弯道急流新型消能工——转弯式阶梯溢洪道

范鹏源，杨志刚，朱殿芳，李 果，张 果，唐 川，赵泽鹏，廖尚超

(1.成都市市政工程设计研究院有限公司，四川 成都 610000；2.成都天投新城市建设投资有限公司，四川 成都 610000)

1 转弯式阶梯溢洪道的数值模拟研究

1.1 数值模型及工况

为研究转弯式阶梯溢洪道对弯道急流的消能效果，现对传统水平光滑溢洪道与转弯式阶梯溢洪道两种体型进行数值模拟研究。溢洪道采用底流消能形式，泄槽段全长212.74 m，桩号为溢0+018.00～0+230.74，底坡为1∶3.5。水平光滑溢洪道时，桩号溢0+103.16～0+191.77为平面转弯段，转弯半径150 m，转弯角度33.85°，桩号溢0+018.00～0+103.16为转弯段前泄槽，溢0+191.11～0+230.74为转弯段后泄槽，泄槽底宽为10 m。转弯式阶梯溢洪道在水平光滑溢洪道基础上进行设计，溢洪道共设28级阶梯，平面转弯段内设17级阶梯，高1.5 m，横向坡度0.30；平面转弯段前设5级阶梯进行衔接，横向坡度由0.05逐级增至0.25；平面转弯段后共设6级阶梯进行衔接，横向坡度由0.25逐级减至0，其余部分与水平光滑溢洪道的设计保持一致[1-3]。

本文采用基于RNGk-ε的双方程紊流模型对水平光滑溢洪道与转弯式阶梯溢洪道体型进行数值模拟，偏微分方程的离散采用有限体积法，线性方程组的求解采用隐式高斯-塞德尔迭代方法，压力-速度耦合采用PISO算法，动量、紊动能和紊动耗散率离散均采用二阶迎风格式，采用VOF法追踪处理水气自由表面。采用非恒定流算法逼近恒定流稳定解，时间步长本次计算一般取0.0001～0.0006 s。计算模型如图1所示。

图1 计算模型示意图

弯道急流具备较强的三维性，流况复杂多变。本文对水平光滑溢洪道和转弯式阶梯溢洪道两种体型选择了三种流量条件进行数值模拟，并进行分析研究。模型试验工况见表1。

表1 试验工况

1.2 成果分析

1.2.1 流态分析

水平光滑溢洪道时，进入转弯段的水流受到离心力的影响，主流偏向溢洪道凹岸，凹岸水深较大，在弯道后半段泄槽左侧约2/3宽度出现无水区(弯道急流的露底现象)。水流受纵坡影响，沿程重力势能转化为动能，转弯段后水流形成折冲水流折向溢洪道凸岸，在溢洪道横断面水体分布极不均匀。

转弯式阶梯溢洪道较大程度优化了水流流态，露底现象消失，阶梯段横断面水体分布均匀，转弯段后衔接阶梯水流平稳，折冲现象亦得到极大消减，水体在这一体型下实现了平稳泄流。溢洪道流态对比如图2所示。

图2 溢洪道流态对比

1.2.2 流速分析

水平光滑溢洪道沿程流速在重力分力的影响下不断增大，各工况均在桩号溢0+208.16处略有降低后再次增大进入消力池，分析发现，桩号溢0+208.16位于水流折冲点附近，折冲水流的混掺导致了该断面水流流速略有降低；三种工况下入池流速分别达到27.65 m/s、31.04 m/s和34.50 m/s，较大的入池流速使得消力池难以发挥作用，水流未经充分消能排入下游河道，严重影响建筑物安全。

设置转弯式阶梯溢洪道后，各横断面流速分布趋于均匀，沿程流速不再沿程增加，甚至部分区段出现不同程度的下降。三种工况下入池流速为15.70 m/s、18.23 m/s和24.91 m/s，水体动能被转弯式阶梯大大削减，这显然有利于下游的消能防冲。阶梯段沿程流速对比如图3所示，溢0+166.16处横剖面流速分布情况如图4所示。

图3 阶梯段沿程流速对比

图4 溢0+166.16处横剖面流速云图

1.2.3 水面线分析

水平光滑溢洪道时，溢洪道凸岸在不同工况下均出现露底现象，范围约位于桩号溢0+140～0+200之间，弯道出口水面线交叉，发生折冲水流；设置转弯式阶梯溢洪道后，弯道水流不再集中于凹岸，露底现象消失，各横断面水面线基本与底板平行，凸岸水面线基本保持在3 m左右。相应的，凹岸水面线的优化效果亦十分显著，原本存在的水面线峰值均基本削平，仅在最大流量时出现较小峰值，峰值水深为4.19 m，但对应的凸岸水深为3.37 m，两岸水深差仅为0.82 m。转弯式阶梯的设置，使弯道水流不再集中于凹岸，横断面水面线基本与底板平行，水体分布均匀，在弯道中后段表现得尤其显著(此段水平光滑溢洪道凸岸出现无水区)。因此转弯式阶梯溢洪道的设置使两岸水体均匀化，水流流态亦趋于良好。

