鄭揚(yáng)鍥

（上饒市國(guó)控水利水電工程建設(shè)有限公司，江西 上饒 334000）

1 工程概況

新建若坑水庫(kù)地處饒河流域洎水河若坑水，壩址位于德興市銀城街道吊鐘村境內(nèi)，距市區(qū)約12km， 地理位置為N28° 55′ 42.10′′ 、E117° 32′ 29.48′′ ，壩址以上集雨面積1.02km2，主河道長(zhǎng)1.637km，河道平均坡降0.0785，水庫(kù)總庫(kù)容92.3×104m3，年用水量61.84×104m3，是一座以灌溉為主的?。?）型蓄水工程。溢洪道布置在壩軸線樁號(hào)壩0+36.0～0+44.0m 壩段上，長(zhǎng)8.0m。堰型為實(shí)用堰，堰頂高程83.0m，溢洪方式為無(wú)閘開敞式自由溢洪，設(shè)計(jì)洪水（P=3.33%）時(shí)最大下泄流量7.32m3/s。校核洪水（P=0.5%）時(shí)最大下泄流量13.58m3/s。

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

該水庫(kù)溢洪道三維流場(chǎng)模擬及水力特性分析對(duì)應(yīng)的計(jì)算域結(jié)合推薦體型與尺寸確定，原型尺寸上游界限為壩軸線以上150m，下游界限為溢洪道。如此確定出的流場(chǎng)全長(zhǎng)780m。因庫(kù)區(qū)面積大，故通過結(jié)構(gòu)網(wǎng)格將計(jì)算域劃分出50×104個(gè)網(wǎng)格單元。

2.2 邊界條件

本研究中若坑水庫(kù)溢洪道水力特性模擬時(shí)主要采用壓力進(jìn)口邊界條件，該條件便于界定流動(dòng)進(jìn)口處壓力和相關(guān)標(biāo)量特性參數(shù)[1]。此條件對(duì)可壓和不可壓流動(dòng)全部適用，故對(duì)于本工程進(jìn)水口處壓力為已知，而流速或流量未知的情形也完全適用。借助Pressure Inlet 對(duì)話框進(jìn)行邊界條件輸入。結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)口邊界主要包括上部空氣進(jìn)口與庫(kù)區(qū)水流進(jìn)口兩部分，前者屬于速度進(jìn)口邊界類型，按明渠流算法確定；后者則借助進(jìn)口水流速度和自由水面高度展開確定。全部氣體入口邊界均采取壓力邊界條件形式，在下游挑流鼻坎末端設(shè)置壓力出口邊界，以體現(xiàn)自由出流特征[2]。

3 流場(chǎng)數(shù)值模擬

溢洪道泄水構(gòu)筑物的泄流能力對(duì)于水庫(kù)大壩安全運(yùn)行至關(guān)重要，為此必須對(duì)其三維流場(chǎng)和水力特性展開模擬分析。以位于相應(yīng)樁號(hào)處的溢流堰頂部為限，向下游水流向?yàn)閄 軸；從上游水位0.0m 處開始垂直向上為Y 軸。為防止水位較高情況下發(fā)生封頂，將最大模擬高程確定為234m。

3.1 水流流態(tài)及水面線

對(duì)于庫(kù)水位設(shè)計(jì)值以及閘門全開的情況，進(jìn)流對(duì)稱，引流均勻，引渠中不存在水面跌落情況；閘室表現(xiàn)出順暢水流，位于左側(cè)的泄洪槽水流能夠保持平順；而位于右側(cè)的泄洪槽水面存在一定的波動(dòng)；閘墩處水流平順，尾端無(wú)水翅出現(xiàn)；泄洪槽中僅存在小規(guī)模的折沖水流；中隔墻和邊墻水流緩慢，明顯無(wú)水流飛濺跡象[3]。

通過比較模擬值和試驗(yàn)值看出，對(duì)于設(shè)計(jì)洪水位而言，泄槽底部坡度較為緩和，故沿程水面線變動(dòng)態(tài)勢(shì)呈穩(wěn)定狀態(tài)，水面線計(jì)算值和實(shí)測(cè)值也較為吻合[4]。在泄流量設(shè)計(jì)值取10 200m3/s 時(shí)，閘室后部實(shí)際水深約為7.0m，邊墻收縮段水深則增至8.8m，到挑流鼻坎前部又下降至5.4m。泄洪槽相同斷面水面差始終位于1.1m 以內(nèi)。

3.2 壓強(qiáng)

根據(jù)該水庫(kù)水工溢洪道壓強(qiáng)分布及變化趨勢(shì)，能在一定程度上體現(xiàn)空蝕發(fā)生的程度。所得到的沿程斷面壓強(qiáng)分布情況見表1。據(jù)此看出，隨著溢洪道尾坎邊長(zhǎng)的持續(xù)增大，不同邊長(zhǎng)方案下均無(wú)明顯的負(fù)壓出現(xiàn)，充分說明前置尾坎的設(shè)置能較好克服空蝕。

