軍等[10]從結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力場計(jì)算考慮，采用ANSYS、ABAQUS、COMSOL 等數(shù)值計(jì)算軟件分析了水閘、壩體及泵站等水利設(shè)施的應(yīng)力、位移特征，獲得了水利結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力場響應(yīng)特性與設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系，從運(yùn)營安全考慮，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。華中等[11]、劉波[12]、徐庶偉[13]采用FLUENT、MIKE21 等流場計(jì)算平臺(tái)，建立計(jì)算模型，從實(shí)際工況荷載入手，探討溢洪道、閘門等水工結(jié)構(gòu)內(nèi)流場影響變化，評價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)或荷載工況對滲流場內(nèi)流速、水位及水沙演變影響，為工程建設(shè)提供依據(jù)?；诨窗菜麡屑~溢洪道消力池水力特征研究問題，利用UGFLUENT 平臺(tái)開展了滲流場壓強(qiáng)特征分析，探討了流量、坎高對消力池靜、脈動(dòng)壓強(qiáng)影響，為消力池設(shè)計(jì)建設(shè)提供參考。

1 工程設(shè)計(jì)模擬

1.1 工程概況

淮安水利樞紐是地區(qū)重要控流、取水調(diào)水、排澇防洪、通航發(fā)電的綜合水利設(shè)施，主要水工建筑包括攔水大壩、溢洪道、泄洪閘及引水渠道等，其中上游蓄水庫設(shè)計(jì)庫容為635 萬m3，最大可調(diào)度水資源超過設(shè)計(jì)庫容的70%，為地區(qū)工業(yè)用水及農(nóng)業(yè)灌溉提供重要保障。攔水大壩建設(shè)高程35.5 m，按照100 a一遇洪水水位設(shè)計(jì)防洪，壩基處鋪設(shè)厚度為0.3 m的防滲墊層。大壩采用混凝土重力壩設(shè)計(jì)形式，沿壩軸線全長約455 m，壩頂寬度4 m，防滲設(shè)計(jì)方案為水面板與防滲墻的聯(lián)合體，可以有效降低壩身內(nèi)滲流活動(dòng)，監(jiān)測表明壩基處流速穩(wěn)定在0.8～1 m/s，無顯著渦旋及紊流現(xiàn)象產(chǎn)生，滲流活動(dòng)較佳。該樞紐設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為550 MW，年發(fā)電量可保障地區(qū)生活用電。泄洪閘位于主壩右岸，設(shè)計(jì)最大泄流量355 m3/s，采用多孔式閘門設(shè)計(jì)形態(tài)，單孔凈寬3.2 m，共6孔，以預(yù)應(yīng)力錨索為泄洪閘墩加固支撐形式，最大張拉荷載1 750 kN，墩徑1.6 m，配置有橫、縱連系梁作為泄洪閘承重加固結(jié)構(gòu)，每根支撐梁均采用腹板高厚比為0.7的型鋼材料，運(yùn)營期監(jiān)測表明其結(jié)構(gòu)內(nèi)最大拉應(yīng)力未超過1.6 MPa。引水渠道建設(shè)長度55 km，采用主渠與支渠橫貫方式，渠首流量為0.7 m3/s，全渠道斷面上均采用防滲混凝土砌塊作為襯砌結(jié)構(gòu)，可以有效減少渠坡對輸水耗散的影響，監(jiān)測得到渠道內(nèi)全年輸水耗散率不超過20%。溢洪道采用正槽開敞式設(shè)計(jì)，堰頂高程33.6 m，水工結(jié)構(gòu)包括進(jìn)出水段、溢流段、消力池及尾水渠等，全軸線長度30 m，其中溢流段長度占50%，坡度為1/3，采用多級階梯式溢流設(shè)計(jì)，可以減弱泄流水力勢能沖擊影響，尾水渠滲透坡降設(shè)計(jì)為0.005，其設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

圖1 溢洪道斷面

溢流面上共有24個(gè)階梯，最大階高35 cm，溢洪洞采用上弧下方體型設(shè)計(jì)，截面高度0.82 m，寬度0.72 m，截面體型如圖2所示。溢洪道下游消力池內(nèi)深度為1 m，軸線長度為5 m，池首設(shè)計(jì)下泄流量100 m2/s，消能防沖水位28.6 m，按照30 a 一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)消能防沖，兩側(cè)建設(shè)有翼墻，可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗水力沖刷作用。該水利樞紐另配置有T形寬尾墩作為聯(lián)合消能，但由于寬尾墩受限于池內(nèi)水位及自身結(jié)構(gòu)靜力場影響，消能降沖效率大大降低。為此，工程設(shè)計(jì)部門考慮對溢洪道消力池內(nèi)坎高進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，評價(jià)不同坎高方案下消力池內(nèi)水力特征，進(jìn)而評價(jià)工程設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，最終達(dá)到提升整體溢洪道降沖效果。

