岑灼辉

(开平市立新水库(开平市小娘潭水库),广东 开平 529346)

1 概 述

溢洪道作为水电站、水库等水利枢纽工程不可或缺的一环,对控制泄流、消能减排具有重要作用[1-2]。研究溢洪道工程结构,不可忽视其消能构件设计,需确保消能设计与溢洪道的泄流运营相匹配,使之综合性能最优。武英豪等[3]、李权海[4]针对溢洪道掺气坎结构设计,由水工模型试验方法入手,研究掺气坎不同挑角方案下溢洪道断面上渗流特征影响变化,分析掺气坎挑角设计对沿程断面流速、水位线的影响,有助于提高掺气坎结构设计水平。邓硕彦[5]、鲁洪[6]采用三维渗流场数值计算方法,建立溢洪道结构模型,分析溢洪道宽尾墩体等消能结构设计,研究消力池内流速、水位以及压强等水力参数变化,以此反映消能设计与渗流场变化关系。李婷婷[7]、李镇旭[8]借助水工模型与数值计算两种方法开展对比研究,评价了溢洪道消能结构体型、进水口体型以及溢流阶梯体型等设计方案的优劣性,对提高溢洪道设计方案合理性有重要价值。

本文依托立新水库溢洪道增设前置尾坎方案,在校验数值计算准确性的基础上,对前置尾坎不同体型方案下的水力特性、消能特征影响进行分析,可为实际工程优化设计提供参考。

2 研究方法

2.1 工程介绍

作为开平地区重要水利枢纽,立新水库承担着灌溉、蓄水、养殖以及泄洪等重要作用,其与大沙河水库、锦江水库、潭江一、二期水利枢纽组成了潭江上游水力调节体系,对佛山、江门地区水资源分布调整具有宏观意义,区域内潭江水系发育分布见图1。

图1 潭江水系发育分布

立新水库控制流域面积超过23.9km2,上游河道为潭江一级支流镇海水,设计总库容1 259×104m3,洪水位33.5m,建设有多个水工建筑,是调节开平河、乌水、镇海水流量、控制上下游泄流的关键载体。

立新水库枢纽工程包括主坝、输水干渠、泄流建筑及其他附属水工设施,设计主坝高13.5～15m,坝体主轴长120m,采用堆石坝与土石坝的组合形式,前者坝体轴长占比65%,构建有混凝土防渗面板与防渗墙等防渗结构体系,校核洪水位运营下,坝体渗透坡降不超过0.15,这与防渗结构体系良好运营有关,也离不开泄流建筑有效调节洪峰流量。输水干渠作为立新水库发挥灌溉作用的直接设施,建设干支渠全长超过150km,最大输水流量可达2.25m3/s,对开平县、恩平市等地区农业生产具有重要推动意义。特别是与泄流建筑有效配合,使之上游镇海水洪峰过境,可将相关流量分流至干支渠中,借助智慧水利系统,保障水资源的调节、泄洪。立新水库枢纽溢洪道是二期建设工程,见图2,其设计最大泄流为350 m3/s,全轴长685.5m,分布有闸门进水段、过渡消能段、泄流段以及出流段。在泄流段上,为阶梯式溢流面设计,共有28级,每级阶梯高度为25cm,步长为93.5cm;掺气坎设置在过渡段末端,挑角8°,空腔分布长度占主轴长0.5%,部分台阶空蚀严重;从出流段以及干渠渠首流量监测得知,存在局部较高水力势能涡流分布,灌渠渠首闸身受损较严重。水库管理部门认为,要确保立新水库的安全运营,不可忽视泄流消能、泄流调量。因此,必须针对性解决立新水库溢洪道消能与渗流协调问题。

图2 立新水库溢洪道平面图

2.2 建模求解

为探讨立新水库溢洪道泄流消能设计问题,引入50%设计泄流量工况中的模型试验,并按照同样边界条件,在Fluent三维渗流平台中完成建模求解[6,9],包括水流流态、水位变化以及流速等水力参数特征在内,均具有良好契合性,见图3。

图3 模型试验与数值计算对比

图3(a)为模型试验布置图;图3(b)为模型试验与仿真计算下的溢洪道泄流段流速特征。从计算结果考虑,边界条件以及计算模型能够满足设计论证需求。

基于Standk-ε三维渗流方程,借助离散元仿真方法,从紊流模型的建立与离散化处理,确保模型中每一个质点的求解均满足精度要求。按照立新水库溢洪道现状,依据水工物理模型设计,以1:1的标尺建立溢洪道物理模型,见图4。

