溢洪道增设掺气坎对水力特性影响研究
时间：2022-12-09 14:20:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
邓硕彦
(惠东县广源水利水电工程勘测设计有限责任公司，广东 惠东 516300)
溢洪道为水利泄流的重要水工结构，其运营可靠性与其溢流面、消能段等结构设计水平密切相关[1- 2]，有效的消能设计，不仅有利于溢洪道安全泄流，对保障下游水工建筑具有重要作用。掺气坎设计方案不仅影响溢洪道泄流水力特性，也对下游消能结构的消能降冲有一定影响[3- 4]，研究掺气坎设计方案，有助于溢洪道消能、泄流安全协调性。何志亚等[5]、戴涓等[6]、李宗民等[7]基于工程实际状态，采用原型材料与复制比尺设计理论，开展室内溢洪道、消能池等水工结构模型试验，探讨其不同设计方案下流速、水位及压强等水力特征参数变化，评价工程设计体型优化。不同与此，李怀超[8]、秦亚斌等[9]、沈东辉等[10]从结构静、动力场响应特征对比入手，借助ANSYS、COMSOL等数值计算平台，探讨溢洪道、泄洪闸等水工结构设计影响下的拉、压应力及位移变化，分析设计方案差异下结构安全稳定性。同样是仿真计算，徐解刚等[11]、任庆钰[12]采用Fluent等CFD流场计算方法，开展了溢洪道、消能池等水工结构在溢流工况下的渗流场计算，获得流速、紊动能及消能率演化特征，评价工程设计优化方向。本文基于飞来峡水库溢洪道设计现状，探讨了掺气坎的参数设计优化，为该溢洪道消能结构设计优化提供依据。
1.1 工程概况
飞来峡水库乃是北江干流上游地区重要水利设施，具有农业灌溉、生活用水调度及防洪排涝等综合水利功能，且下游建设有与飞来峡水库呈阶梯型的调节设施，有效保障地区用水安全。飞来峡水库包括有防洪大坝、溢洪道及灌溉干渠、引水闸等水工设施，按照Ⅱ级设计标准进行建设，最大库容量为850万m3，水库水位与汛期防洪调节如图1所示。水库设计主坝高程为35.5～39.8m，坝身防渗结构包括有防渗墙、止水面板及浇筑料的防渗性，全坝段渗流安全稳定性较佳。水库下游农业干渠建设长度超过80km，规划中长度为50km，计划拓展惠及至石角、清远、英德等粤东北地区，全干渠中部设计配置有调压塔等结构，控制干渠输水流量，确保不出现雍流、涡旋等非稳定渗流。飞来峡另一重要水利设施即为其溢洪道，该设施位于坝体右段，平面布置如图2所示。溢洪道进、出水段及溢流段分别为15、5.3、30m，下游消能池采用联合消功设计，消能坎高分布为0.6～0.9m。泄洪闸设计闸顶高度为18m，闸室净宽为6m，采用双孔式泄流设计，设计有预应力闸墩结构，厚度为1m。经验算，结构静、动力场均满足设计要求，但不可忽视目前溢洪道消能率仍维持在较低水平，整体溢流段渗流涡旋时有发生，因而有必要针对溢洪道溢流设计开展优化分析，保障溢洪道与飞来峡水库其他水工建筑运营协调性。
图1 水库水位与汛期调节
图2 溢洪道平面布置(单位：m)
1.2 设计模拟
采用Revit建立溢洪道几何模型[13- 14]，如图3所示，简化部分宽尾墩及边墙结构，溢流面为阶梯式，共有29级，全长为15m，首阶截面为20mm×14mm，二级阶梯后各阶梯宽度为75mm，坡度为1/0.75，溢流面前段、泄洪闸末端，设置有掺气坎，其高度设定为1m，由于其角度参数决定了与下游消能池泄流水平，特别是影响着下游消能率，故本文重点以掺气坎角度η为研究对象，以期优化该参数达到提升溢洪道运营水平。
图3 溢洪道几何模型
基于Revit构建该阶梯式溢洪道三维族模型，并导入至Fluent流场计算平台中进行微单元模型划分[12]，溢洪道划分网格后计算模型如图4所示，该模型共获得多面体微单元146286个，132892个节点，且在溢流段重点加密划分网格，覆盖密度较其他区域增大了32%。模型中进水段设定为气液二相入口，具备压力与速度参数初始值，出水段亦是如此，而在溢流面上设定为液相单相体。根据飞来峡水库运营工况，本文计算方案设定上游泄流量入口为120m3/s，初始流速设定为0.45m/s，计算掺气坎不同角度η方案下水力特征差异。模型中x、y、z正向分别为下游消能池方向、溢流阶梯指向坝体方向及竖直向下方向。
图4 溢流面计算模型图
掺气坎角度η不得低于溢流段首级阶梯坡度，即η不得超过10°，因此本文设定η为1.5°～9°，方案间梯次为1.5°，并设定无掺气坎消能方案的溢流段方案，典型设计方案如图5所示。基于不同掺气坎角度参数η设计，对溢洪道水力特性开展计算分析。
图5 掺气坎设计方案
2.1 二相分布状态
掺气坎的存在，对提高溢流段阶梯气体空腔具有正面作用，有助于控制阶梯受水力势能冲刷影响，因而，本文以溢洪道全轴断面上掺气浓度参数来评价二相分布状态，不同角度方案下溢洪道全断面上掺气浓度变化特征如图6所示。
图6 溢洪道沿程掺气浓度变化特征