圖2 溢洪洞截面

1.2 工程設(shè)計(jì)

為探討溢洪道消力池坎高設(shè)計(jì)方案，利用UG建模平臺(tái)構(gòu)建起整體溢洪道幾何模型[14]，如圖3 所示。該模型中設(shè)定尾水渠長度為8 m，為簡化模型計(jì)算過程，溢流面設(shè)計(jì)為平坡面，進(jìn)、出水段長度以實(shí)際參數(shù)設(shè)定。另T 形寬尾墩由于消能效果欠佳，對消力池的輔助作用較小，模型中將其簡化。

圖3 溢洪道幾何模型

經(jīng)UG建模平臺(tái)創(chuàng)建模型后，導(dǎo)入至FLUENT流場模擬平臺(tái)[13，15]，并經(jīng)網(wǎng)格劃分獲得模型如圖4 所示，包括溢洪道整體斷面模型與消力池模型，其中消力池模型是本文研究重點(diǎn)，池壁及池底等部位重點(diǎn)加密劃分，共有計(jì)算微單元45 826 個(gè)、節(jié)點(diǎn)38 276個(gè)。本模型中頂、底面均設(shè)置有全自由度與法向約束邊界，頂部可與大氣相通交換；溢洪道進(jìn)水段給定為流速控制邊界條件，而尾水渠與消力池接觸面設(shè)定為壓強(qiáng)控制邊界條件。計(jì)算模型中X、Y、Z 正向分別設(shè)定為泄流向消力池方向、水流向右翼擋墻方向及結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力方向。

圖4 流場計(jì)算模型

消力坎作為消能的重要水工結(jié)構(gòu)，其坎高設(shè)計(jì)關(guān)乎降沖效率，基于溢洪道實(shí)際運(yùn)營現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)消力池坎高為0（無消力坎）、5、10、15、20、25、30 cm，在其他參數(shù)保持一致的工況下計(jì)算消力池水力特征，另根據(jù)溢洪道泄流標(biāo)準(zhǔn)的30%～80%設(shè)計(jì)上游來水泄流量分別為30、40、50、60、70、80 m3/s?；谏鲜霾煌沽髁糠桨搁_展消力池坎高影響池內(nèi)水力特征計(jì)算分析，并重點(diǎn)分析池內(nèi)底板各高程測點(diǎn)上的水力特征，A～H斷面計(jì)算特征點(diǎn)分布如圖5所示。

圖5 斷面計(jì)算特征點(diǎn)分布

2 流量變化對消力池水力特征影響

2.1 靜壓強(qiáng)特征

對不同流量下消力池內(nèi)水力特征開展計(jì)算，獲得不同特征點(diǎn)斷面上靜壓強(qiáng)變化特征，如圖6所示，本文所計(jì)算的消力池靜壓強(qiáng)分為池底與與邊墻連接點(diǎn)。

