溢洪道增設(shè)摻氣坎對水力特性影響研究

鄧碩彥

(惠東縣廣源水利水電工程勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，廣東 惠東 516300)

溢洪道為水利泄流的重要水工結(jié)構(gòu)，其運營可靠性與其溢流面、消能段等結(jié)構(gòu)設(shè)計水平密切相關(guān)[1- 2]，有效的消能設(shè)計，不僅有利于溢洪道安全泄流，對保障下游水工建筑具有重要作用。摻氣坎設(shè)計方案不僅影響溢洪道泄流水力特性，也對下游消能結(jié)構(gòu)的消能降沖有一定影響[3- 4]，研究摻氣坎設(shè)計方案，有助于溢洪道消能、泄流安全協(xié)調(diào)性。何志亞等[5]、戴涓等[6]、李宗民等[7]基于工程實際狀態(tài)，采用原型材料與復(fù)制比尺設(shè)計理論，開展室內(nèi)溢洪道、消能池等水工結(jié)構(gòu)模型試驗，探討其不同設(shè)計方案下流速、水位及壓強等水力特征參數(shù)變化，評價工程設(shè)計體型優(yōu)化。不同與此，李懷超[8]、秦亞斌等[9]、沈東輝等[10]從結(jié)構(gòu)靜、動力場響應(yīng)特征對比入手，借助ANSYS、COMSOL等數(shù)值計算平臺，探討溢洪道、泄洪閘等水工結(jié)構(gòu)設(shè)計影響下的拉、壓應(yīng)力及位移變化，分析設(shè)計方案差異下結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。同樣是仿真計算，徐解剛等[11]、任慶鈺[12]采用Fluent等CFD流場計算方法，開展了溢洪道、消能池等水工結(jié)構(gòu)在溢流工況下的滲流場計算，獲得流速、紊動能及消能率演化特征，評價工程設(shè)計優(yōu)化方向。本文基于飛來峽水庫溢洪道設(shè)計現(xiàn)狀，探討了摻氣坎的參數(shù)設(shè)計優(yōu)化，為該溢洪道消能結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程設(shè)計模擬

1.1 工程概況

飛來峽水庫乃是北江干流上游地區(qū)重要水利設(shè)施，具有農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水調(diào)度及防洪排澇等綜合水利功能，且下游建設(shè)有與飛來峽水庫呈階梯型的調(diào)節(jié)設(shè)施，有效保障地區(qū)用水安全。飛來峽水庫包括有防洪大壩、溢洪道及灌溉干渠、引水閘等水工設(shè)施，按照Ⅱ級設(shè)計標準進行建設(shè)，最大庫容量為850萬m3，水庫水位與汛期防洪調(diào)節(jié)如圖1所示。水庫設(shè)計主壩高程為35.5～39.8m，壩身防滲結(jié)構(gòu)包括有防滲墻、止水面板及澆筑料的防滲性，全壩段滲流安全穩(wěn)定性較佳。水庫下游農(nóng)業(yè)干渠建設(shè)長度超過80km，規(guī)劃中長度為50km，計劃拓展惠及至石角、清遠、英德等粵東北地區(qū)，全干渠中部設(shè)計配置有調(diào)壓塔等結(jié)構(gòu)，控制干渠輸水流量，確保不出現(xiàn)雍流、渦旋等非穩(wěn)定滲流。飛來峽另一重要水利設(shè)施即為其溢洪道，該設(shè)施位于壩體右段，平面布置如圖2所示。溢洪道進、出水段及溢流段分別為15、5.3、30m，下游消能池采用聯(lián)合消功設(shè)計，消能坎高分布為0.6～0.9m。泄洪閘設(shè)計閘頂高度為18m，閘室凈寬為6m，采用雙孔式泄流設(shè)計，設(shè)計有預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)，厚度為1m。經(jīng)驗算，結(jié)構(gòu)靜、動力場均滿足設(shè)計要求，但不可忽視目前溢洪道消能率仍維持在較低水平，整體溢流段滲流渦旋時有發(fā)生，因而有必要針對溢洪道溢流設(shè)計開展優(yōu)化分析，保障溢洪道與飛來峽水庫其他水工建筑運營協(xié)調(diào)性。

圖1 水庫水位與汛期調(diào)節(jié)

圖2 溢洪道平面布置(單位：m)