分析图6可知，全断面上掺气浓度最高为角度6°方案，从量值变化对比可知，在断面6.6m处为50.5%，而掺气坎角度1.5°、4.5°、9°方案下同断面掺气浓度较前者分别减少了57%、28.3%、39.6%。从断面整体掺气浓度水平对比来看，无坎下断面平均值为8.29%，而角度1.5°、4.5°及9°方案中平均掺气浓度值较前者分别增大了67.3%、1.99倍、1.41倍，在掺气坎角度1.5°～6°梯次方案内，掺气浓度平均增幅为38.6%，但在角度6°～9°方案内，其掺气浓度值水平变化发生逆转，具有平均降幅26.3%。当掺气坎角度增大时，断断面掺气浓度值水平并未一直递增，而是在掺气坎角度为6°后出现递减变化。分析认为，掺气坎的存在，可增大水体与空气的接触面积，提升断面气相含量，特别是掺气坎角度增大时，泄流水体与气相接触面扩大至坎前端，从而气相占比增多，故呈现掺气浓度值水平增大的现象；
但不可忽视，当掺气坎角度增大至一定区间后，迎水面可供气相分布的容量是有限的，因而在气、水相相互碰撞过程中，造成掺气浓度值水平反而下降[15]，而本模型中该掺气浓度最高的角度方案为6°。
另一方面，各掺气坎角度方案下掺气浓度值变化特征具有一致性，均在断面9.9m处具有最高浓度。在掺气坎角度4.5°方案中，溢洪道节点断面9.9m前、后区间内，分别存在平均增幅14.3%与降幅17.2%，同理，在角度6°方案内两变幅值分别为15.9%、18.6%，而在角度1.5°中两变幅又分别为13.3%、16.7%。由此说明，掺气坎角度对溢洪道沿程断面掺气坎浓度值变化态势影响较小，主要影响其浓度值水平，特别以掺气坎角度6°下影响最显著，同时浓度值水平最高，对溢流面阶梯防冲刷效果最佳。
2.2 时均压强特征
基于不同掺气坎高度下溢洪道水力特征计算，获得断面时均压强变化特征，如图7所示。从图7中可知，掺气坎角度愈大，则泄流口愈可引起水体挑射，气液二相混杂程度愈高，故而时均压强愈高。在掺气坎角度为1.5°时，沿程断面上平均压强为31.1kPa，而随角度梯次方案递增，平均压强增幅达18.5%，各方案间时均压强增幅较稳定。另一方面，当掺气坎角度为9°时，其沿程断面压强水平分布较高，但其稳定性欠佳，断面上压强变化具有震荡段，在断面23.1～26.4m上存在最大变幅16.9%。当溢洪道断面上出现过大变幅，易造成溢流面及出水段出现雍流效应，水流中压强可控性变差，因而两方案在掺气坎设计时应排除。
图7 溢洪道沿程压强变化特征
各掺气坎角度方案中，时均压强均在断面上为递增变化，且在角度低于6°时，断面压强增幅基本接近，分布为8.9%～10.5%；
但在角度7.5°、9°方案中，断面压强变幅在初始进水段即具有较高增幅，而后缓增，最终在出流段出现压强震荡变化。由此可知，压强过高，溢洪道全断面上压强增幅变化差异较大，且在出流段出现局部不稳定反复阶段，不利于溢洪道泄流安全性。
分析溢洪道沿程水动力学特征，可获得流速特征，如图8所示。从图8中可知，掺气坎角度与溢洪道断面流速具有负相关关系，在断面0m处无掺气坎方案中流速为15.8m/s，而角度1.5°、6°、9°方案中同位置较之分别减少了19.3%、66.6%、82%；
增大掺气坎角度，对流速控制更为有利，并减小水动力势能。在掺气坎角度1.5°方案中，沿程断面平均流速为11.6m/s，而随梯次角度方案变化，断面平均流速减少14.2%。因而，溢洪道增设掺气坎，有助于减缓泄流水速，降低水体对下游水工建筑冲刷能量。
图8 溢洪道沿程流速变化特征
从流速变化全过程可知，各掺气坎角度方案中流速均为先增后减变化，角度1.5°～6°方案中流速最高点均维持在断面9.9m处，而角度9°方案中峰值流速位于断面13.2m；
且在角度9°方案中峰值流速基本接近于角度6°方案。在两方案沿程流速增幅阶段，最大差幅仅为3%，表明掺气坎角度高于6°时流速基本被削弱至同一水平。特别是在消能池断面23.1～33m内，角度6°、9°方案中流速水平均保持一致，维持在1.5～3.6m/s左右。笔者认为，在进水段由于水体泄流翻滚及台阶触水面积的减小，水流会在一定断面上出现流速增幅，但随着进入溢流段后，水力势能减弱，其能量减少，故而流速逐步减小，当进入消能池时流速水平较低，进而在消能池内完成最终消能降冲[16]。从掺气坎角度设计方面考虑，流速水平在掺气坎角度高于6°时控制显著，但过大的角度在消能池内并未引起较显著变化。综合渗流特征及水力特性，认为掺气坎角度6°时泄流安全及消能设计综合优势最大。
(1)增设掺气坎使掺气浓度增高，但浓度最高时为角度6°方案；
断面9.9m处为溢洪道沿程掺气浓度峰值；
掺气坎角度对掺气浓度值变化态势影响较弱，对其量值水平影响显著。
(2)掺气坎角度愈大，时均压强愈高；
角度超过6°时，断面时均压强具有震荡变化段；
角度低于6°时，各方案沿程压强变幅基本接近。
(3)掺气坎角度与断面流速呈负相关；
沿程流速均为先增后减变化，且角度1.5°～6°方案内峰值流速所在断面均保持一致；
角度超过6°时，流速水平减弱至同一水平。
(4)综合流场特征及水力特征，掺气坎角度为6°时泄流运营技术优势最显著。
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