方麗君

（萬年縣河道堤防管護(hù)中心，江西 萬年 335500）

0 引 言

隨著臺(tái)階式溢洪道在水庫工程中的推廣應(yīng)用，溢洪道階梯消能工問題也更加受到設(shè)計(jì)人員關(guān)注，臺(tái)階可使溢洪道消能率顯著增大，使下游消力池規(guī)模減小，節(jié)省工程投資?，F(xiàn)階段，對溢洪道階梯消能工的研究主要圍繞總消能率展開，總消能率包括光滑面消能和臺(tái)階消能兩個(gè)方面，無法準(zhǔn)確反映溢洪道階梯消能性能，也不能體現(xiàn)階梯消能對溢洪道總消能率的貢獻(xiàn)。文章依托具體的水庫工程，通過構(gòu)建水庫溢洪道階梯消能工模型，對溢洪道階梯消能特性展開研究，以期為溢洪道水工建筑物安全高效運(yùn)行提供參考。

1 工程概況

黃莊水庫位于余江縣北部信江河下游右岸一級(jí)支流黃莊河主支上游，黃莊鄉(xiāng)東源村小毛家附近，距離余江縣城約35km。水庫溢洪道位于右肩，按開敞式土基泄槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，泄槽段局部設(shè)置漿砌石防護(hù)。溢洪道處地勢平坦，為筑壩過程中所形成的平緩階地；溢洪道進(jìn)口段位于右岸壩前庫區(qū)，引水渠兩側(cè)地基為結(jié)構(gòu)松散、厚度在2.0～5.0m 之間的上更新統(tǒng)坡洪積低液限粉土；下層為結(jié)構(gòu)密實(shí)，厚度在20m 以上是更新統(tǒng)洪積低液限黏土。出口消能段位于右壩肩岸坡下游，并以結(jié)構(gòu)密實(shí)，厚度在18m 以上的中更新統(tǒng)洪積低液限黏土為持力層；現(xiàn)狀溢洪道未設(shè)置控制閘。

2 有限元模型

2.1 模型構(gòu)建

應(yīng)用AutoCAD 軟件創(chuàng)建該水庫溢洪道階梯消能工模型，并導(dǎo)入ANSYS 有限元軟件的fluent meshing 模塊[1]。與物理模型對應(yīng)，幾何模型由臺(tái)階前水平段、臺(tái)階段、臺(tái)階尾部水平段等部分組成，長度依次為0.6m，1.08m，0.6m，沿水流向?yàn)閄 軸，模型高度向?yàn)閅 軸，橫向?yàn)閆 軸。

應(yīng)用ANSYS 軟件的fluent meshing 模塊展開網(wǎng)格劃分，為提升網(wǎng)格劃分質(zhì)量，通過非結(jié)構(gòu)多邊形網(wǎng)格劃分模型并在臺(tái)階壁面處加密。網(wǎng)格最大、最小尺寸分別為0.4cm 和0.1cm，共包括760 000 個(gè)網(wǎng)格。文章主要設(shè)計(jì)出2 種不同寬度的交錯(cuò)布置臺(tái)階式消能工，Ⅰ型臺(tái)階消能工的臺(tái)階寬度為溢洪道總寬度的1/3，單個(gè)臺(tái)階寬6.4cm；Ⅱ型臺(tái)階消能工的臺(tái)階寬度為溢洪道總寬度的1/5，單個(gè)臺(tái)階寬4.0cm。按照這一尺寸分別創(chuàng)建Ⅰ型和Ⅱ型水庫溢洪道臺(tái)階消能工模型。

2.2 邊界條件

為保證求解結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須合理確定邊界條件。此次數(shù)值模擬的邊界條件包括臺(tái)階入口邊界、出口邊界、壁面邊界、大氣邊界等部分。

1）入口邊界：水流在流動(dòng)過程中自動(dòng)劃分出流動(dòng)區(qū)和上方空氣區(qū)兩個(gè)區(qū)域，故在設(shè)定該邊界時(shí)，根據(jù)水深，將水流流動(dòng)區(qū)設(shè)定為速度入口，將上方空氣區(qū)設(shè)定為壓力入口。

2）出口邊界：主要位于流動(dòng)發(fā)展最為充分的與臺(tái)階末端相距60cm 處，結(jié)合水流特性，應(yīng)將其設(shè)定為壓力邊界，并以大氣壓值為出口壓力。