在不同流量下，这一体型水面线分布情况良好，对流量的适应性较强。各工况转弯式阶梯溢洪道末段水深值比水平光滑溢洪道大，转弯式阶梯溢洪道良好的消能作用使得消力池水跃位置提前，甚至发生一定程度的淹没水跃，因此此处水深有所增大，这对于下游消能十分有利。阶梯段沿程水面线如图5所示。

图5 阶梯段沿程水面线对比

1.2.4 底流消能分析

设置转弯式阶梯溢洪道后，各水力参数均有较大优化，这些改变同时有利于下游的消能防冲。水平光滑溢洪道时，入池流速较大，池内水跃发生位置靠后甚至未发生水跃消能，水流直冲向下游河道，对下游河道及工程本身的安全稳定极为不利。设置转弯式阶梯溢洪道后消力池流态得到了很大改善，各流量均可以保证水跃发生于消力池中、前部，水流经过充分调整后，平稳进入下游河道；各工况溢流堰至转弯段末端消能率明显增加，相比水平光滑溢洪道增幅为255.72%～306.29%，消力池消能率亦达到82.04%～83.23%。转弯式阶梯溢洪道的设置能够有效地增加消力池的消能效果。消力池纵剖面流线对比如图6所示，消能率对比如表2所示。

表2 消能率对比

图6 消力池纵剖面流线对比(P=0.1%)

2 转弯式阶梯溢洪道的物理模型研究

2.1 试验模型

为验证数值模拟方法在该新型消能工计算中的可靠性，对数值模拟所设计的转弯式阶梯溢洪道进行物理模型试验。根据模型特性及试验目的，采用正态整体试验模型，按重力相似准则设计(比尺为1∶40)，确保模型与原型几何相似、水流运动相似。整个试验模型主要包括库区、溢洪道、下游河道、量堰等。为避免前几级阶梯梯因掺气不充分而可能发生空蚀破坏，在阶梯前设置掺气坎，掺气坎末端位于桩号溢0+058.00处。溢洪道采用有机玻璃制作，模型整体布置如图7。试验采用矩形薄壁量堰对来流流量进行量测和控制，选用单宽流量为25.33 m2/s的工况进行试验，并与数值模拟计算结果进行对比。

图7 模型整体布置

2.2 数值模拟可靠性验证

数值模拟方法所得的水流流态已在1.2节做出明确描述，物理模型试验所得的溢洪道水面形态与数值模拟基本一致，水流进入消力池后的水流形态也基本吻合。由图8的对比可知，溢洪道侧边墙水面线吻合良好，两岸边墙水深误差范围在1.51%～18.50%之间。阶梯溢洪道前半段边墙水深计算值与试验值误差基本控制在10%以内，且二者变化趋势一致；后半段阶梯上水流掺气充分，水体变为水气高度掺混的混合体，试验观测误差较大，边墙水深计算值与试验值误差略大，最大误差达到18.50%。沿程流速、不同横断面流速的计算结果与试验结果分布趋势一致，二者误差范围在0.91%～11.65%之间，误差总体来看是在可以接受的区间内。模型试验整体流态如图9所示，溢洪道转弯段流速对比如图10所示。

图8 溢洪道边墙水深对比

图9 模型试验整体流态

图10 溢洪道转弯段流速对比

因此，综合水流形态、水面线以及流速的对比验证，可以认为计算值基本符合转弯式阶梯溢洪道水力特性的分布规律，认为该数值模拟计算模型有效可靠，可以运用于该新型溢洪道的计算分析。

3 结 论

(1)使用数值模拟方法对转弯式阶梯溢洪道进行计算，经物理模型验证，计算结果有效可靠。

(2)转弯式阶梯溢洪道内，露底现象消失，折冲现象得到极大削减，水流平稳下泄。

(3)转弯式阶梯溢洪道内水流各横断面流速、水深分布趋于均匀，水体动能被转弯式阶梯大大削减。

(4)消力池流态得到了很大改善，各流量均可以保证水跃发生于消力池中、前部，水流经过充分调整后，平稳进入下游河道；各工况溢流堰至转弯段末端消能率明显增加，相比水平光滑溢洪道增幅为255.72%～306.29%，消力池消能率亦达到82.04%～83.23%。