田 錚，張耀哲，安夢雄，盧洋亮

(西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

溢洪洞是一種在水利工程中經(jīng)常應用的泄水建筑物，多由導流隧洞改建而成，以節(jié)省建設成本，縱剖面上采用“龍?zhí)ь^”、“龍彎腰”或“龍落尾”等型式，開敞式進口，后銜接隧洞，具有高水頭和大流速等特點，在泄洪過程中常發(fā)生脈動、振動、空化、空蝕及霧化等不利的水力學問題。國內(nèi)外學者針對溢洪洞開展了諸多研究。王利等[1]對去學水電站泄洪洞進行水力特性研究，提出了“等流速”明流泄洪洞底坡計算公式。張學琴等[2]采用水工模型試驗方法，針對小浪底水利樞紐龍?zhí)ь^式泄洪洞高速水流產(chǎn)生的水力學問題進行試驗研究。姜攀等[3]研究了不同庫水位條件下有壓泄洪洞洞身轉彎段壓力特性，并進行試驗驗證。劉嘉夫等[4]采用FLOW-3D軟件對青海省某水電站龍?zhí)ь^泄洪洞工程進行三維數(shù)值模擬研究，得到各部位水力參數(shù)，與試驗實測結果吻合良好。鄧建偉等[5]通過試驗研究提出了適合龍?zhí)ь^式泄洪洞導泄“二合一”隧洞出口消能工體型。

針對溢洪洞的研究成果眾多，方法比較成熟，但研究從初期針對某一特定部位[2-3,6]到開展整體水力特性研究[4-5，7]，研究對象多以導流洞改建的有壓隧洞為主，除龍?zhí)ь^段坡度變化外其他部位坡度平緩，且隧洞斷面不存在較大的收縮變化；對開敞式進口，存在大陡坡結構及斷面收縮變化的明流溢洪洞研究較少。由于工程實際情況千差萬別，既有相似性，又有獨特性，不能完全照搬工程經(jīng)驗。本文以新疆某水庫溢洪洞原設計方案為研究對象，結合模型試驗與數(shù)值模擬方法，重點針對溢洪洞進口段、斜井段、反弧段及洞身段等部位水流流態(tài)、時均壓強、水流流速等進行全面分析研究，提出優(yōu)化體型，改善消能防沖措施，為實際工程設計提供指導。

1 工程概況

新疆某水庫工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，總庫容2 488.1萬m3。工程由攔河壩、表孔溢洪洞、導流兼深孔泄洪洞及灌溉放水洞等組成，攔河壩為瀝青混凝土心墻壩，壩高111 m，表孔溢洪洞布置在左岸，采用有閘門控制的開敞式進口，由引渠段、控制段、漸變段、斜井段、反弧段、洞身段、泄槽段、鼻坎段及護坦等部分組成，全長399.385 m。控制段進口底板高程1 474.50 m，閘頂高程同壩頂高程1 487.50 m，堰型為WES實用堰、3孔，單孔堰寬5.0 m、堰頂高程1 477.50 m；漸變段坡度1∶1.5，斷面形式由16.734 m×10.000 m(寬×高)的矩形洞斷面漸變?yōu)? m×8 m(寬×高)的城門洞形；斜井段坡度1∶1.5，斷面形式為8 m×8 m的城門洞形，末端接半徑60 m的反圓?。欢瓷矶渭靶共鄱慰v坡1∶20，洞身段斷面形式同斜井段，泄槽段長10.0 m，底寬8.0 m，為整體式U型框；出口挑流鼻坎段長15 m，鼻坎寬8.0 m，反弧半徑為35.0 m，具體工程布置見圖1，典型斷面尺寸圖見圖2。

圖1 表孔溢洪洞平面及縱剖面示意圖(高程及樁號單位：m)

圖2 表孔溢洪洞典型斷面尺寸圖(尺寸單位：mm)

2 研究方法

2.1 物理模型

依據(jù)水利部《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》[8](SL 155—2012)中的標準與方法，按照重力相似準則設計[9]。按照試驗任務要求，在綜合考慮試驗場地及試驗設備供水能力基礎上，物理模型采用1∶50的正態(tài)模型。上游庫區(qū)按照表孔溢洪洞中心線方向，自進口向上至對面山坡，長度約200 m，庫區(qū)河道縱向長度約260 m；下游河道從導流兼深孔泄洪洞出口挑坎末端向下游270 m。模型流量比尺Qr=Lr5/2=17677.7，流速和時間比尺Vr=Tr=Lr1/2=7.071，糙率比尺Nr=Lr1/6=1.919。模型材料采用有機玻璃以便于流態(tài)觀察，滿足糙率相似，為便于測量數(shù)據(jù)，模型不設置頂蓋，邊墻高度同洞頂高度。地形高程用水準儀控制，建筑物用經(jīng)緯儀和水準儀控制。庫區(qū)地貌、下游河道表面采用水泥砂漿抹面，制作模型地形時采用斷面法，斷面間距取30 m，對地形變化復雜處增加斷面處理，采用測壓管測量時均壓力，三角量水堰測量流量。

