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

側槽溢洪道被廣泛應用于岸坡陡峻、無適宜場地設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。目前學者們已對側槽溢洪道進行了較深入的研究，如武珂璘[1,2]對側槽溢洪道水力計算中水面線、水流控制點以及流態(tài)的判別進行了相關研究；賴勇等[3]通過對比分析水工模型試驗中側槽溢洪道的泄流能力和水面線，驗證了水力設計計算值的有效性；楊順玉[4]通過試驗優(yōu)化了側槽溢洪道調整段的布置，從而改善泄槽的水流特性。而隨著計算技術迅速發(fā)展，開展復雜流場的三維數(shù)值模擬技術已經(jīng)相當成熟，相對于傳統(tǒng)物理模型試驗具有減少成本投入、節(jié)約時間以及成果可視化等優(yōu)點。劉發(fā)智[5]、陳振軍[6]和邸宇測[7]等分別通過RNGk-ε紊流模型對側槽溢洪道的水力特性進了三維數(shù)值模擬，驗證了數(shù)值模擬的有效性；陳小威[8]通過模型試驗結合數(shù)值模擬的方法分析了側槽溢洪道的水流流態(tài)、水面線、壓強、流速等內容。

但以上研究主要針對的是溢流堰單獨由側堰組成的常規(guī)側槽溢流堰，而對由正堰和側堰組成的L型溢流堰的相關研究較少。L型側槽溢流堰由正堰段和側堰段組成(如圖1所示)，能有效增加堰頂過流寬度，達到抬高正常蓄水位、降低工程投資等目的。但相對常規(guī)側槽溢流堰，L型溢洪道在正堰和側堰兩股水流的相互作用下，側槽內水流結構也更加復雜。因此，為揭示L型側槽溢洪道側槽內正、側堰水流的相互作用機理，本文運用Flow 3D三維數(shù)值模擬與物理模型試驗相結合的方法，重點對L型側槽溢洪道側槽段水流流態(tài)、消能率、壓強等水力參數(shù)開展分析，成果可為類似工程的研究提供參考。

圖1 兩類側槽溢洪道布置對比圖

1 工程概況

景寧某水庫工程壩高90.0 m，設計洪水標準為50年一遇，校核為1 000年一遇。工程泄水建筑物采用無閘門控制的開敞式溢洪道，其進口為正堰與側堰相結合的L型側槽，下接控制段、調整段、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實用堰，溢流堰總長54.0 m，其中側堰長38.5 m，正堰長15.5 m，側槽起始斷面底寬6.0 m、末端底寬12.0 m，底坡3%，側槽橫斷面為梯形，堰體側為1∶0.65，山坡側為1∶0.50；側槽末端緊接長度為20.0 m、寬度12.0 m的調整段；調整段后為泄槽，采用等寬矩形斷面，底寬12.0 m，底坡1∶1.40，全長90.29 m(水平長度)；陡槽末端為挑流鼻坎，出口設消能護坦，護坦中心線長度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。本工程設計和校核流量分別為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，按重力相似準則設計。上游庫區(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坦段等關鍵建筑物。

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。軟件采用基于結構化矩形網(wǎng)格的FAVOR方法及真實的3步Tru-VOF方法，控制方程中含有體積和面積分數(shù)參數(shù)。本次模擬采用單相流體模擬水流流動，VOF自由液面處理方法，應用GMRES方法求解離散方程?？刂品匠贪ㄟB續(xù)性方程、動量方程、紊動能k方程、紊動能耗散率ε方程，對此已有較多介紹，文中不再贅述[12]。模型庫區(qū)段模擬長度為150 m，寬度為100 m；溢洪道長度為80 m，該區(qū)域為數(shù)模計算重點研究范圍，包括側槽溢洪道側槽段、調整段及泄槽段前端部分，并對該部分網(wǎng)格進行局部加密處理，最小網(wǎng)格尺寸為0.4 m。具體模擬范圍見圖3所示。模型進口及出口條件均為壓力邊界并設置相應水位，其中出口邊界水位采用相應試驗測量數(shù)據(jù)，壁面采用無滑移條件，粗糙影響程度由壁面函數(shù)確定。

圖3 模型計算區(qū)域圖

3 計算結果與分析

3.1 泄流能力

圖4給出了模型試驗測量和數(shù)值計算的泄流量值，結果表明，兩者數(shù)值基本接近。數(shù)模計算校核工況下泄流能力為525.1 m3/s，設計工況為331.3 m3/s，分別較設計要求流量富余0.6%和1.0%，即溢流堰的泄流能力滿足設計要求。其次，試驗中發(fā)現(xiàn)當庫水位超過321.6 m左右后，水位流量關系曲線中出現(xiàn)了明顯的拐點，拐點以上曲線較陡，主要原因是隨著庫水位的上升，堰上水流逐漸趨向淹沒，從而導致L型堰的流量系數(shù)反而降低。