3）壁面邊界：均為固壁邊界，無滑移。

4）大氣邊界：臺(tái)階上方接觸大氣，空氣自由流動(dòng)產(chǎn)生壓力作用，以大氣壓值為邊界壓力。

3 溢洪道階梯消能特性

3.1 消能工水面線

對于該水庫溢洪道交錯(cuò)式臺(tái)階消能工而言，因臺(tái)階橫向缺乏平整性，水面線在橫向表現(xiàn)出較大波動(dòng)，此處對Ⅰ型臺(tái)階消能工1#和2#斷面水面線展開分析?？紤]到Ⅰ、Ⅱ型臺(tái)階消能工僅臺(tái)階寬度不同，故僅展開中軸縱斷面水面線的比較。在40m3/h 的流量下，Ⅰ型臺(tái)階消能工1#和2#縱斷面水深均呈波浪形態(tài)勢，且錯(cuò)峰波動(dòng)，波峰主要產(chǎn)生于臺(tái)階凹槽處，波谷則出現(xiàn)在水平臺(tái)階面上；4#臺(tái)階水流在不同斷面水深差最大，且2#斷面水面線波動(dòng)更為劇烈，最大水深也較大；1#斷面臺(tái)階在多股水流的影響下，挑射能力受到削弱，下泄水面線不高。

根據(jù)對不同流量下Ⅰ型臺(tái)階消能工1#和2#斷面水面線的分析看出，2#斷面臺(tái)階面消能工存在跌落趨勢，而1#斷面并不明顯。通過分析原因可知，臺(tái)階的交錯(cuò)式設(shè)計(jì)使水流和臺(tái)階面碰撞的區(qū)段延長，臺(tái)階上消能工跌落也較為明顯；水流持續(xù)向中間集中，故臺(tái)階中軸面水面線更為平緩。由于臺(tái)階面水流不只是沿水流向自由下泄，還有部分水流沿臺(tái)階側(cè)向凹槽內(nèi)跌落，經(jīng)凹槽匯集后下泄至下級(jí)臺(tái)階，使水流碰撞加劇，水能快速耗散，故臺(tái)階凹槽處水面線明顯高于臺(tái)階面水面線。

與Ⅰ型臺(tái)階消能工相比，流量40m3/h 時(shí)的Ⅱ型臺(tái)階消能工在中軸面的水面線變化趨勢更加平穩(wěn)，表明對于寬度更窄的消能工臺(tái)階，水流具有更充分的發(fā)展空間。

3.2 消能工流態(tài)

傳統(tǒng)溢洪道臺(tái)階水流流態(tài)分為滑行水流、過渡水流、跌落水流等。Ⅰ、Ⅱ型交錯(cuò)布置的臺(tái)階消能工水流更具紊動(dòng)性，流態(tài)也與傳統(tǒng)臺(tái)階消能工流態(tài)有較大不同。通過比較不同流量下傳統(tǒng)臺(tái)階消能工與交錯(cuò)布置臺(tái)階消能工縱斷面看出，交錯(cuò)布置臺(tái)階1#斷面消能工摻氣效果較差，且其摻氣主要出現(xiàn)在水流表面，水體間的碰撞使水流和空氣接觸面積增大，大量空氣摻入后使水流能量充分耗散。此外，隨著消能工臺(tái)階寬度減小，水流起伏變化期間空腔持續(xù)消失，水流隨即表現(xiàn)出更加充分的發(fā)展。

以Ⅰ型交錯(cuò)布置臺(tái)階1#斷面為例，其所對應(yīng)的水流流動(dòng)的形態(tài)并無規(guī)律，不同等級(jí)的臺(tái)階末尾處全部表現(xiàn)出挑射特征明顯的水流；特別是各級(jí)臺(tái)階較為傾斜和凹陷的部位必然面臨大水深，各向運(yùn)動(dòng)的水流在遭遇后必然表現(xiàn)出激烈碰撞，這一過程中少量空氣必然被卷入，引起更為強(qiáng)烈的紊動(dòng)。此外，通過對流量依次為20m3/h、40m3/h、60m3/h下兩種臺(tái)階效能工形式縱斷面的水流流動(dòng)形態(tài)實(shí)際分布情況的比較分析看出，Ⅰ型階梯1#、2#斷面水流流動(dòng)的形態(tài)表現(xiàn)出十分迥異的特征，特別是橫向的流動(dòng)形態(tài)存在更加凸顯的變形；部分水流下泄后直接由臺(tái)階結(jié)構(gòu)的頂面持續(xù)向同一級(jí)臺(tái)階結(jié)構(gòu)的斜面流動(dòng)，此后便表現(xiàn)出激烈的撞擊和大面積的旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)。隨著流量增大，Ⅰ型階梯消能工摻氣量逐漸減小，當(dāng)水流量在0.056m3/（s·m）以下時(shí)為跌落水流，而當(dāng)水流量等于0.069m3/（s·m）時(shí)為過渡水流，水流流態(tài)變化并不明顯；且和矩形結(jié)構(gòu)的臺(tái)階所表現(xiàn)出的消能性能明顯不同，這種采取交錯(cuò)式布置形式的階梯所對應(yīng)的消能工具備更加優(yōu)良的摻氣功效，造成滑動(dòng)形態(tài)水流的可能性也明顯降低。