2.2 數(shù)值模擬

基于FLOW-3D軟件進行三維數(shù)值模擬，采用RNGk-ε湍流模型來模擬水流流動，該模型在泄水建筑物的流場模擬等研究中被廣泛應用[10-13]，具有一定的可靠性；VOF模型能精準跟蹤自由表面，適用于水工建筑物內(nèi)水流流動[14-16]。軟件網(wǎng)格劃分采用結構化矩形網(wǎng)格，以控制段進口中點為xy平面零點，設置z坐標為進口高程1 474.50 m，x正方向與水流流動方向一致，z正方向沿高程向上，網(wǎng)格單元尺寸x方向采用1 m，y、z方向為0.5 m，網(wǎng)格數(shù)量約為750萬個。模型以校核工況為算例，進口采用壓力邊界進口并設置水位為1 486.55 m(校核水位)，出口邊界采用自由出流，上部進口采用對稱邊界，左右及底部采用壁面邊界，壁面邊界采用無滑移邊界條件。

3 計算結果與分析

3.1 泄流能力

根據(jù)設計洪水標準，土石壩校核洪水重現(xiàn)期為2 000年一遇，相應洪峰流量為975 m3/s，其中表孔溢洪洞最大泄流量為746 m3/s，特殊工況為假定僅依靠表孔溢洪洞暢泄校核洪水，最大泄流量879 m3/s。為驗證溢洪洞泄流能力是否滿足設計要求，通過模型試驗進行流量率定，得到了表孔溢洪洞3孔全開庫水位-流量關系曲線，結果見圖3。結果表明，特殊虛擬工況與校核工況的下泄流量滿足設計要求，相較于設計值分別有5.72%和4.29%的富余量，能夠滿足安全下泄水庫上游對應頻率洪水的要求。

圖3 表孔溢洪洞3孔全開庫水位-流量關系曲線圖

3.2 水流流態(tài)

試驗對表孔溢洪洞3孔全開流態(tài)進行觀察，進口水流順暢，校核洪水位時引渠段兩側邊墻存在較弱的繞流漩渦，但對溢洪洞過流沒有影響，堰面水面平穩(wěn)，水面光滑，流態(tài)較好，過堰水流受閘門體型影響，在墩后形成明顯水翅，同時水流受控制段兩側邊墻收縮及漸變段向斜井段斷面形式改變等影響，邊壁水翅和折沖水流在斜井段交匯形成強烈的交匯水翅，并伴有大量濺水，交匯水翅逐步擴散，又形成邊壁水翅，如此的折沖水流從交匯到擴散有規(guī)律地向下游傳播，強度沿程減弱。洞身段水面平順，無較大波動，水流經(jīng)挑流鼻坎挑射入下游河道，由于鼻坎為連續(xù)坎且水流流速大，水舌集中，對下游河道沖刷強烈，沖坑較深。校核工況下測試斷面處水深分布見表1。

表1 測試斷面處水深

數(shù)值模擬較為準確的模擬出了表孔溢洪洞內(nèi)的水流流態(tài)，但鑒于墩后水翅、邊壁水翅較薄，相對于網(wǎng)格單元尺寸太小，難以精準捕捉，溢洪洞各段水流流態(tài)見圖4。

圖4 表孔溢洪洞水流流態(tài)示意圖

3.3 底板壓強分布

校核洪水位工況，表孔溢洪洞底板中心線上壓強分布見圖5，溢流堰堰面壓強分布存在小范圍的負壓，其最小值只有-0.611×9.8 kPa，在規(guī)范允許范圍內(nèi)，可判斷堰面體型合理。在反弧段及挑坎段存在較大壓強，最大壓強出現(xiàn)在反弧段中段，其值為15.997×9.8 kPa，說明斜井下泄水流沖擊強烈，試驗值與計算值壓強比較見圖5，可以看出計算值與試驗值基本吻合。

圖5 底板中心線壓強分布圖

3.4 水深分布

溢洪洞中心線水深沿程分布見圖6。

圖6 底板中心線水深分布圖

由圖6可見水面線在斜井段因交匯水翅存在較大波動，流態(tài)不理想，整個沿程水面高度未超過洞頂，洞身段水深相對穩(wěn)定，計算值大部分與試驗值吻合良好，誤差原因可能在于水面波動與破碎，測量水深偏高。