表1 沿程壓強(qiáng)變動(dòng)模擬結(jié)果

此處進(jìn)行設(shè)計(jì)工況下左、右側(cè)泄洪槽底板壓力模擬，結(jié)合模擬結(jié)果展開壓力等值線圖形的描繪，同時(shí)和模擬值展開比較。根據(jù)比較結(jié)果，隨著水深的增大，側(cè)墻收縮段開始到摻氣坎之間的泄洪槽區(qū)段底板壓力表現(xiàn)出明顯的線性變化，且靜水壓力特征十分顯著。此后隨著水流的持續(xù)作用，挑流坎前部所承擔(dān)的壓力持續(xù)升高，直到挑流坎末端后才轉(zhuǎn)而降低；水流流進(jìn)摻氣槽結(jié)構(gòu)的空腔段內(nèi)便出現(xiàn)負(fù)壓力。遭受水舌沖擊明顯的區(qū)段，壓力升高迅速，因水舌沖擊所引發(fā)的動(dòng)水壓力附加值也較大，充分說明泄流槽內(nèi)水流流態(tài)遭受摻氣結(jié)構(gòu)物的影響并不大[5]。試驗(yàn)值也與模擬值較好吻合，計(jì)算精度有保證。

3.3 水流流速

結(jié)合該水庫(kù)溢洪道滲流場(chǎng)特征的量化分析，所得到的該水工結(jié)構(gòu)物斷面水流流速變動(dòng)趨勢(shì)情況見表2。根據(jù)取值情況，在各種溢洪道尾坎尺寸下，沿程斷面水流流速均呈先升后降趨勢(shì)，但對(duì)應(yīng)對(duì)的峰值數(shù)據(jù)各異。對(duì)于尾坎邊長(zhǎng)3.6mm 的情況，流速峰值達(dá)到9.1m3/s，且出現(xiàn)在10m 的沿程斷面處；對(duì)于其余的尾坎邊長(zhǎng)情況，流速峰值分別取8.0m3/s、7.0m3/s、5.5m3/s、4.5m3/s，分別出現(xiàn)在10m、5m、0m 和0m 的沿程斷面；隨著尾坎邊長(zhǎng)的增大，沿程斷面最大流速逐漸趨緩，降幅分別為12.08%、12.5%、21.43%、18.18%。

表2 沿程流速變動(dòng)模擬結(jié)果

據(jù)此可以看出，水庫(kù)溢洪道尾坎體型的調(diào)整對(duì)沿程流速影響不大，但前置型尾坎設(shè)置后，僅引起閘前段水力沖擊勢(shì)能的增大和流速小幅升高，臺(tái)階面和出流段之間流速基本呈削弱態(tài)勢(shì)。隨著這種尾坎邊長(zhǎng)尺寸的增大，流速水平持續(xù)降低；此外，峰值流速越早在斷面出現(xiàn)，面臨的流速遞增段所保持的時(shí)間越短。出于消能效果方面的綜合考慮，應(yīng)當(dāng)盡可能增大該水庫(kù)溢洪道尾坎尺寸，以相應(yīng)增加水流和臺(tái)階表面之間的接觸面積，使之發(fā)生更加充分的攪動(dòng)與摩擦，削減水流的動(dòng)力勢(shì)能，降低水流流速。

前置尾坎的設(shè)置能在很大程度上削減水流動(dòng)力勢(shì)能，但值得注意的是，隨著溢洪道尾坎邊長(zhǎng)設(shè)置長(zhǎng)度的增大，沿程斷面流速的穩(wěn)定程度下降，不穩(wěn)定段相應(yīng)增大。例如，尾坎邊長(zhǎng)取12.4mm和14.6mm 的情況，依次在沿程斷面14～25m 以及8～19m 間存在水流劇烈震蕩、渦流區(qū)段。進(jìn)一步分析得知，隨著溢洪道尾坎尺寸設(shè)置值的增大，會(huì)為水流震蕩提供更加充足的空間，引發(fā)沿程斷面水流涌動(dòng)、紊亂泄流的可能性明顯增加。綜合以上分析，為取得較好的泄流消能和滲流安全的綜合效果，應(yīng)將溢洪道尾坎邊長(zhǎng)控制在5.8～10.2mm。

最后，本研究還從滲流場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行了不同溢洪道消能方案下峰值斷面流速等值線的提取和確定，以便對(duì)溢流面所布置的尾坎處流速特征展開直觀展示和分析。結(jié)果顯示，對(duì)于尾坎邊長(zhǎng)取5.8mm 和10.2mm 的情況，水流渦流中線基本位于溢流階梯內(nèi)，對(duì)應(yīng)的流速幾乎為0；溢流階梯外部流速顯然較高；隨著尾坎邊長(zhǎng)取值的增大，溢流階梯中流速等值線也愈加平穩(wěn)，對(duì)應(yīng)的主流流速呈快速遞減趨勢(shì)。

