溢洪道臺階式溢流設計下水力消能特征研究

張 杰

（江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029）

溢洪道作為一種泄流水工建筑，其泄流運營時具有較大能量的轉換，對水工結構安全乃是較大考驗，因而提高溢洪道泄流消能水平[1，2]是溢洪道結構設計時必須考慮的問題。溢洪道運營受進水段體型、溢流段溢流面參數以及下游消能結構設計影響，綜合分析溢洪道運營安全與設計優化很有必要。桂冰登[3]、鐘勇明等[4]為研究溢洪道消能設計方案，建立水工模型試驗方案，利用模型試驗監測結果，分析溢洪道泄流時水面線、流態、速度以及壓強等水力特征，從而確定溢洪道的消能結構設計方案。溢洪道設計也與摻氣坎、挑坎等結構體型有關，徐瑋等[5]、許超等[6]基于Fluent流場模擬方法，探討了摻氣坎的截面體型、挑坎挑角等設計參數對溢洪道滲流場影響，進而評價溢洪道結構設計最優方案。臺階式溢洪道是溢洪道結構型式中典型一種，王煌等[7]探討了臺階尺寸、交錯布置、溢流寬度等體型參數對泄流影響，結合水力參數評價溢流臺階設計的利弊，為工程優化設計提供依據?；诔鏊此畮煲绾榈酪缌髋_階交錯設計，從模型試驗與滲流場模擬計算兩方面探討溢洪道交錯式異形臺階設計下泄流消能特征。

1 研究概況

1.1 工程概況

作為貴州地區重要水源工程，出水洞水庫為“十三五”時期水利行業重點項目，設計總庫容為6 884.2萬m3，預計一期工程建設投入運營后可實現年供水8 772.2萬m3。水庫設計蓄水位高程為1 446 m，死水位為1 440 m，采用面板堆石壩結構，最大壩高為109.5 m，壩頂主軸長為300 m，寬度為10 m，可滿足地區水資源分布調節、蓄洪排澇等水利功能需要。水庫包括堆石壩、輸供水渠道、引水隧洞以及溢洪道等工程。水庫堆石壩趾板斷面體型如圖1（a）所示，趾板厚度為1 m，面板厚度為0.8 m，防滲板位于面板與趾板下方夾角30°處，厚度為0.3 m，趾板面等高線與趾板呈“X”形布置；趾板面“X”形等高線平面分布形態如圖1（b）所示，兩等高線左、右高程相差為85～102 m，按照X1～X11 不同基準點確定趾板河床段、岸坡段距離，如X4～X5、X8～X9的河床段分別為2.3、1.8 m，配合有效厚度范圍內的防滲面板，可實現良好防滲、攔水設計效果。實際監測表明，從2021 年水庫蓄水運營以來，歷經六盤水地區南盤江水系洪峰過境考驗，水庫趾板上應力、應變分布以及面板水力坡降分布均滿足安全要求。除堆石壩工程外，水庫溢洪道的建設與運營較為關鍵，基于水庫設計需求以及工程選址特點，設計采用臺階式溢洪道，堰頂高程為1 439 m，為3孔進水控制方式，單孔凈寬為7 m，下游配置消力池消能結構，池長、寬度分別為50、35 m，尾坎高度為4.5 m，從模型比尺設計考慮，原型尺寸1/10 設計模型如圖2 所示，溢流段臺階坡度為1/3，臺階前、后水平段均為6 m。從該溢洪道設計方案考慮，采用均勻分布狀溢流臺階，臺階寬度與溢流面寬度一致，若可劃分出異形臺階且交錯分布，如臺階寬度為溢流面的1/2 或1/3，相鄰臺階可進一步增強泄流效果，但異形交錯分布臺階的設計也會加劇溢流面上不穩定流態產生。因而，從水庫臺階式溢洪道運營考慮，可應用異形交錯臺階設計，但需優化其體型方案，這也是開展溢洪道異形交錯臺階應用設計的前提。

