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2024 , Vol. 41 >Issue 12: 91 - 100

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230745

水力学

溢洪道转弯段消力池水力特性优化模拟

  • 史修府 , 1, 2 ,
  • 牧振伟 , 1, 2 ,
  • 吕智 3 ,
  • 张猛强 1, 2 ,
  • 张红红 1, 2
展开
  • 1 新疆农业大学 水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830052
  • 2 新疆农业大学 新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室,乌鲁木齐 830053
  • 3 塔城地区水利水电勘察设计院 技术质量部,新疆 塔城 834799
牧振伟(1973-),男,河南南阳人,教授,硕士,博士生导师,研究方向为水力学及河流动力学。E-mail:

史修府(1998-),男,江苏泗阳人,硕士研究生,研究方向为水力学及河流动力学。E-mail:

Copy editor: 刘运飞

收稿日期: 2023-07-10

  修回日期: 2023-09-06

  网络出版日期: 2023-12-07

基金资助

国家自然科学基金项目(52269019)

国家自然科学基金项目(51769037)

收起

Simulation on Optimizing Hydraulic Characteristics of Stilling Pool in Turning Section of Spillway

  • SHI Xiu-fu , 1, 2 ,
  • MU Zhen-wei , 1, 2 ,
  • LÜ Zhi 3 ,
  • ZHANG Meng-qiang 1, 2 ,
  • ZHANG Hong-hong 1, 2
Expand
  • 1 College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
  • 2 Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Project Safety and Water Disaster Prevention, XinjiangAgricultural University, Urumqi 830053,China
  • 3 Technical Quality Department, Water Conservancyand Hydropower Survey and Design Institute of Tacheng District, Tacheng 834799,China

Received date: 2023-07-10

  Revised date: 2023-09-06

  Online published: 2023-12-07

Fold

摘要

溢洪道转弯段消力池受弯道离心力和惯性力影响,往往会出现流态不佳、两岸水深和流速分布不均等不良水力现象。为探索该复杂水流问题,以新疆XBT水库溢洪道消力池为研究对象,设计17个模拟方案,将流态、水深、平均流速和消能率作为研究指标进行分析与评价。研究表明:不同模拟方案对转弯段消力池内部水力特性影响不同;为改善转弯段消力池内不良水力现象,将池深加深至6.55 m、采用矩形敞口出口型式并联合9根交错糙条可取得最佳流态,即中后段壅水问题得到解决并消除了凹岸水流溢出边墙现象,此时凹岸水深相较原方案降低30.22%,两岸水位差仅为0.02 m;通过对消力池内典型断面平均水深和动能计算,消力池出口断面平均水深相较原方案降低了49.97%,消能率由18.97%提高至62.63%。

关键词： 转弯段消力池; 辅助消能工; 水力特性; 消能率; 数值模拟; 溢洪道

本文引用格式

史修府 , 牧振伟 , 吕智 , 张猛强 , 张红红 . 溢洪道转弯段消力池水力特性优化模拟[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(12) : 91 -100 . DOI: 10.11988/ckyyb.20230745

Abstract

Affected by corner centrifugal force and inertial force, stilling pool at the turning section of spillway often exhibits unfavorable flow conditions characterized by uneven water depth and flow velocity distribution. To address this complex flow issue, we conducted simulations on stilling pool at the turning section of the spillway of XBT reservoir in Xinjiang. We designed 17 simulation schemes and selected flow pattern, water depth, average flow velocity, and energy dissipation rate as evaluation indices. Results indicate that the hydraulic characteristics of the turning-section stilling pool vary in different simulation schemes. To mitigate adverse hydraulic phenomena in the stilling pool, deepening the pool depth to 6.55 m, adopting a rectangular open outlet type, and equipping 9 staggered rough strips can achieve optimal flow condition. This configuration resolves the backwater problem in the middle and rear sections and eliminated overflow along the walls. Notably, the water depth at concave bank declined by 30.22% compared to the original scheme, with a marginal water level difference of only 0.02 m between the two sides. According to calculation results of the average water depth and kinetic energy of typical section in the stilling pool, the average water depth at the outlet section decreased by 49.97% from the original scheme, while energy dissipation rate enhanced from 18.97% to 62.63%.

