郭斐学

(京水江河(北京)工程咨询有限公司 新疆分公司，乌鲁木齐 830000)

溢洪道泄槽采用柔性土工膜衬护阶梯消能，依靠边界摩阻力促使水流内部形成涡体，发生剧烈紊动、摩擦和碰撞，通过内部涡体耗能，实现整个过流的能量消减。与不均匀沉降、相对形变较大的土石坝坝身溢洪道或土石坝溢流面相比较，它具有良好的功能和经济的双重实用性。本文就柔性土工膜衬护阶梯溢洪道泄槽消能功效进行实验模拟研究，并围绕实验结果开展讨论，探讨和分析其水力特性，以期为同类泄槽消能工程应用提供技术参考。

1 柔性土工膜衬护阶梯泄槽消能实验设计及基本方法

1.1 实验梯台模型概述

本实验物理模型是在某农业大学水工实验室内进行搭建，实验中的水槽模型是由有机玻璃材料按1∶10缩尺制成。实验分别针对1∶3和1∶1.5的坡度分两组进行。柔性土工膜衬护阶梯泄槽消能实验结构模型及阶梯规格见图1。

图1 柔性土工膜衬护阶梯泄槽消能实验结构模型及阶梯规格示意图

槽首连接规格为2.2 m×2.1 m×3.2 m(长×宽×高)的蓄水池，实验前蓄水池满水，实验进程中由水泵持续供水。本实验水泵工作流量为0.077 m3/s。水流在槽尾处跌落水箱，该水箱的出口设计为矩形量水堰，便于流量监测；水槽边壁高0.5 m，宽度0.3 m，斜长8.759 m；泄槽底部末端距堰顶的高程为2.77 m；石纱网袋排水层敷设于水槽底部，实验土工膜袋，分铺叠压敷设于水槽内，构成梯台状态，其中梯台的规格为1.155 m×0.385 m(长×高)，共设计72个梯阶。当坡度设计为1∶1.5时，则水槽斜长规格为5 m，梯台的规格为0.578 m×0.385 m(长×高)。

1.2 土工膜袋及实验摆位设计

为节约成本，实验中以塑料袋填装土替代土工膜袋。因为膜袋端头流线形态，故实验梯阶截面形成弧面突出的流线阶降形态。进行数值模拟时，将这种弧面突出的流线阶降形态，简化视作半圆形球弧外边界台阶。因为膜袋的柔性特质，所构成的膜袋台阶边界在实际水流中，并不标准呈现为便于测量的“刚性固定边界”，但在本实验模拟中选择典型简化，将其视作是一个“刚性固定边界”，这是便于实验计算实施的适用选择。实验“土工膜袋”台阶边界基本形态见图2。

图2 实验“土工膜袋”台阶边界基本形态

以土工膜袋构建实验梯台，有水平和倾斜两种堆叠方式。其中，倾斜堆叠以及“翅”“尾”结构设计，能够增加阶梯堆叠的稳定性。实验土工膜袋“翅”“尾”及两种堆叠状态见图3。

图3 实验土工膜袋“翅”“尾”及两种堆叠状态

土工膜袋倾斜堆叠具有更好的稳定优势，两种堆叠状态的消能性状，对比文献还相对缺乏。所以本实验决定采用相同的数值模拟方法，将向上倾斜7°堆叠与水平堆叠的性状进行比对，探究其中的功用状态，为工程设计选用提供依据。

1.3 水槽模型及数值模拟初始条件

本实验水槽模型采用二维空间模型。水槽设计两个入口，即下部的水流入口和上部的气体入口。对上部气体入口，选择压力进口边界条件；对下部水流入口，选用流速入口边界条件。泄槽的底部选择固壁边界条件，采用U=0，V=0无滑移边界，以壁函数，采用4组流量2种坡度，处理近壁区的黏性底层数值模拟，其初始条件具体见表1。

表1 数值模拟初始条件

1.4 实验模拟水深度与水线比对

土工膜袋采取倾斜向上堆叠与水平堆叠的对应模拟水深，具体见表2。

表2 土工膜袋两种角度堆叠对应的模拟水深

从表2中可以看出，泄槽的模拟水深在倾斜向上堆叠状态下的水深趋势，大于水平堆叠状态下的槽内水深，可见采取倾斜向上堆叠状态，增大了适应水深。实验模拟的两种方案堆叠的泄槽内水线沿程状态见图4。

在上述两种设计状态下，实验泄槽内水线沿程稳定，即倾斜堆叠土工膜袋时，保持水流稳定，维持流态性状基本完好的目标仍能实现。

图4 两种方案堆叠的泄槽内水线沿程状态

1.5 实验网格模型与基本计算方法

本实验采用VOF方法对水气交界面实施处理，控制方程选用RNGk-ε紊流模型方程，对两种泄槽底坡(1∶3和1∶1.5) 和不同流量状态下的柔性衬护梯台溢洪道消能功效展开数值模拟。采用PISO算法，即隐式压力算子分割法，提高实验模拟计算效率。在模拟计算过程中，对计算区域以三角形非结构化网格进行离散，每一梯面均适当加密网格，其划分呈现方式见图5。

图5 实验模拟加密网格图示

2 数值模拟结果与实验结果的对比

2.1 基于不同流量的各断面实测和模拟流速比对

表3和表4反映了基于不同流量和不同坡度的泄槽实测末端平均流速和实验模拟的平均流速对比情况，从中可以看到，模拟和实测的流速值大小基本相近，而且两者的变化趋势也呈现基本一致状态，即同流量条件下，都是坡度越陡则泄槽末端的流速就越大；而如果坡度条件等同，便呈现流量增大则流速随之增大。