圖1 堆石壩趾板體型特征

圖2 溢洪道溢流臺階特征

1.2 設計分析

基于異形交錯式臺階溢洪道設計理念，在模型比尺臺階溢洪道設計的前提下，對溢流面分布的臺階進行等分切割，按照交錯布置方式，分別以溢流面寬度的1/3、1/5、1/7、1/9 進行交錯設計，溢流面寬度的1/3、1/5臺階交錯分布特征如圖3（a）、（b）所示，單個臺階寬度分別為8、4.8 cm；無交錯分布臺階溢洪道如圖3（c）所示，臺階寬度為24 cm。在模型試驗結果中，圖3（a）、（b）兩方案具有顯著差異，監測得到的水體流態、動水壓強等分布均有明顯區別，如圖3（b）中在溢流面的交錯分布臺階第3、5 級分布有渦旋流等特征，同時兩方案中摻氣濃度分布也有差異?；诓煌诲e式臺階溢洪道設計方案，對溢洪道的水力變化特征開展對比分析。

圖3 溢洪道溢流面臺階設計

利用CAD 構圖工具對溢洪道結構進行幾何建模，溢洪道幾何模型如圖4（a）所示，溢流面長度為1.2 m，全模型主軸長為2.4 m，共有6級階梯，各級階梯面的壁面以及邊界約束模型均視為一致。通過CAD 幾何模型的導入，在滲流場模擬平臺獲得網格模型如圖4（b）所示。模型中X、Y、Z 向分別為溢流面泄流方向、結構豎向以及臺階流體橫向。

圖4 溢洪道模型

依據不同交錯形態的溢流臺階設計方案，分別有溢流面寬度的1/3、1/5、1/7、1/9 研究方案，相應的異形臺階數量分別為1、2、3、4 級，且設計有無異形交錯臺階數量的研究方案（0 級），溢流臺階寬度為24 cm。研究工況中設定3 個泄流量，分別為50、100、150 m3/s?；诓煌愋谓诲e臺階設計方案，探討溢洪道溢流面的水力、消能特征。

2 異形臺階下水力特征

2.1 流速特征

基于不同異形交錯臺階的溢洪道水力特征計算，獲得了溢洪道沿程流速分布變化特征，包括溢流面前、后水平段處流速特征，如圖5所示。

圖5 溢洪道流速變化特征

依據溢洪道沿程流速特征變化可知，不同泄流量工況下，同一種異形交錯臺階設計下沿程流速變化具有相似性，流速峰、谷值對應斷面不變。在泄流量50 m3/s工況下，異形交錯臺階數量為1級時，沿程流速峰、谷值分別為1.43、1.27 m/s，而在泄流量150 m3/s工況下峰、谷值流速依然位于沿程斷面0.6、1.6 m處，相應的流速值分別為1.83、1.65 m/s。當異形交錯臺階數量為3級或4級時，兩泄流量工況下流速變化具有一致性，泄流量改變不會影響沿程流速分布變化特征，影響僅局限于流速水平值，泄流量愈大則流速水平值愈高。在異形交錯臺階數量為0、1 級時，在泄流量50 m3/s 工況下，溢流面斷面0.6～1.8 m內流速分別為1.54～1.72、1.29～1.43 m/s，溢流段流速均值分別為1.64、1.35 m/s，而在泄流量150 m3/s工況下流速均值分別提高了43.9%、28.1%。各異形交錯臺階設計下，泄流量對流速水平值影響具有無序差異性。

當異形交錯臺階數量變化，沿程流速變化差異性顯著，其中無異形交錯臺階設計下流速變化具有獨立性，具有“M”形特征，泄流量150 m3/s 工況下在斷面0.6、1.8 m 處出現“雙峰值”流速，分別達1.7、1.72 m/s；特別需要注意的是，該方案在溢流段0.6～1.8 m 內，流速分布是5 個方案中最高的。當溢流面設置有異形交錯臺階后，沿程流速大都為單峰流速變化趨勢，但峰值流速斷面位置、溢流段后水平段流速分布變化具有差異，泄流量50 m3/s工況下，在異形交錯臺階2、4 級方案中，溢流段后1.8～2.4 m 水平段內流速分布變化具有差異性，分別呈穩定變化、遞減變化特征。綜合來看，溢流面增設異形交錯臺階，有助于減弱下游動水勢能[7，8]，但異形交錯臺階數過多，會影響溢流面以及下游水平段流速分布變化。

2.2 壓強特征

3 種典型方案下溢流段底板壓強分布特征，如圖6所示。

圖6 溢洪道壓強分布特征

從圖6（a）、（b）可以看出，溢流段底板臺階側面均出現了負壓現象且貼近交錯面凹槽區域，而在無異形交錯臺階時各階梯面上壓強隨著水流距離而遞增，水流勢能無法較好約束，各異形交錯臺階設計下相鄰異形臺階間會形成多個高壓強區，上級臺階的泄流裹挾、碰撞[5，9]以及交錯臺階形成的凹槽面綜合導致了溢流面上的多峰高壓強區。結合壓強分布對比發現，異形交錯臺階設計下，泄流活動較激烈，對流體運動約束較強，對下游泄流降能有利，但應考慮溢流臺階段過大的能量碰撞會導致結構損壞，故臺階材質以及異形臺階數量均應得到重視。