Key words： stilling pool in turning section; auxiliary energy dissipator; hydraulic characteristics; energy consumption rate; numerical simulation; spillway

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

溢洪道消力池是实现水利枢纽汛期安全运行的重要保障[1⇓-3]。但受地形地质条件限制,部分溢洪道必须需要带有转弯段[4⇓-6]。而对于带有弯段的溢洪道水流从顺直段进入弯道后,将出现不同于顺直段的水流结构[7-8],究其原因为水流受离心力和惯性力作用,针对此问题,学者们展开了相关研究。例如,学者依次通过量纲分析和模型试验,揭示了弯道水流横纵向流速的解析解和分布趋势[9⇓⇓-12];也有部分学者在已有弯道水流研究基础上,进一步表明了体型优化能够调整水面结构,并总结了弯道水流水面结构调整的影响因素[13-14]。然而部分实际工程流速较大,若采用底板坡比优化方法,可能会产生水流脱流问题,故学者采用底部加糙方式,来降低水流流速[15],以新疆“635”溢洪道整治工程为例,多位学者通过正交试验和量纲分析发现在溢洪道弯段底部布置较优型式的糙条消能工可以提高横断面水深分布均匀度,控制水面横比降,表明了糙条消能工具有良好的消能导流作用[16⇓⇓⇓⇓⇓-22]。黄志敏等[23]在受泄槽弯段影响的顺直型消力池末端设置辅助消能工,降低了进口流速,池内形成了稳定的强迫水跃;此外,部分学者还在顺直型消力池中布置梯型墩和悬栅联合消能工,结果表明应用联合消能工能够明显降低水面波动,改善水流流态,并提高消力池消能率[24⇓⇓⇓-28]。综上所述,目前学者对泄槽弯段或顺直型消力池内布置辅助消能工的相关研究较多,而有关溢洪道转弯段消力池的相关研究鲜有报道。鉴于此,本文以溢洪道转弯段消力池为研究对象,对消力池体型和布置在池内的梯形墩和糙条进行水力特性研究,为类似工程提供理论参考依据。

1 模型设计和数值模拟

1.1 模型设计

新疆XBT水库工程设计洪水位为1 251.00 m,校核洪水位为1 251.98 m,总库容为1 865×104 m3,属Ⅲ等中型工程。水库包含大坝、溢洪道、放水洞和导流放空洞四部分,其中溢洪道由侧槽段、调整段、泄槽段、一级消力池、一级整治段和二级消力池等部分组成,全长共750 m。但受地形限制,一、二级消力池均布置于弯段,表现出相似的弯道水流问题,即在弯道离心力和惯性力作用下,大量下泄水流聚集于凹岸,两岸水位差大(凹岸水深减去凸岸水深),消力池中末端严重壅水,导致凹岸水流周期性溢出边墙。鉴于此,以XBT水库溢洪道转弯段一级消力池为研究对象(后称为转弯段消力池),按照重力相似准则构建几何比尺为1∶40的试验模型,其中模型试验采用自循环式供水系统,包括地下水库、水泵、供水管道、上游水箱、模型试验区及量水堰等部分,以设计和校核洪水位2种工况进行试验;数值模拟选用Fluent软件,以校核洪水位工况进行水力特性模拟研究,为转弯段二级消力池提供借鉴依据。XBT水库溢洪道和转弯段消力池结构示意见图1。
图1 XBT水库溢洪道和转弯段消力池结构示意

Fig.1 Structure of the spillway of XBT Reservoir and stilling pool at turning section

1.1.1 提取断面

转弯段消力池数据提取断面根据模型主体部分进行布置,共分为15个断面。其中,在消力池前端每5 m取1个断面,共5个断面,为1#—5#断面;中后段为研究重点,每2.5 m取1个断面,共10个断面,为6#—15#断面。各断面设置5个测点,其中,水深测点为A、C和E;流速测点为B、C和D,测量位置为距离水面2/3处。考虑转弯段消力池末端受弯道离心力和惯性力影响易引起不良水力现象,故测点A和D位置距离边墙较近,为横断面总长的2%,可减弱边墙对水流的干扰;测点B、D至流道中心的距离为横断面总长的25%;测点C位于流道中心处。模拟数据提取横断面和测点布置如图2所示。
图2 转弯段消力池断面和测点布置

Fig.2 Arrangement of sections and measuring points in the stilling pool at turning section

1.1.2 模拟方案

通过对布置在转弯段消力池内的梯形墩、悬栅、糙条和趾墩等多种辅助消能工消能导流的效果进行对比发现,梯形墩和糙条表现较好。结合XBT水库溢洪道工程参数,对梯形墩和糙条布置参数进行设计与组合,具体数值模拟方案见表1,其中,方案1—方案5为池深优化;方案6—方案10为在池深优化基础上进行消力池出口型式优化;方案11—方案17为辅助消能工布置形式优化。梯形墩较优结构尺寸如下:上顶宽度为1.5 m,下底宽度为3.0 m,高度为2.0 m,厚度为3.0 m(方案11—方案14);糙条较优结构尺寸如下:高度为2.0 m,厚度为0.24 m,长度为30 m(方案14—方案15)、6 m(方案16—方案17),转弯段消力池辅助消能工布置型式见图3。
表1 数值模拟方案