1.2 設(shè)計模擬

采用Revit建立溢洪道幾何模型[13- 14]，如圖3所示，簡化部分寬尾墩及邊墻結(jié)構(gòu)，溢流面為階梯式，共有29級，全長為15m，首階截面為20mm×14mm，二級階梯后各階梯寬度為75mm，坡度為1/0.75，溢流面前段、泄洪閘末端，設(shè)置有摻氣坎，其高度設(shè)定為1m，由于其角度參數(shù)決定了與下游消能池泄流水平，特別是影響著下游消能率，故本文重點以摻氣坎角度η為研究對象，以期優(yōu)化該參數(shù)達到提升溢洪道運營水平。

圖3 溢洪道幾何模型

基于Revit構(gòu)建該階梯式溢洪道三維族模型，并導(dǎo)入至Fluent流場計算平臺中進行微單元模型劃分[12]，溢洪道劃分網(wǎng)格后計算模型如圖4所示，該模型共獲得多面體微單元146286個，132892個節(jié)點，且在溢流段重點加密劃分網(wǎng)格，覆蓋密度較其他區(qū)域增大了32%。模型中進水段設(shè)定為氣液二相入口，具備壓力與速度參數(shù)初始值，出水段亦是如此，而在溢流面上設(shè)定為液相單相體。根據(jù)飛來峽水庫運營工況，本文計算方案設(shè)定上游泄流量入口為120m3/s，初始流速設(shè)定為0.45m/s，計算摻氣坎不同角度η方案下水力特征差異。模型中x、y、z正向分別為下游消能池方向、溢流階梯指向壩體方向及豎直向下方向。

圖4 溢流面計算模型圖

摻氣坎角度η不得低于溢流段首級階梯坡度，即η不得超過10°，因此本文設(shè)定η為1.5°～9°，方案間梯次為1.5°，并設(shè)定無摻氣坎消能方案的溢流段方案，典型設(shè)計方案如圖5所示?；诓煌瑩綒饪步嵌葏?shù)η設(shè)計，對溢洪道水力特性開展計算分析。

圖5 摻氣坎設(shè)計方案

2 溢洪道滲流場特征影響

2.1 二相分布狀態(tài)

摻氣坎的存在，對提高溢流段階梯氣體空腔具有正面作用，有助于控制階梯受水力勢能沖刷影響，因而，本文以溢洪道全軸斷面上摻氣濃度參數(shù)來評價二相分布狀態(tài)，不同角度方案下溢洪道全斷面上摻氣濃度變化特征如圖6所示。

圖6 溢洪道沿程摻氣濃度變化特征

分析圖6可知，全斷面上摻氣濃度最高為角度6°方案，從量值變化對比可知，在斷面6.6m處為50.5%，而摻氣坎角度1.5°、4.5°、9°方案下同斷面摻氣濃度較前者分別減少了57%、28.3%、39.6%。從斷面整體摻氣濃度水平對比來看，無坎下斷面平均值為8.29%，而角度1.5°、4.5°及9°方案中平均摻氣濃度值較前者分別增大了67.3%、1.99倍、1.41倍，在摻氣坎角度1.5°～6°梯次方案內(nèi)，摻氣濃度平均增幅為38.6%，但在角度6°～9°方案內(nèi)，其摻氣濃度值水平變化發(fā)生逆轉(zhuǎn)，具有平均降幅26.3%。當(dāng)摻氣坎角度增大時，斷斷面摻氣濃度值水平并未一直遞增，而是在摻氣坎角度為6°后出現(xiàn)遞減變化。分析認為，摻氣坎的存在，可增大水體與空氣的接觸面積，提升斷面氣相含量，特別是摻氣坎角度增大時，泄流水體與氣相接觸面擴大至坎前端，從而氣相占比增多，故呈現(xiàn)摻氣濃度值水平增大的現(xiàn)象；但不可忽視，當(dāng)摻氣坎角度增大至一定區(qū)間后，迎水面可供氣相分布的容量是有限的，因而在氣、水相相互碰撞過程中，造成摻氣濃度值水平反而下降[15]，而本模型中該摻氣濃度最高的角度方案為6°。

另一方面，各摻氣坎角度方案下?lián)綒鉂舛戎底兓卣骶哂幸恢滦?，均在斷?.9m處具有最高濃度。在摻氣坎角度4.5°方案中，溢洪道節(jié)點斷面9.9m前、后區(qū)間內(nèi)，分別存在平均增幅14.3%與降幅17.2%，同理，在角度6°方案內(nèi)兩變幅值分別為15.9%、18.6%，而在角度1.5°中兩變幅又分別為13.3%、16.7%。由此說明，摻氣坎角度對溢洪道沿程斷面摻氣坎濃度值變化態(tài)勢影響較小，主要影響其濃度值水平，特別以摻氣坎角度6°下影響最顯著，同時濃度值水平最高，對溢流面階梯防沖刷效果最佳。