圖4 L型側槽溢洪道泄流能力

3.2 流態(tài)及流速分布

物理模型試驗表明，在各特征工況下堰前流態(tài)總體較為平穩(wěn)，水流能平順進入側槽。在正、側堰相交處，兩股水流對沖交匯，沿45°方向進入側槽，匯合處水面壅高明顯，導致左側邊墻附近水位也有所壅高。側堰水流進入側槽后潛底并沖向側槽左側，遭對岸邊墻約束后折向水面，再在正堰來流的驅動下往下游及右側回旋，形成明顯的橫向漩流，水面紊動劇烈，水體摻氣明顯，同時使得側堰來流更加平順轉向泄槽軸向。校核工況時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]及本試驗觀測表明，L型溢流堰出現(xiàn)高淹沒度對過流能力影響有限，由圖4可知只有當庫水位高于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)超過校核水位320.99 m。設計工況時溢流堰為自由出流，側槽內未出現(xiàn)明顯的折沖水流。

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

圖5 側槽水流流態(tài)圖

測點校核工況試驗值計算值差值設計工況試驗值計算值差值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：測點1～3位于正堰堰頂，左中右依次設置；測點4位于正側堰交匯處；測點5～8位于側堰堰頂，從左至右依次設置。

側槽中存在大尺寸的漩渦是側槽溢洪道的顯著特征，常規(guī)側槽溢洪道中側槽沿程漩渦尺寸都與側槽尺寸相當[5]。而本工程L型側槽溢洪道中，通過分析數(shù)模計算得出的各特征橫斷面流速分布情況可知，L型側槽溢洪道中由于存在正堰來流的頂沖，側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，到側槽末端Y0+030.0斷面其尺寸與側槽橫向尺寸相當，具體如圖6橫斷面流場分布所示。

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

圖6 特征斷面流速分布情況

3.3 水面線

側槽中水流流量沿程不斷增加，為不均勻流，并且在正堰來流的作用下，使得水力設計時水面線的確定更為復雜。校核工況下，試驗測量與數(shù)值計算的水面線十分吻合，水面線在側槽段沿程變化不大，水位在319.3～319.8 m之間；而進入調整段后，水流下跌，水面線沿程遞減。設計工況中由于試驗側槽內水位波動更為劇烈，左岸邊墻水面波動幅度較大，為工程安全考慮試驗測量時取大值，使得側槽內試驗值略大于計算值，在Y0+030.0處相差最大為0.66 m，進入調整段后兩者較為接近；側槽及調整段左岸水面線先沿程遞增，在Y0+012.0處達到最大值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型側槽中正堰、側堰水流相互作用，加大了水流的紊動和漩滾作用，并且在側槽內形成大尺度漩渦，使得水流在進入泄槽時已完成初步消能。其消能效果一般用消能率K表示，具體公式如下：

(1)

圖7 側槽及調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為基準高程。

本文中以調整段底板高程310.6 m為基準高程Z0，對側槽的消能率進行計算。設計工況水流翻滾劇烈，水流摻氣明顯，數(shù)模計算的消能率為28.5%，試驗測量為28.8%；校核工況中側槽內水位較高，屬于淹沒出流，消能效果減弱，計算消能率為9.1%，試驗測量為10.3%。

表2 側槽消能率情況

3.5 壓 強

試驗中為了保證溢流堰堰面的精度，采用水泥砂漿刮制而成，較難設置測壓孔。為了解WES溢流堰堰面壓力分布情況，根據(jù)類似項目以及相關研究[14]成果表明，F(xiàn)low 3D軟件對溢流堰堰面壓力的計算較為可靠。因此，本次研究中采用數(shù)值計算對堰面壓力進行分析，分別讀取正堰和側堰中心線上7個測點壓力分布，具體測點位置見圖8。結果表明溢流堰沒有出現(xiàn)負壓，正堰堰面壓力大于側堰；堰面最小壓力出現(xiàn)在離堰頂0.5～1.5 m范圍內，其中設計工況堰面最小壓力為0.08 m水柱，位于

圖8 溢流堰壓力測點布置示意圖(單位：cm)

側堰3號測點；校核工況堰面最小壓力為0.26 m水柱，位于側堰2號測點。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 語

本文利用Flow 3D軟件對L型側槽溢洪道進口段開展三維水流數(shù)值模擬，并結合物模試驗結果進行對比分析，最終得到以下結論。

(1)數(shù)模計算結果與水工模型試驗資料吻合較好,表明該軟件可以應用于L型側槽溢洪道的優(yōu)化設計，且相對物模能夠提供更全面的三維水動力信息。

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

(3)側槽內消能作用明顯，在設計工況時消能率達到29%左右；溢流堰未出現(xiàn)負壓，且正堰的堰面壓力大于側堰。