麦麦提江·艾麦提

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局焉耆水源地供水管理处，新疆 塔里木 841100)

溢洪道是用于排放水库中多余水量、漂浮物、泥沙等的重要水工建筑物，是维护水库安全运行的重要保证［1～2］。泄洪消能是水利建设中的重要技术问题，水利工程的修建势必引起天然河道水流特性的改变，在上下游落差的作用下，溢洪道的水流速度将会明显大于河水流速，因此溢洪道的宽度一般小于河床宽度。如果不采取有效措施，将会冲刷下游河床，危及水利枢纽的安全。

从国内外的研究进展来看，研究溢洪道的文献很多，但是对挑流水舌进行数值模拟的文献还不多见［3～4］。本文以水利枢纽溢洪道为研究对象，分析溢洪道的泄洪功能。采用FLUENT软件对单一工况下的挑流水舌形状进行数值模拟研究。

1 溢洪道挑坎试验研究

溢洪道模型按照重力相似性准则进行设计，模型的几何比例尺取50，流量比例尺为17677.67，流速比例尺为7.07，时间比例尺为7.07，粗糙度比例尺为1.92。本次试验模型由溢洪道闸室、泄槽、挑坎等部分组成。上游水位测点位于溢洪道进口60m处，下游水位测点位于挑坎下游175m的位置。

首先研究溢洪道的泄流能力，溢洪道3个孔的状态分别为:全开、开度1m、开度2m、开度4m。在这些工况下分别观测泄流量为200m3/s和500m3/s时的溢洪道泄流状态和冲淤地形。在水库正常水位下，溢洪道全开的泄流量为1213m3/s，在水库校核水位下，溢洪道的全开下泄流量为1584m3/s。根据模型的泄流量，定义3孔全开的综合流量系数［5］计算公式:

式中:Q为测量出的流量值;B为孔口的宽度;H0为全水头。

计算得出，库区水位在正常值和校核值之间变化时，综合流量系数为0.38～0.45。通过对试验模型进行冲刷试验，得出如下结论。

(1)溢洪道的泄流能力随着水位升高而变大，流量系数变化规律符合WES性能。

(2)现有模型采用连续型挑坎，但是试验中发现溢洪道的出口水舌对左岸坡冲刷严重，不利于岸坡的长期稳定性。

(3)泄洪过程中，水舌位置过于集中，左岸坡脚处存在较大冲坑。

分析可知该水库的挑流水舌冲刷左岸岸坡，为了解决这个问题，设计了3种新型挑坎和改进方案使挑流水舌落到河床中央。

第1种挑坎改进方案，是在原有挑坎左边墙的位置设计了圆弧贴角体，其圆弧底弧半径为35m，顶弧半径为45m。将溢洪道的下泄流量设置为500m3/s，观测此情况下的水舌形态，在贴角的作用下，水舌已经离开左岸坡，但是这种改造方法仅对挑坎左侧一部分水流起作用，大部分水流仍保持原来的形态。水舌落点仍距离左岸坡很近，在坡脚处形成14.2m的冲坑，但是深度已经比未改造时减小3.1m。如图1所示。

图1 第1种设计方案示意图

第2种挑坎改进方案，是将挑坎左侧的直坡延长，右侧保持不动，这样就形成了斜挑坎，利用挑坎末端的高度差将水舌导向溢洪道中央。将溢洪道的下泄流量设置为500m3/s，观测此情况下的水舌形态和淤积情况。这种改进方案的水舌挑距和冲刷情况与改进前基本相似，只是挑射高度有所不同。如图2所示。

第3种挑坎改进方案，是在原挑坎的基础上增加两个圆弧导流墙。这样单槽挑坎就被分为三槽，导墙的厚度设置为1.2m，并将原有左边墙的长度缩短5m。将溢洪道的下泄流量设置为200m3/s、500m3/s，观测此情况下的水舌形态，分槽后下泄水流将远离左岸坡，这种改进方案的效果最好。如图3所示。