Table 1 Numerical simulation schemes

方案 辅助消能工 池深/m 出口型式
原方案 无 5.80 梯形非敞口
1 无 6.30 梯形非敞口
2 无 6.55 梯形非敞口
3 无 6.80 梯形非敞口
4 无 7.05 梯形非敞口
5 无 6.30 梯形非敞口
6 无 6.30 矩形敞口
7 无 6.55 矩形敞口
8 无 6.80 矩形敞口
9 无 7.05 矩形敞口
10 无 7.30 矩形敞口
11 3个梯形墩 6.55 矩形敞口
12 9个梯形墩 6.55 矩形敞口
13 12个梯形墩 6.55 矩形敞口
14 3个梯形墩+3根糙条 6.55 矩形敞口
15 3根糙条 6.55 矩形敞口
16 6根糙条 6.55 矩形敞口
17 9根糙条 6.55 矩形敞口
图3 转弯段消力池辅助消能工布置型

Fig.3 Arrangement of auxiliary energy dissipation for the stilling pool

1.2 数值模拟

1.2.1 网格划分

根据试验模型建立转弯段消力池的三维几何模型,包含部分上游泄槽段、转弯段消力池和部分下游一级整治段。由于数值模拟计算精度不仅与选取的控制方程密切相关,还与网格疏密程度有很大关系。为保证计算精度和增快计算时间,在ICEM软件中采用“分块-组合”方式进行网格绘制,选用六面体结构网格,并对消力池底部至辅助消能工顶部布置25层细网格进行局部网格加密,以便捕捉边界层流态,最终确定网格总量在80×104~90×104个左右,选取方案17的转弯段消力池及糙条细部网格划分见图4。
图4 转弯段消力池及糙条细部网格划分

Fig.4 Grid division of the stilling pool and rough strips

1.2.2 控制方程

数值模拟选用三维RNG k-ε紊流模型,利用VOF法进行自由表面跟踪及有限体积法进行控制方程组离散,精确地描述几何外形的模型边界[29-30]。其湍动能k方程和耗散率ε方程为:
k方程,
∂ ( ρ k ) ∂ t + ∂ ( ρ k u i ) ∂ x i = ∂ ∂ x j σ k ( μ + μ t ) ∂ k ∂ x j + G k - ρ ε ;
ε方程,
∂ ( ρ ε ) ∂ t + ∂ ( ρ ε u i ) ∂ x i = ∂ ∂ x j σ ε ( μ + μ t ∂ ε ∂ x j ) + C ε 1 ε k G k - C ε 2 ε 2 k 　 。    
其中:μt=ρCμ k 2 ε。
式中:ρ为密度(kg/m3);t为时间(s);ui为时均速度分量(m/s);μ为流体黏滞系数(N·s/m2);μt为紊动黏滞系数(N·s/m2);xi、xj为坐标分量;Gk为湍动能产生项;Cμ、Cε1和Cε2为模型常量;σk和σε均取1.39。

1.2.3 边界条件

模拟区域进口采用空气进口和速度进口,出口为压力出口,两侧边墙、底板及工程辅助设施均为无滑移边界[31],其中空气进口和压力出口均采用标准大气压,速度进口流速v=7.18 m/s,计算时间步长为0.001 s,采用SIMPLE算法进行迭代求解。当计算结果同时满足迭代残差曲线低于1×10-4和模拟区域进出口流量差值低于5%的进口流量时,可判定计算完成。

2 结果与分析

2.1 数值模拟验证

数值模拟结果验证以设计和校核洪水位工况为例,将转弯段消力池池内水流的模型试验和数值模拟结果进行对比,见图5。图5(a)表明,原方案中转弯段消力池左岸出现漩滚现象,其余部位水流波动幅度相对较小,出口处存在明显壅水现象;图5(b)表明,随着流量和水位的增加,池末端因壅水高度过高,出现水流溢出边墙现象;图5(c)和图5(d)表明,数值模拟结果与上述模型试验结果基本一致,从水流流态方面初步验证了数值模型具有较高的可靠性。同样,以两种工况为例,提取模型试验中转弯段消力池内的8个量测桩号处的平均水深和平均流速(不包含区域进口桩号)进行对比,见图6。由图6(a)可知设计洪水位工况:①模拟区域水深数值计算值与试验实测值最大相对误差发生在桩号0+123.00处,为9.06%,最小相对误差在桩号0+152.00,为0.80%;②流速模拟值与试验值最大相对误差发生在桩号0+142.00处,为5.96%,最小相对误差在桩号0+132.00处,为0.55%。由图6(b)可知校核洪水位工况:①模拟区域水深数值计算值与试验实测值最大相对误差发生在桩号0+162.00处,为6.72%,最小相对误差在桩号0+121.00处,为0.82%;②流速模拟值与试验值最大相对误差发生在桩号0+123.00处,为8.80%,最小相对误差在桩号0+163.00处,为0.04%。分析图6可知,数值模拟校核洪水位定量计算结果较设计洪水位误差整体较大,说明在Fluent流体仿真计算中水流形态(水流溢出边墙)对计算结果存在一定影响,但2种工况中2个指标模拟值和试验值相对误差均<10%,表明数值模型可有效用于XBT水库溢洪道转弯段消力池的数值模拟分析与预测。
图5 转弯段消力池模型试验和数值模拟结果对比