基于溢洪道壓強計算結果，提取獲得了沿程各斷面壓強變化，從壓強水平量值反映溢洪道泄流安全性，如圖7 所示。分析圖7 各異形臺階方案可知，無異形交錯臺階設計下，壓強呈遞增-遞減變化，溢流段缺乏勢能交換，在下游水平段1.8～2.4 m 內具有較大的壓強水平，峰值壓強為1 277.5 Pa，全斷面壓強分布為1 109.5～1 277.5 Pa，溢流段0.6～1.8 m 壓強分布為1 197～1 277.5 Pa，降幅為6.3%。當溢流面具有異形交錯臺階后，上游水平段0～0.6 m 內壓強變化與前者方案下基本一致，但在溢流段、下游水平段壓強分布具有差異性，異形交錯臺階1個時，溢流段內斷面0.4、2 m 處分別具有雙峰值壓強，達1 032.5、1 012.5 Pa，最大變幅可達25.4%；而在異形交錯臺階4 個時，溢流段壓強呈遞減變化，全斷面降幅可達63.3%。由此可知，增設異形交錯臺階，可提高溢流區段壓強變換，降低水力勢能。

圖7 溢洪道壓強變化特征

3 異形臺階下消能特征

溢流段直接影響著異形臺階紊動能分布，故針對溢流段紊動能分布現狀，獲得了沿程斷面紊動能分布特征，如圖8 所示。從圖8 可以看出，不同異形臺階數量方案下，溢流段各斷面紊動能分布變化具有相似性，均呈“穩定-遞增”特征，紊動能的穩定段持續至斷面1 m 處，在異形交錯臺階1、3、4 級下，穩定段紊動能分別為0.068、0.123、0.156 m2/s2，交錯臺階1級下紊動能分布水平最低。在溢流段靠近下游水平段區域，紊動能均有較顯著增長，異形交錯臺階3 級時紊動能的增長為0.135～0.179 m2/s2，以異形交錯臺階4級下增長最大，紊動能分布水平也最高，峰值紊動能達0.23 m2/s2。相比之下，無異形交錯臺階下沿程紊動能全過程較小，無紊動能遞增聚集段。分析認為，增設異形交錯臺階，加大了泄流體在溢流段的擾動[2，10]，減少流體對結構水蝕效應。

圖8 溢洪道斷面紊動能分布特征

各方案中不同泄流量工況下消能分布特征，詳見表1。由表1消能率等特征參數對比可知，增設異形交錯臺階設計下，消能率普遍高于無異形交錯臺階方案，后者方案中泄流量50、100、150 m3/s 工況下消能率分別為45.5%、40.6%、34.8%。在各異形交錯臺階設計下，以異形臺階數3個時其消能率最高，泄流量50、100、150 m3/s 工況下消能率分別為66.5%、69.0%、72.8%。綜合溢流臺階設計考慮，增設異形交錯臺階很有必要，以交錯臺階數為3個較適中。

表1 不同泄流量工況下消能率 %

4 結論

（1）同一種異形交錯臺階設計下沿程流速變化特征一致，峰、谷值流速斷面均一致；無異形交錯臺階設計下沿程流速具有雙峰值特征，而在異形交錯臺階設計下流速峰值段集中于溢流面，下游溢流水平段流速變化具有無序性。

（2）異形交錯臺階設計下具有雙側負壓分布特征，且在溢流段泄流活動較劇烈；無異形交錯臺階設計下的溢流段壓強水平較高，沿程壓強變幅較小，增設異形交錯臺階后溢流段壓強變幅增大。

（3）無異形交錯臺階設計下沿程紊動能變幅較小，異形交錯臺階設計下沿程紊動能呈穩定-遞增變化特征，異形臺階4 級時紊動能分布水平最高。有異形交錯臺階方案消能率高于無異形交錯臺階方案，后者在泄流量50、100、150 m3/s 工況下消能率為45.5%、40.6%、34.8%。

（4）從溢洪道泄流消能考慮，溢流面設計有效的異形交錯臺階較可靠。