圖6 流量影響下特征斷面上靜壓強(qiáng)變化

依據(jù)消力池水力特征分析可知，在池底處靜壓強(qiáng)以低流量下為最大，流量30 m3/s下A～H 特征點(diǎn)斷面上平均靜壓強(qiáng)為3.34 kPa，而流量50、70 m3/s 下斷面平均靜壓強(qiáng)較前者分別下降41.3%、59.3%，從流量影響靜壓強(qiáng)整體來看，流量每增加10 m3/s，則斷面上平均靜壓強(qiáng)可下降20%。筆者認(rèn)為，流量愈大，消力池前段水體積累愈少，而大量的水體往下游集中，消力池內(nèi)水能跳躍性變化點(diǎn)也往后推遲，造成流量特征值與靜壓強(qiáng)具有負(fù)相關(guān)變化關(guān)系。從斷面各特征點(diǎn)壓強(qiáng)變化可知，特征點(diǎn)斷面愈靠近消力池中、下游，則壓強(qiáng)水平愈高，以流量40 m3/s 為例，其在特征點(diǎn)A 處靜壓強(qiáng)為1.43 kPa，而在特征點(diǎn)C、E、G 上壓強(qiáng)分別較前者上升53.1%、104.5%、92.2%；當(dāng)流量增大后，壓強(qiáng)水平隨特征點(diǎn)往中、下游延伸，增大趨勢有所減弱，此與高流量下水躍性有關(guān)。另一方面，邊墻連接點(diǎn)處靜壓強(qiáng)在各流量工況中變化特征與池底基本類似，但高流量下壓強(qiáng)波動(dòng)性減弱，在流量70 m3/s 下靜壓強(qiáng)在A～E 特征點(diǎn)上均為0，在F 特征點(diǎn)后才具正壓強(qiáng)，整體穩(wěn)定性較好，但壓強(qiáng)水平整體低于池底計(jì)算點(diǎn)。在相同流量30 m3/s 下邊墻連接點(diǎn)處靜壓強(qiáng)分布為1.22～1.98 kPa，較之池底計(jì)算點(diǎn)上降低38.6%～61.4%；對比斷面平均靜壓強(qiáng)可知，邊墻連接點(diǎn)上流量30～70 m3/s 下平均靜壓強(qiáng)分布為0.57～1.61 kPa，較之池底計(jì)算點(diǎn)的降幅為47.6%～58.1%。池底計(jì)算點(diǎn)高程大于池底，表明消力池內(nèi)高程愈大，則靜壓強(qiáng)愈低，穩(wěn)定性趨好。

2.2 脈動(dòng)壓強(qiáng)特征

脈動(dòng)壓強(qiáng)反映了水工建筑受水力沖刷作用下動(dòng)力響應(yīng)特性，本文根據(jù)滲流場模擬計(jì)算獲得脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差特征參數(shù)，該參數(shù)乃是脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值特征值。其計(jì)算公式為：

基于此，獲得不同流量下池底計(jì)算點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差參數(shù)變化特征，如圖7 所示。從圖7 可看出，脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差參數(shù)與流量值具有正相關(guān)關(guān)系，在流量30 m3/s 下A 特征點(diǎn)斷面上脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值為0.013 kPa2，而流量40、70 m3/s 下脈動(dòng)壓強(qiáng)方差參數(shù)較前者分別上升1.38 倍、9.25 倍，全斷面上流量30 m3/s下的平均方差參數(shù)值為0.069 kPa2，而流量每增大10 m3/s，則平均方差參數(shù)值可增長34.5%，即流量愈大，消力池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)愈高，受紊流擾動(dòng)作用愈強(qiáng)，形成的渦流、紊動(dòng)效應(yīng)愈大。分析各特征點(diǎn)斷面上脈動(dòng)壓強(qiáng)方差變化可知，在流量30 m3/s 下最大方差參數(shù)值位于斷面G 上，后在斷面上遞減至穩(wěn)定狀態(tài)；同樣在流量40、60 m3/s 下分別在斷面F、G 上達(dá)到最大壓強(qiáng)，此時(shí)紊流最強(qiáng)烈，后趨于平穩(wěn)[16]。由此可見，消力池內(nèi)最易受脈動(dòng)壓強(qiáng)破壞威脅點(diǎn)位于中部斷面F～G 上，消力坎的布設(shè)也應(yīng)與之相匹配，可以減弱脈動(dòng)壓強(qiáng)對消力池動(dòng)水效應(yīng)影響。

圖7 脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差參數(shù)與流量關(guān)系

3 坎高參數(shù)對消力池水力特征影響

3.1 靜壓強(qiáng)

同理，計(jì)算獲得不同消力坎高參數(shù)下池內(nèi)靜壓強(qiáng)分布變化特征，如圖8所示。從靜壓強(qiáng)與坎高參數(shù)關(guān)系可知，消力坎愈高，靜壓強(qiáng)水平減小，在池底計(jì)算點(diǎn)處無消力坎時(shí)全斷面上平均靜壓強(qiáng)為1.94 kPa，而坎高為5、15、25 cm 下平均靜壓強(qiáng)較前者分別下降26.3%、50.5%、72.7%，坎高平均每增大5 cm，可導(dǎo)致靜壓強(qiáng)降低28.6%。從各特征點(diǎn)斷面上靜壓強(qiáng)變化可知，無消力坎或坎高過低時(shí)，靜壓強(qiáng)具有顯著峰值點(diǎn)，在坎高5 cm時(shí)靜壓強(qiáng)峰值點(diǎn)出現(xiàn)在F斷面上，達(dá)2.23 kPa，而坎高為25、30 cm 時(shí)無顯著峰值點(diǎn)，各特征點(diǎn)上壓強(qiáng)分布基本處于穩(wěn)定或差幅不大的態(tài)勢；筆者認(rèn)為，消力坎高度決定了上游泄流水力勢能對下游池內(nèi)底板沖擊作用，當(dāng)坎高較合理時(shí)，過坎后水流引起的水舌紊流活動(dòng)較穩(wěn)定，對池內(nèi)水流擾動(dòng)較小。在邊墻連接點(diǎn)處靜壓強(qiáng)波幅較小，各坎高方案下平均靜壓強(qiáng)分布差距為15.5%～73.2%，靜壓強(qiáng)的平均降幅為30.1%，即高程增大后，坎高差異引起的降能效應(yīng)有所減弱。與之同時(shí)，在邊墻連接點(diǎn)上壓強(qiáng)零值在斷面A～D 上分布，且在多個(gè)坎高方案中均是如此，相比池底計(jì)算點(diǎn)上壓強(qiáng)零值分布范圍更廣，表明在邊墻連接點(diǎn)上靜壓強(qiáng)受坎高影響較小，零壓強(qiáng)分布及量值水平差幅均弱于池底計(jì)算點(diǎn)。