Fig.5 Comparison between model test and numerical simulation results

图6 模型试验和数值模拟平均水深与平均流速对比

Fig.6 Model test and numerical simulation results of average water depth and flow rate

2.2 消力池体型优化

2.2.1 池深优化

在校核洪水位工况下,提取水气比为7∶3时消力池内部水流云图,见图7。图7表明,方案15中虽加大了池深,但转弯段消力池前中端水流依旧翻滚剧烈,形成大面积漩涡,且主流仍旧偏向左岸,呈现出左岸水深大于右岸趋势,各方案下的消力池依旧存在中末端壅水和末端左岸水流溢出边墙现象,这说明水流在转弯段消力池中仍受到弯道离心力和惯性力的作用,因此仅通过增大池深来改善弯道水流问题的目的很难实现,若依旧选择增大消力池池深,池内流态或将得到一定改善,但开挖量将急剧增大,引起大额工程投资。对此,为进一步分析引起该现象的原因,从机理上解决该问题,提取方案4和方案5中转弯段消力池内部5#—12#断面平均流速,见表2。分析表2可知,与方案4相比,方案5的消力池中部水流流速普遍降低了7.45%~25.26%。这是由于消力池池深加大后,断面过流面积增加,流量一定时,断面平均流速与断面过流面积成反比,断面过流面积的增大将使断面流速降低,同时,水流持续下泄,故各方案消力池池末端水流持续壅高并出现水流溢出边墙现象。
图7 转弯段消力池池深优化水流流态云图

Fig.7 Cloud diagram of flow in the stilling pool with optimized depth

表2 转弯段消力池5#—12#断面流速分布

Table 2 Flow rate distribution of section 5# -12 # in turning section

方案 断面流速/(m·s-1)
5# 6# 7# 8# 9# 10# 11# 12#
4 1.98 2.11 2.85 3.09 3.12 3.15 3.16 3.05
5 1.64 1.80 2.63 2.86 2.65 2.36 2.59 2.35

2.2.2 出口型式优化

提取消力池内各典型断面平均水深分布结果,见图8。图8表明,消力池梯形出口改为矩形敞口型式后,各方案消力池靠近中间部位水流波动相对较大,方案6消力池在14#断面上仍存在水流溢出边墙现象,考虑是由于池深虽加大了0.50 m,但末端壅水问题并没有得到有效解决,同时,消力池体积受限,无法完全容纳所有下泄水流。方案7—方案10的池深较方案6依次增大0.25 m后均完全解决了消力池末端原先存在的水流溢出边墙现象,同时,与方案8—方案10相比,方案7消力池虽仍有水流壅高现象,但波动较小,考虑是由于消力池池深加大后,水流势能的降低将引起动能的相对增大,继续下泄的水流伴随较大动能跌落至池内,池深越大,水流飞溅程度越大,池内水流波动越明显,即在转弯段消力池若存在跌流现象,通过增大池深,消力池内部水力特性会得到一定改善,但随着池深增加到一定程度后,改善效果将逐渐递缓。因此,仅通过增大池深和出口型式等消力池体型方面的优化,虽可以提高一定的过流能力,但难以完全解决原先存在的不良水力现象。
图8 转弯段消力池出口优化典型断面平均水深

注:方案6中14#、15#水深,为断面最大水深。

Fig.8 Average water depth of typical section of stilling pool with optimized outlet

2.3 辅助消能工布置形式优化

转弯段消力池经过体型优化后,有效缓解了池内原先存在的不良水力现象,但水流仍受弯道的影响,主流依旧偏向左岸,鉴于此,在方案7的基础上继续对校核洪水位工况下运行的消力池做出进一步研究,为工程长期运行提供保障。