3.5 流 速

流速是影響溢洪洞是否產(chǎn)生空化空蝕的重要依據(jù)，重點關注表孔溢洪洞內(nèi)水流流速，由于控制段到反弧段比降陡，水流從過堰時低流速迅速沿程增加，到反弧段起點時，模型試驗測量底流速為30.87 m/s，屬于高速水流區(qū)間，易引起空蝕破壞，對表孔溢洪洞沿程流速進行測量，并與數(shù)值模擬計算值比較，結果詳見表2。從表中可以看出，二者擬合情況大部分基本相近，最大誤差出現(xiàn)在樁號0+113.902 m處，為反弧段末端，可能由于此處水流沖擊，水流紊動大，流速波動大的原因；可以看出反弧段后水流流速基本處于高速狀態(tài)，需要考慮摻氣減蝕。

表2 溢洪洞近底流速沿程分布

3.6 原設計結果小結

水工模型試驗表明，表孔溢洪洞進出口平面位置布置合理，泄流能力滿足要求，但因為存在體型斷面變化，造成漸變段及斜井段存在較強水翅及折沖水流，對泄水建筑物極為不利，需要進行體型的調(diào)整。數(shù)模計算結果與水工模型試驗資料基本吻合，由于流場存在水翅及折沖水流，造成二者存在一定的誤差，軟件可應用于表孔溢洪洞的優(yōu)化設計。

4 體型優(yōu)化研究

由試驗結果知：原設計方案過堰水流由于受控制段邊墻收縮，形成邊壁水翅，并于漸變段得到疊加而形成強烈的交匯水翅，逐步擴散又形成邊壁水翅，強度沿程減弱；出口挑射水舌由于鼻坎體型，存在落點靠近左岸岸坡，擴散不充分，集中沖坑明顯等問題。

針對以上問題確定原設計體型優(yōu)化原則為：(1) 盡可能讓過堰水流平順與下游銜接，降低折沖水流及交匯水翅強度；(2) 盡可能使挑流水舌遠離岸坡，落點于河道中間，并在空間上實現(xiàn)擴散，降低集中水舌造成的沖坑深度。

優(yōu)化措施：(1) 在控制端后設置一定長度的緩坡調(diào)整段，使?jié)u縮水流盡可能在緩坡距離內(nèi)進行流態(tài)調(diào)整，降低折沖波強度，使下泄水流流態(tài)平順，避免高速水流出現(xiàn)折沖波，提高體型抗空化能力；(2) 挑流鼻坎左岸邊墻向河道偏轉，將水舌導向河道中心方向，為實現(xiàn)水流橫向擴散效果，考慮去掉右岸邊墻并斜切鼻坎。

對比不同方案，最終采用推薦為：漸變段后設置40 m長度的調(diào)整段，通過渥曲面段和斜井段與原洞身段相接，漸變段與調(diào)整段縱坡采用1/20；為充分向下游挑流，挑坎半徑保持不變，弧長加長，挑射角增加，左邊墻向河道方向偏移1.5 m，去掉右邊墻，對挑坎出口斜切，水舌右邊挑射距離縮短。對推薦體型進行模型試驗，以校核工況為例，將水流流態(tài)、水面線及水舌與原設計對比分析，分析結果如下。

4.1 流態(tài)分析

相較于原設計方案，調(diào)整段起到了調(diào)整流態(tài)的作用，沿程流態(tài)大大改善，但由于比降變緩，過堰水流從急流向緩流變化，水面壅高，水深增加，流速減緩，折沖水流強度變?nèi)?，交匯水翅減弱，鑒于平面體型布置的原因，無法完全消除折沖水流。

4.2 水深分析

通過設置調(diào)整段的方式放緩水流，一定程度上降低了原設計方案下折沖水流強度，減少濺水的發(fā)生，但同時帶來了水面線升高，交匯水翅升高的問題，從圖7可以看出左右側水深從平均4.0 m升至接近6.5 m，逼近邊墻高度6.69 m，交匯水翅最高大約8 m；相較于原設計方案流態(tài)有所改善。

圖7 水深對比圖

4.3 挑流水舌分析

推薦方案水舌見圖8，通過對左側邊墻向河道導向，強迫水舌偏轉，將水舌落點遠離河道左岸，防止沖刷岸坡；通過去掉右側邊墻約束，釋放空間，為避免大流量下水舌對河道右岸的沖刷，將挑坎出口斜切，讓水舌右側挑射距離變短，實現(xiàn)水舌擴散。

圖8 推薦鼻坎水舌形態(tài)圖

5 結 語

本文以新疆某水庫溢洪洞為研究對象，重點解決原設計方案體型存在的流態(tài)及水舌問題，通過設置緩坡調(diào)整段，降低流速，減弱折沖水流給洞身帶來的沖擊，保證了各工況流量下結構的安全；通過對挑流鼻坎的改動，實現(xiàn)水舌在下游河道內(nèi)縱橫向的擴散，避免了集中水舌對岸坡及河床的沖刷，降低了沖坑深度。