4 跌坎摻氣水流模擬

4.1 模型創(chuàng)建及網(wǎng)格劃分

該水庫(kù)溢洪道按照70m間距布設(shè)4道摻氣槽，在具體施工時(shí)必須符合摻氣保護(hù)濃度要求，將不同氣腔中的負(fù)壓嚴(yán)格控制在-0.1～0.4m 范圍內(nèi)，并保持較好的進(jìn)氣狀態(tài)，以便將不同泄流過程中通氣孔內(nèi)的平均風(fēng)速控制在60m/s 以下。按照以上安排，4 道摻氣槽流速下氣腔內(nèi)基本無(wú)積水，為摻氣槽進(jìn)氣過程的順暢及槽體結(jié)構(gòu)的可靠運(yùn)行提供了較好保證。

此處以2#摻氣槽為例展開摻氣坎上游和下游各60m 范圍的詳細(xì)模擬。為簡(jiǎn)化分析過程，在模型創(chuàng)建時(shí)僅考慮右側(cè)溢洪道部分，同時(shí)按照工程原型在其左右兩側(cè)對(duì)稱布置通氣孔。鑒于水氣混摻過程必將加劇水流流態(tài)的復(fù)雜程度，必須順?biāo)钕蛘归_網(wǎng)格劃分；此外，跌坎下游臨近底板側(cè)則按照非均勻網(wǎng)格設(shè)計(jì)，越靠近底板網(wǎng)格設(shè)置應(yīng)越細(xì)密；水面處則恢復(fù)均勻網(wǎng)格即可[6]。

4.2 模擬結(jié)果

4.2.1 通氣量

根據(jù)模擬分析結(jié)果所得出的通氣量、風(fēng)速等通氣孔計(jì)算結(jié)果見表3。據(jù)此看出，模擬分析值和設(shè)計(jì)值較為接近，且設(shè)計(jì)值取值偏大。出于測(cè)量精度和比尺效應(yīng)等方面的考慮，筆者認(rèn)為，模擬結(jié)果能夠?qū)υ撍畮?kù)溢洪道通氣孔實(shí)際通氣特性進(jìn)行較好模擬；實(shí)際通氣量隨著通氣孔特征直徑的持續(xù)增大而增加。

表3 通氣孔通氣量值的比較

4.2.2 壓力

根據(jù)對(duì)該水庫(kù)溢洪道摻氣坎周圍底板壓力分布情況的模擬分析得知，對(duì)于摻氣槽上游的泄槽底板而言，其壓力主要以靜水壓力形式分布，并隨水深的增大而增加。因受到局部體型變化的作用，該跌坎前后壓力差異較大。當(dāng)水流流經(jīng)摻氣槽挑坎前部時(shí)壓力驟增，而至挑坎末端后又持續(xù)降低；此后流經(jīng)摻氣坎下游空腔段后則表現(xiàn)出負(fù)壓；最后進(jìn)入水舌沖擊區(qū)段后壓力驟增。

4.2.3 摻氣濃度

根據(jù)表4 所示模擬結(jié)果，摻氣空腔橫向分布均勻性較差，臨近通氣孔位置處空腔大，而遠(yuǎn)離通氣孔區(qū)域空腔面積小，對(duì)應(yīng)的摻氣濃度也不大。這種模擬情況與設(shè)計(jì)要求存在偏差，主要原因在于通氣孔中風(fēng)速不大，對(duì)摻氣充分程度存在不利影響，同時(shí)增大了跌坎下游空腔內(nèi)的負(fù)壓，引發(fā)空腔末端回流[7]。

表4 摻氣濃度模擬值和設(shè)計(jì)值的比較

5 結(jié) 論

本研究應(yīng)用模擬分析技術(shù)對(duì)若坑水庫(kù)溢洪道三維流場(chǎng)模擬及水力特性展開分析，主要得出以下結(jié)論：

1）摻氣降蝕水工結(jié)構(gòu)物是泄水建筑物中避免空蝕和空化發(fā)生的關(guān)鍵，隨著溢洪道流量的增大，對(duì)溢洪道不斷提出更高要求，摻氣減蝕設(shè)施的逐漸受到技術(shù)人員的關(guān)注。

2）高速摻氣水流的數(shù)值模擬屬于水工水力學(xué)中難度較大的課題，通過對(duì)三維流場(chǎng)和流體水力特性的全面分析，可為水工水力學(xué)的發(fā)展提供促進(jìn)。

3）溢洪道跌坎下游摻氣濃度模擬值和設(shè)計(jì)值明顯展現(xiàn)出水體中心處摻氣濃度的沿程衰減趨勢(shì)，模擬值比設(shè)計(jì)值小，空腔內(nèi)負(fù)壓較大。

4）尾坎體型尺寸的調(diào)整對(duì)溢洪道沿程斷面流速先增后減的趨勢(shì)影響不大，尾坎體型增大后流速峰值所在斷面表現(xiàn)出提前趨勢(shì)，而臺(tái)階外部流速基本穩(wěn)定。該水庫(kù)溢洪道尾坎和跌坎等消能設(shè)計(jì)具備較好的可靠性和穩(wěn)定性。