图4 溢洪道物理模型

该计算模型中,主轴长30m,总高度5m,阶梯长宽为6.5×4.6cm,计划采用前置尾坎的形式提升泄流消能水平,其所在位置位于台阶末端。研究工况中,设定泄流量350m3/s,模型划分后的顶、底面分别设置有压强、流速条件,出流段为压强出口边界。网格模型见图5(a),而前置尾坎处进行了网格精密划分,见图5(b)。

图5 溢洪道计算模型

溢洪道增设前置尾坎后,不仅需要考虑尾坎设计参数对消能水平的影响,同样也需考虑尾坎设计对沿程断面水力特性影响,特别是不同体型的尾坎会影响沿程断面的压强、流速等渗流参数。因此,需要综合对比不同体型尾坎,确保尾坎体型设计方案能够与溢洪道运营相匹配。

尾坎体型包括截面形状、截面尺寸等,通过模型试验结果比较认为,正方形截面体型最优,故只需探讨不同尺寸的正方形截面尾坎。在模型试验中,尾坎边长为5.8mm,结合数值计算对比要求,设定尾坎截面边长为3.6、5.8、8、10.2、12.4、14.6mm共6个方案。基于不同尾坎体型方案下的水力特性与消能特征分析,探讨适合立新水库溢洪道泄流消能的最佳方案。

3 前置尾坎设计对水力特性影响

3.1 流速特征

基于不同体型尾坎方案下的渗流场特征计算,获得溢洪道断面上的流速变化特征,见图6。由图6可知,不论尾坎尺寸为何值,沿程断面流速均为先增后减变化,但峰值流速所在位置各有差异。在边长3.6mm方案中,其峰值流速为9.1m/s,所在位置为断面10m;而边长5.8、10.2、14.6mm方案下峰值断面分别为8、6、2m,且峰值流速较之前者分别减小7.9%、26.6%、47.4%;当尾坎边长每递增2.2mm,其峰值流速平均减少12.5%。

图6 沿程流速变化特征

由此可知,尾坎体型尺寸不改变沿程流速变化趋势,增设前置尾坎后,除闸前段受冲击水力势能影响,造成一定流速升高,但从台阶面至出流段,总体上流速逐步削弱;当尾坎边长愈大,则流速水平愈低,且峰值流速所在断面愈提前,即流速递增段维持距离愈小。从尾坎消能提效考虑,增大前置尾坎尺寸,台阶面与流体的接触面积增大,相互之间的摩擦、搅动作用更强[4,10],流体占比愈多,动水势能减少,故流速降低。

虽然增设前置尾坎后,有助于削弱溢洪道断面水力势能,但不可忽视,当尾坎边长过大时,沿程断面流速具有不稳定段。如尾坎边长12.4、14.6mm两方案中,分别在断面14～24m、8～18m具有流速的震荡区间,局部出现雍流、涡漩等。分析认为,尾坎尺寸愈大,会使之漩涡作用空间增大,影响范围更广,造成沿程断面流体涌动,加剧产生非稳定泄流。因而,从渗流安全性与泄流消能考虑,尾坎边长应低于12.4mm。

为准确描述溢流面上增设前置尾坎后流速特征,从渗流场中提取获得各方案中峰值断面处流速等线图,图7为尾坎边长5.8、10.2、14.6mm下的流速图。根据图7中流速等值线分布可知,溢流阶梯内部为涡漩流中心,且流速为0,而溢流面外层流速水平要高于内层。当尾坎边长愈大,台阶内分布流速等值线趋于平稳,且主流流速递减。

图7 流速等值线图

3.2 压强特征

溢洪道压强分布特征可反映空蚀现象,基于各方案渗流计算,获得沿程断面压强变化特征,见图8。从图8中可知,改变尾坎边长,各方案中均未出现负压现象,表明增设前置尾坎有助于改善空蚀现象。

图8 沿程压强变化特征

在不同尾坎边长方案中,压强变化特征有所差异。当尾坎不超过10.2mm时,全断面压强均为递增变化,仅在靠近断面末端时稍许减少;而尾坎为12.4～14.6mm时,在溢流面中部存在压强一次递减段,且在靠近出流段末端同样具有稍许降幅。由此可知,尾坎边长体型会影响溢洪道沿程断面压强分布变化特征。