3.3 水流流動(dòng)場的分布

流量條件既定情況下不同體型臺(tái)階縱斷面所表現(xiàn)出的水體流動(dòng)場效應(yīng)顯然不同，Ⅰ、Ⅱ兩種型式錯(cuò)開布設(shè)的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，當(dāng)水流躍起于臺(tái)階形式尾部后便立即與空氣攪動(dòng)摻雜，這一過程造成水流動(dòng)能和勢能的持續(xù)性消耗。臺(tái)階表面發(fā)生水流下泄后臺(tái)階內(nèi)側(cè)水深超出外側(cè)，水流勢能隨即轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在克服臺(tái)階摩阻力后動(dòng)能仍存在部分剩余，促使水流流速增大[2]。此后，水流躍起并持續(xù)耗能，在空氣阻力作用下流速減緩。待這一股水流持續(xù)流動(dòng)至下一臺(tái)階結(jié)構(gòu)時(shí)，直接和臺(tái)階的相應(yīng)傾斜面發(fā)生碰撞和樁基，進(jìn)而在相應(yīng)豎面處表現(xiàn)出不同飛濺角度的強(qiáng)烈旋滾渦流，繼續(xù)起到能量消耗的效果?？紤]到該形式下臺(tái)階結(jié)構(gòu)的相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，很大程度上增大了水流跌落高度，與此同時(shí)傾斜面也因?yàn)閮A斜方向和角度的特殊性，使流經(jīng)的水流受到重力吸引后折返率降至零，出現(xiàn)旋渦的概率及尺寸也比其余形式的臺(tái)階小。值得一提的是，以上這種Ⅰ、Ⅱ型消能工水流在橫流方向上表現(xiàn)出的流場幾乎同樣復(fù)雜，結(jié)構(gòu)面部的水流向傾斜面凹槽發(fā)生下泄后隨即表現(xiàn)出分流和旋渦。而矩形臺(tái)階消能工并不具備，矩形臺(tái)階水流主要順著縱斷面流動(dòng)，并于臺(tái)階豎直面產(chǎn)生旋渦；其上水流表現(xiàn)為二元流，相應(yīng)產(chǎn)生二維旋渦形式。而Ⅰ、Ⅱ型消能工臺(tái)階面水流為三元流及三維旋渦。總之，Ⅰ、Ⅱ型交錯(cuò)布置臺(tái)階消能工水流摻氣更加劇烈，能量耗散及消能效果更優(yōu)。

3.4 壓強(qiáng)分布

通過分析交錯(cuò)布置臺(tái)階結(jié)構(gòu)處所對應(yīng)的消能工壓強(qiáng)的情況，以阻隔水流在流入期間表現(xiàn)出明顯的空間化和空蝕。通過比較分析Ⅰ、Ⅱ等型式的消能工在40m3/h 及60m3/h 等典型流量下所對應(yīng)的壓強(qiáng)程度可以看出，以交錯(cuò)形式設(shè)置的臺(tái)階消能工在傾斜面與低一級(jí)臺(tái)階平面相連處恰好為最大壓強(qiáng)的位置。假設(shè)實(shí)際水流對應(yīng)的流量等級(jí)從20m3/h 提高至60m3/h，則所對應(yīng)的負(fù)壓區(qū)明顯增加，兩種不同結(jié)構(gòu)的消能工負(fù)壓區(qū)之比主要從35%增大至41%；由于Ⅱ型效能工形式所對應(yīng)的負(fù)壓絕對值明顯更小，故在其運(yùn)行過程中出現(xiàn)水流空間化和空蝕的概率不大。

對于實(shí)際流量持續(xù)增加的工況，臺(tái)階平面壓強(qiáng)表現(xiàn)出持續(xù)變大的變動(dòng)特征，兩種型式的消能工在水流從臺(tái)階平面處流過并對臺(tái)階相應(yīng)結(jié)構(gòu)造成沖擊之勢時(shí)，必將于結(jié)構(gòu)的末尾處表現(xiàn)出形態(tài)特征明顯的挑流，造成結(jié)構(gòu)間隙出現(xiàn)；臺(tái)階內(nèi)外側(cè)實(shí)際壓強(qiáng)分別增大和減小。