圖8 坎高影響下特征斷面上靜壓強(qiáng)變化

3.2 脈動(dòng)壓強(qiáng)

根據(jù)消力池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值計(jì)算，獲得脈動(dòng)壓強(qiáng)方差特征參數(shù)與消力坎高關(guān)系，如圖9所示。從圖9可知，坎高愈大，則消力池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值愈低，在無消力坎方案下脈動(dòng)壓強(qiáng)方差最大值為1.5 kPa2，而坎高5、25、30 cm 方案中最大方差較前者分別下降9.3%、42.7%、61.7%；而從平均方差來看，坎高每增大5 cm，斷面特征點(diǎn)上脈動(dòng)壓強(qiáng)平均方差可下降27.1%，消力坎增大水流渦旋動(dòng)力，但可限制動(dòng)壓強(qiáng)的振幅特性。從脈動(dòng)壓強(qiáng)方差峰值出現(xiàn)特征點(diǎn)斷面來看，坎高愈大，脈動(dòng)壓強(qiáng)方差峰值愈靠近出現(xiàn)在消力池中、下游，該斷面上對水力勢能限制作用較強(qiáng)，可在池內(nèi)中下游形成穩(wěn)定水舌效應(yīng)，從而減弱水工建筑沖蝕作用[17]。從各坎高方案下脈動(dòng)壓強(qiáng)方差在池內(nèi)斷面變化趨勢來看，坎前方差高于坎后，在坎高15 cm 方案下，坎前A～D 特征點(diǎn)斷面上平均方差為0.85 kPa2，而坎后較之前者下降20%。綜合分析認(rèn)為，消力坎高增大，有利于對池內(nèi)水力勢能控制，降低渦旋水流對水工結(jié)構(gòu)的動(dòng)水作用。

圖9 脈動(dòng)壓強(qiáng)方差參數(shù)與消力坎高關(guān)系

4 結(jié)論

（1）靜壓強(qiáng)以低流量下為最大，流量每增長10 m3/s，則斷面平均靜壓強(qiáng)可下降20%；消力池中、下游壓強(qiáng)水平最高；邊墻連接點(diǎn)處靜壓強(qiáng)波動(dòng)性較弱；整體壓強(qiáng)水平低于池底計(jì)算點(diǎn)，各流量工況下兩者間靜壓強(qiáng)差幅為47.6%～58.1%，池內(nèi)高程愈大，則靜壓強(qiáng)愈低。

（2）脈動(dòng)壓強(qiáng)均方差參數(shù)與流量值具有正相關(guān)關(guān)系，流量每增大10 m3/s，平均方差參數(shù)可上升34.5%；池內(nèi)最易受脈動(dòng)壓強(qiáng)作用位于中部斷面F～G上。

（3）消力坎愈高，則靜壓強(qiáng)水平減小，坎高每增大5 cm，可導(dǎo)致靜壓強(qiáng)降低28.6%；坎高增大，斷面靜壓強(qiáng)分布穩(wěn)定性較高；高程增大，坎高差異引起的降能效應(yīng)減弱。

（4）坎高愈大，則池內(nèi)脈動(dòng)壓強(qiáng)方差值愈低，坎高每增大5 cm，斷面脈動(dòng)壓強(qiáng)平均方差可下降27.1%；消力池中、下游斷面上對水力勢能限制作用較強(qiáng)，且坎前斷面脈動(dòng)壓強(qiáng)方差高于坎后。