从设计方案可靠性考虑,压强的多次变幅对溢洪道沿程控流、消能均有负面影响,故而前置尾坎边长应尽量避免为12.4～14.6mm。另一方面,当尾坎边长愈大,沿程断面压强量值水平为递增。

以断面12m为对比点,在尾坎边长3.6mm方案中,压强值为216Pa,而边长5.8、12.4、14.6mm中压强值较之前者分别提高50.7%、133.8%、239.2%,当尾坎边长每增大2.2mm,在该断面处压强值平均可增大28.9%。

由峰值压强对比可知,尾坎边长3.6～14.6mm各方案中,分布为523.7～1000.2Pa,方案间峰值压强的增幅为14.1%。

从压强值影响变化特征可知,控制尾坎边长在合理区间,有助于保持较高水平压强,抑制溢洪道空蚀作用。

根据压强特征计算,可获得溢洪道台阶处压强分布,图9为代表方案。

图9 台阶处压强分布特征

从图9中各尾坎处压强分布区域放大可看出,尾坎边长愈大,高量值压强区分布占比愈多,且集中在台阶步长方向上。但不可忽视,过大的尾坎边长会导致台阶与尾坎的凸角区出现局部负压强,表明尾坎通过自身负压强迁移,从而减弱溢洪道上负压分布[6,11]。

4 前置尾坎对消能特征影响

作为溢洪道上重要消能构件,研究增设尾坎下溢洪道紊动能分布特征很有必要,图10为28级溢流台阶上紊动能变化特征。

图10 溢流台阶上紊动能特征

由图10可知,在各尾坎边长方案内,紊动能变化具有一致性,在前8级台阶中紊动能为递增变化,后20级台阶上紊动能逐步减小,且在第15级台阶上紊动能降低趋势趋缓,后各台阶上紊动能呈较小降幅状态。在尾坎边长8mm方案中,峰值紊动能为0.32m2/s2,而其至15级台阶时,紊动能平均减少5.7%,后在15～20级台阶时,相应紊动能降幅仅为0.4%,紊动能分布为0.205～0.215m2/s2。该现象在其他尾坎边长方案时亦是如此。

当尾坎边长愈大,则紊动能水平愈高。对比峰值紊动能可知,均处于第8级台阶,尾坎边长10.2、14.6mm下较之8mm下分别增大13.8%、52.8%,而随尾坎边长递增2.2mm,峰值紊动能平均可提高14.2%。当尾坎边长愈大,水流紊动加剧,消耗有大量水力势能[12],进而增大了紊动能。

根据各尾坎体型方案下消能计算,获得各方案中消能率,见表1。

表1 消能特征

表1数据表明,增大尾坎边长,溢洪道消能率提高,尾坎边长从3.6～8mm,消能率从48.9%增大至61.3%;当尾坎边长为12.4～14.6mm时,消能率与边长10.2mm方案下较为接近。实际上,尾坎边长10.2～14.6mm三方案中,消能率稳定在77.7%,增大尾坎边长,消能率在该区间内涨幅并不显著。

综合尾坎各方案对比,增大尾坎边长,总体上有利于溢洪道泄流消能[13],但应控制在合理区间。由计算结果认为,该合理区间为10.2～12.4mm。立新水库溢洪道也应参照此进行优化设计。

5 结 论

1)尾坎体型尺寸不影响溢洪道沿程断面流速变化趋势,均为先增后减变化;随尾坎体型增大,峰值流速所在断面提前,台阶外层流速线趋稳,流速水平亦减小;尾坎边长每递增2.2mm,则峰值流速平均减少了12.5%;尾坎体型过大,断面具有非稳定流速段。

2)增设前置尾坎,溢洪道断面均不出现负压空蚀现象;当尾坎边长不超过10.2mm时,压强呈递增变化,仅在出流末端稍许降低,而尾坎边长为12.4～14.6mm时,沿程具有两次压强降低;尾坎愈大,压强值愈大,尾坎边长3.6～14.6mm各方案间峰值压强的增幅为14.1%。

3)改变尾坎体型尺寸,不影响各级台阶上紊动能变化趋势,均在第8级达到峰值紊动能,后逐步减小,在15级台阶处降幅趋稳;尾坎边长愈大,紊动能愈高,消能率愈大,但尾坎边长为10.2～14.6mm,消能率较稳定。

4)综合计算结果认为,增大尾坎边长,有助于泄流消能,但应控制在合理区间,即为10.2～12.4mm。