4 溢洪道階梯消能率

消能效果較好的消能工有效減輕河床壓強(qiáng)及水工建筑物負(fù)擔(dān)。經(jīng)過前述分析，交錯(cuò)布置臺(tái)階消能工消能效果較好，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，消能率受臺(tái)階高度、臺(tái)階形式、坡度、流量等諸多因素影響。為此，此處對交錯(cuò)布置臺(tái)階消能工紊動(dòng)能、紊動(dòng)耗散規(guī)律等展開分析，并結(jié)合消能率取值情況，探索其消能規(guī)律。

4.1 紊動(dòng)能、紊動(dòng)耗散規(guī)律

紊流速度方差和流體質(zhì)量乘積的50%即為紊動(dòng)能，該指標(biāo)是體現(xiàn)臺(tái)階式消能工流場的關(guān)鍵參數(shù)，也是反映紊流強(qiáng)度的主要指標(biāo)；其紊動(dòng)能方程中的參數(shù)項(xiàng)通過體現(xiàn)紊流物理過程，以綜合反映流動(dòng)維持紊流發(fā)展的能力[3]。

受分子粘性作用后紊流動(dòng)能轉(zhuǎn)化成分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的速率即為紊流動(dòng)能耗散率，該指標(biāo)一般以單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量流體所損耗的湍流動(dòng)能表示，是體現(xiàn)消能效果的主要參數(shù)。由于紊流速度在空間上隨機(jī)漲落，形成的速度也呈明顯的梯度性，在受到分子粘性力作用后憑借內(nèi)摩擦作用將紊流動(dòng)能不斷轉(zhuǎn)換為分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能。臺(tái)階三角區(qū)旋渦和臺(tái)階碰撞區(qū)域是湍流動(dòng)能耗散的主要區(qū)域。

交錯(cuò)布置臺(tái)階消能過程可通過紊動(dòng)能與紊動(dòng)耗散過程得到合理解釋。通過比較40m3/h 流量下Ⅰ型交錯(cuò)布置臺(tái)階1#、2#縱斷面紊動(dòng)能和紊動(dòng)耗散率分布情況看出，交錯(cuò)布置臺(tái)階消能工的紊動(dòng)能分布范圍更廣，且在凹槽斜面和臺(tái)階豎直面相接處的渦流區(qū)分布更為集中；由于水流更多匯集于中部斷面，膨脹也更為激烈，故中間斷面所產(chǎn)生和耗散的紊動(dòng)能明顯比臺(tái)階兩旁紊動(dòng)能大，能量耗散也更為充分。

4.2 消能率

臺(tái)階上下游水流均符合恒定流條件，故此處通過恒定流能量方程展開消能工水頭損失和消能率計(jì)算，消能率是上下游斷面能量差與上游斷面能量之比。不同流量下Ⅰ、Ⅱ型交錯(cuò)布置臺(tái)階消能率計(jì)算結(jié)果見表1。根據(jù)表中結(jié)果，在30m3/h 的流量下，Ⅰ、Ⅱ型交錯(cuò)布置臺(tái)階消能率可達(dá)到70%以上；隨著流量增大，消能率也呈降低趨勢，但降幅均不超出10%，也說明交錯(cuò)布置臺(tái)階消能工在流量增大后消能效率并無大規(guī)模衰減。

表1 Ⅰ、Ⅱ型交錯(cuò)布置臺(tái)階消能率

5 結(jié) 論

綜上所述，交錯(cuò)布置臺(tái)階式溢洪道因臺(tái)階和凹槽交錯(cuò)布置，能大大延長臺(tái)階碰撞點(diǎn)，使水流從臺(tái)階側(cè)面快速交匯至臺(tái)階凹槽，提升凹槽處水面線，并增大水面線波動(dòng)幅度。隨著臺(tái)階的變窄，水面線也隨之變得平滑，減少滑行水流的出現(xiàn)。黃莊水庫除險(xiǎn)加固工程實(shí)施過程中，將原溢洪道形式調(diào)整為交錯(cuò)布置臺(tái)階式溢洪道，在運(yùn)行期間，上游水流能量得到快速消耗，工程造價(jià)也較低，取得了較好的消能效果，并為類似水利工程溢洪道水工建筑物的設(shè)計(jì)建造提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。