表3 坡度1∶3条件下泄槽实测末端平均流速和实验模拟的平均流速对比情况

表4 坡度1∶1.5条件下泄槽实测末端平均流速和实验模拟的平均流速对比情况

2.2 泄槽内水力特性检测

基于1∶3坡度和各流量条件，泄槽末段梯台上的流体紊动强度等值线分析。见图6。

由图6梯台流体紊动强度等值线揭示，坡度1∶3条件下，紊动强度值随流量增加而加大，这时的等值线分布逐渐变得不均匀，说明随流量的增加，泄槽内水流开始越来越不稳定。在试验中也发现，当流量很大时，泄槽内水流溅起大量水花，这使得边壁亦振动加剧，表明实验模拟较为合理。

2.3 两种典型坡度条件下泄槽末段流线图

由图7中可以看到，如果坡度缓，则流线变得平顺；而坡度陡时，则流线起伏加剧。

2.4 坡度1∶3状态下泄槽末端梯台的等压线

以0.028 7 m3/s流量为例，在泄槽末端梯阶附近，其压强等值线见图8。

在图8中可以看到，正压最大值往往发生在半圆形球弧台阶水平面靠上的位置，负压最大值则多在半圆角上侧发生，在系列梯阶上，正负压强呈波浪状交替分布。半圆形球弧台阶上的负压较大，这是由于半圆形球弧台阶形状减弱了消能，所以这时呈现流速增大。而且在梯阶顶角的上方，正处水流的收缩断面，因而平均流速加大。如果动能发生增大，则势能立即开始降低，此时会呈现出存在较大的负压值。这说明土工膜袋构成的梯阶相对更适合于泄槽底坡较缓和流速较小的中小型土坝应用。

图6 坡度1∶3和各流量条件下梯台流体紊动强度等值线分布图

图7 坡度1∶3和1∶1.5时泄槽末段流线分布图

图8 坡度1∶3状态下泄槽末端梯台的等压线

2.5 柔性土工膜衬护阶梯溢洪道泄槽消能率

柔性土工膜衬护阶梯溢洪道泄槽消能率实验检测量值见表5。

表5中的数据揭示，1∶1.5和1∶3坡度及不同流量条件下检测，模拟和试验的相对消能率数据接近。这说明运用数值模拟方法也较好地检测了相对消能率。系列检测和计算数据表明，柔性土工膜衬护阶梯溢洪道获得了数值在70%～95%区间的试验相对消能率，模拟检测也基本吻合地佐证了这一结果。相同流量条件下，如果坡度加大，则相对消能率发生减小；相同坡度条件下，如果流量加大，则相对消能率降低。

表5 相对消能率检测值与模拟值对比表

3 土工膜袋倾斜堆叠与水平堆叠条件下的数值模拟比对

3.1 泄槽尾端紊动等值线及其流线的比对

图9、图10是膜袋倾斜向上堆叠方案时，发生在泄槽末段的水流紊动强度的等值线与流线图。倾斜向上堆叠时的紊动强度最大值较高。在梯阶隅角靠内部分均有小漩涡发生，主流与各梯阶最外边界圆切点的连线相平行，水流也都较为稳定。

图9 末段水流紊动强度等值线

图10 末段的水流紊动强度流线图

3.2 泄槽末端处梯阶上的压强等值线比对

图11是膜袋倾斜上堆叠和水平堆叠时，泄槽末端梯阶上发生的压强等值线。从图11中可以发现，梯阶上的压强分布规律在两种堆叠状态下近似相同。这里的正负压波浪式交替呈，最大正负压的位置分布也相同，两者数值变动范围也基本相同。但是倾斜上堆叠时，负压区域开始变得较小。

图11 泄槽末端处梯阶上的压强等值线比对图

3.3 泄槽尾端梯阶流速等值线比对

图12是倾斜上堆叠和水平堆叠时，泄槽末端梯阶上的流速等值线。由图12可以发现，梯阶上流速分布，两者规律近似，流速最大值均发生于梯阶上方的主流区域，均于台阶顶角部位呈现流速等值线密集。就最大流速数值来看，倾斜堆叠时的流速小于水平堆叠时的流速，说明倾斜堆叠时的流速一般较小。

图12 两种堆叠泄槽末端梯阶上的流速等值线

3.4 泄槽尾端平均流速及其相对消能率的比对

表6是土工膜袋倾斜上堆叠与水平堆叠时，泄槽末端的平均流速与相对消能率的对应情况。从表6可以看到，倾斜向上堆叠方案，其末端平均流速一般较小，而相对消能率则较比水平堆叠方案时有所提高，说明土工膜袋倾斜上堆叠时的消能效果比较好，而且其梯阶面上发生负压区域一般较小，流态也稳定性较强。因此，建议较多采用倾斜向上堆叠的方式使用土工膜袋，此方式的消能功效相对更好。

表6 泄槽尾端平均流速及其相对消能率的比对

4 结 论

通过采用湍流RNGK-ε模型以及VOF方法，本文就柔性土工膜衬护阶梯溢洪道泄槽消能进行了模拟实验研究，结论如下：

1) 试验结果和数值模拟结果相近似，规律趋势总体基本一致，表明应用上述方法模拟分析柔性土工膜衬护阶梯溢洪道泄槽消能是可行的。

2) 相同流量情况下，柔性土工膜衬护梯阶的相对消能率，坡度缓状态下较比坡度陡状态下相对提高；在坡度相同时，相对消能率随流量增大而发生减小。

3) 相同流量情况下，倾斜向上堆叠土工膜袋方案较比水平堆叠方案，泄槽末端的平均流速相对变得更小，说明倾斜向上堆叠土工膜袋方案的梯阶相对消能率更高。