表1给出了3种改进方案的下泄流量、冲坑特征值、下游水位参数。

表1 3种改进方案试验数据

图2 第2种设计方案示意图

图3 第3种设计方案示意图

2 溢洪道水舌数值模拟研究

2.1 模型建立

采用FLUENT软件对第3种改进方案进行数值模拟，在模拟之前首先建立数学模型。网格划分在GAMBIT软件中完成，并设置好边界条件和入口参数，设置的设计工况下的入口速度为15m/s，水深为3.2m，校核流量下的水流速度为15.25m/s，水深为4.2m。使用结构化网格进行划分，并在水舌处进行局部加密处理，整个模型的网格数量约为64.7万。计算采用FLUENT软件中的分离式求解器，并进行压力场与速度场的耦合。

采用3种湍流模型模拟了挑舌形状，分别为kε双方程模型、RNG k－ε模型、Realizable k－ε模型［6］。k－ε双方程模型有紊动能和耗散率两个参数，应用范围最广但是在弯曲处会存在失真。RNG k－ε模型修正了湍流粘度，考虑了旋转弯曲情况，可用于处理流线曲率变化较大的流动。Realizable k－ε模型引入了旋转理论，将湍动能系数与应变率结合起来，精度最高。

2.2 求解结果

利用FLUENT软件对挑流水舌进行数值模拟。前文模型试验得出的挑流水舌纵向挑距为75m，横向挑距为35.6m，挑高为19m。k－ε双方程模型模拟得出的挑流水舌纵向挑距为72.8m，横向挑距为20.5m，挑高为17.8m。RNG k－ε模型模拟得出的挑流水舌纵向挑距为73.2m，横向挑距为30.2m，挑高为18.2m。Realizable k－ε模型模拟得出的挑流水舌纵向挑距为73.6m，横向挑距为22.4m，挑高为18.4m。3种湍流模型得出的挑流水舌参数都比较接近，但是k－ε双方程模型、Realizable k－ε模型计算出的横向挑距与模型试验间的差距很大，RNG k－ε模型计算出的横向挑距与试验结果相近，这种算法更接近实际结果。

由数值计算结果可知，测量结果与数值模拟结果间的相对误差在7% ～10%之间。RNG k－ε模型计算出的横向挑距与试验结果相近，分析产生误差的原因，可能是网格划分的不精确，计算中的误差被软件放大。

3 结语

消能是水利建设中的重要技术问题，水利工程的修建势必引起天然河道水流特性的改变。以水利枢纽溢洪道为研究对象，分析了溢洪道的泄洪功能，并在模型试验的基础上提出了3种挑坎改进方案。采用FLUENT软件对单一工况下的挑流水舌形状进行数值模拟，采用3种湍流模型模拟了挑舌形状，分析了3种湍流模型在挑舌形状数值模拟中的适用性。数值计算结果可知，测量结果与数值模拟结果间的相对误差在7%～10%之间。RNG k－ε模型计算出的横向挑距与试验结果相近。

［1］陆周祺.溢流坝池式消力戽数值模拟及特性分析［J］.水利规划与设计，2013(12):64-66.

［2］木克然·阿娃，阿力甫江·阿不里米提，木拉提·玉赛音，等.阿拉沟水库溢洪道流场数值模拟［J］.水利与建筑工程学报，2014(02):38-43.

［3］高学平，贾来飞，宋慧芳，等.溢洪道掺气坎槽后掺气水流三维数值模拟研究［J］.水力发电学报，2014(02):90-96.

［4］郭红民，向光明，谢洋，等.毛家河水电站溢洪道三维数值模拟［J］.水电能源科学，2013(03):81-85.

［5］林祯兆.溢洪道的水力特性研究［J］.水利规划与设计，2010(02):48-49+54.

［6］周宏，黄腾，胡金杰.对蓄滞洪区设计及蓄滞洪区安全区涵闸设计的建议［J］.水利技术监督，2015(01):52-55.