2.2 時均壓強特征

基于不同摻氣坎高度下溢洪道水力特征計算，獲得斷面時均壓強變化特征，如圖7所示。從圖7中可知，摻氣坎角度愈大，則泄流口愈可引起水體挑射，氣液二相混雜程度愈高，故而時均壓強愈高。在摻氣坎角度為1.5°時，沿程斷面上平均壓強為31.1kPa，而隨角度梯次方案遞增，平均壓強增幅達18.5%，各方案間時均壓強增幅較穩(wěn)定。另一方面，當(dāng)摻氣坎角度為9°時，其沿程斷面壓強水平分布較高，但其穩(wěn)定性欠佳，斷面上壓強變化具有震蕩段，在斷面23.1～26.4m上存在最大變幅16.9%。當(dāng)溢洪道斷面上出現(xiàn)過大變幅，易造成溢流面及出水段出現(xiàn)雍流效應(yīng)，水流中壓強可控性變差，因而兩方案在摻氣坎設(shè)計時應(yīng)排除。

圖7 溢洪道沿程壓強變化特征

各摻氣坎角度方案中，時均壓強均在斷面上為遞增變化，且在角度低于6°時，斷面壓強增幅基本接近，分布為8.9%～10.5%；但在角度7.5°、9°方案中，斷面壓強變幅在初始進水段即具有較高增幅，而后緩增，最終在出流段出現(xiàn)壓強震蕩變化。由此可知，壓強過高，溢洪道全斷面上壓強增幅變化差異較大，且在出流段出現(xiàn)局部不穩(wěn)定反復(fù)階段，不利于溢洪道泄流安全性。

3 溢洪道水動力學(xué)特征影響

分析溢洪道沿程水動力學(xué)特征，可獲得流速特征，如圖8所示。從圖8中可知，摻氣坎角度與溢洪道斷面流速具有負相關(guān)關(guān)系，在斷面0m處無摻氣坎方案中流速為15.8m/s，而角度1.5°、6°、9°方案中同位置較之分別減少了19.3%、66.6%、82%；增大摻氣坎角度，對流速控制更為有利，并減小水動力勢能。在摻氣坎角度1.5°方案中，沿程斷面平均流速為11.6m/s，而隨梯次角度方案變化，斷面平均流速減少14.2%。因而，溢洪道增設(shè)摻氣坎，有助于減緩泄流水速，降低水體對下游水工建筑沖刷能量。

圖8 溢洪道沿程流速變化特征

從流速變化全過程可知，各摻氣坎角度方案中流速均為先增后減變化，角度1.5°～6°方案中流速最高點均維持在斷面9.9m處，而角度9°方案中峰值流速位于斷面13.2m；且在角度9°方案中峰值流速基本接近于角度6°方案。在兩方案沿程流速增幅階段，最大差幅僅為3%，表明摻氣坎角度高于6°時流速基本被削弱至同一水平。特別是在消能池斷面23.1～33m內(nèi)，角度6°、9°方案中流速水平均保持一致，維持在1.5～3.6m/s左右。筆者認為，在進水段由于水體泄流翻滾及臺階觸水面積的減小，水流會在一定斷面上出現(xiàn)流速增幅，但隨著進入溢流段后，水力勢能減弱，其能量減少，故而流速逐步減小，當(dāng)進入消能池時流速水平較低，進而在消能池內(nèi)完成最終消能降沖[16]。從摻氣坎角度設(shè)計方面考慮，流速水平在摻氣坎角度高于6°時控制顯著，但過大的角度在消能池內(nèi)并未引起較顯著變化。綜合滲流特征及水力特性，認為摻氣坎角度6°時泄流安全及消能設(shè)計綜合優(yōu)勢最大。

4 結(jié)論

(1)增設(shè)摻氣坎使摻氣濃度增高，但濃度最高時為角度6°方案；斷面9.9m處為溢洪道沿程摻氣濃度峰值；摻氣坎角度對摻氣濃度值變化態(tài)勢影響較弱，對其量值水平影響顯著。

(2)摻氣坎角度愈大，時均壓強愈高；角度超過6°時，斷面時均壓強具有震蕩變化段；角度低于6°時，各方案沿程壓強變幅基本接近。

(3)摻氣坎角度與斷面流速呈負相關(guān)；沿程流速均為先增后減變化，且角度1.5°～6°方案內(nèi)峰值流速所在斷面均保持一致；角度超過6°時，流速水平減弱至同一水平。

(4)綜合流場特征及水力特征，摻氣坎角度為6°時泄流運營技術(shù)優(yōu)勢最顯著。