2.3.1 梯形墩布置形式优化

方案11—方案13下,消力池内布置单一梯形墩后,整体水流流态较原方案有所改善。提取池内3#—14#断面的水力学数据,见表3。由表3可知,方案11下,消力池进口处布置3个梯形墩后,对进口水流起到导流分散作用,水流被均匀分成4股流向池内,完成了梯形墩对进口水流的调整作用,但受高能量、高流速下泄水流和转弯段离心力作用影响,3个梯形墩对消力池7#断面后水流调整作用较小,表现出水流进入转弯段后,池内平均水深自7#断面开始逐渐增大,末端仍存在壅水现象,池内最大两岸水深差出现在13#断面,为1.2 m;最大水深出现在14#断面,为4.98 m。方案12下,梯形墩数量增加至9个,与方案11相比,消力池内水流流态好转,沿程水深变幅不大,有效缓解了末端壅水现象,池内最大两岸水深差出现在4#断面,为1.65 m;最大水深仍出现在14#断面,为4.36 m,相较于方案11下降了12.45%。方案13下,梯形墩数量增加至12个,与方案12相比,消力池池内水流流态进一步好转,水流在3个梯形墩作用下,4#断面两岸水位差相较方案12降低了64.85%,然而6#断面后,池内左岸水深增大,导致池内最大两岸水深差出现在14#断面,为1.30 m,最大水深仍旧出现在14#断面,为5.35 m,较方案11水深增大了0.37 m。
表3 方案11—方案13下消力池3#—14#断面水深和水位差分布

Table 3 Water depth and water level difference in stilling pool 3 #-14 # under scheme 11-13

断面 平均水深/m 最大水深/m 两岸水位差/m
方案
11		 方案
12		 方案
13		 方案
11		 方案
12		 方案
13		 方案
11		 方案
12		 方案
13
3# 3.43 3.37 3.63 3.64 3.74 3.85 0.39 0.72 0.43
4# 3.41 2.87 3.47 3.81 3.61 3.71 1.03 1.65 0.58
5# 3.57 3.07 3.73 3.92 3.66 3.83 0.88 1.47 0.07
6# 3.60 3.42 3.84 3.97 4.00 4.22 0.81 1.18 0.38
7# 3.24 3.71 3.98 3.52 4.13 4.11 0.66 0.84 0.14
8# 3.32 3.95 4.03 3.74 4.13 4.36 0.90 0.52 0.47
9# 3.51 3.88 4.14 3.99 4.19 4.68 0.97 0.51 0.76
10# 3.79 3.72 4.19 4.25 4.23 4.94 0.90 0.81 1.00
11# 4.15 3.79 4.24 4.48 4.18 5.02 0.76 0.46 1.01
12# 4.26 3.84 4.33 4.68 4.14 5.09 0.97 0.20 1.07
13# 4.36 3.77 4.50 4.87 4.12 5.30 1.20 0.28 1.27
14# 4.41 4.15 4.46 4.98 4.36 5.35 1.17 0.37 1.30

2.3.2 糙条布置形式比选

提取方案14—方案17下消力池3#—14#断面平均水深、最大水深、两岸水位差和计算平均流速,对比情况见图9。图9(a)表明,糙条交错布置时,消力池内部水流分布较均匀,连续布置时,池内水流沿纵向波动幅度相对较大,在8#—14#断面均形成一定壅水现象。图8(b)、图8(d)表明,糙条连续布置,上游泄槽的高流速水流快速下泄,水流到达6#断面处撞击糙条迎水面,在第1根糙条前形成严重壅水现象,故方案14、方案15中6#断面水深普遍大于其他方案,在方案15下,最大水深达6.55 m,引起右岸水流出现溢出边墙问题。如上所述,梯形墩对进口水流有一定导流分散作用,初步降低了水流流速,故方案14中6#断面平均水深虽较大,但未像方案15中水流在6#断面受糙条阻碍,形成水流溢出右侧边墙现象。图9表明,方案16、方案17中水流进入消力池转弯段后受交错糙条作用影响,表现出池内整体水深变幅不大,但由于交错糙条布置不同,池内水力特性存在一定差异,具体表现为自6#—14#断面,方案17中池内平均水深较方案16普遍增大2.34%~8.79%,而平均流速降低2.40%~9.63%,这说明布置糙条消能工后将壅高周围水体;另外因方案16较方案17糙条边缘距边墙距离较大,对水流的阻碍作用减小,引起两岸水位差普遍较大,方案16两岸水深差最大值发生在8#断面,为1.19 m,而方案17在8#断面仅为-0.03 m,这是因为弯道水流在布置糙条消能工区域外将存在一定的水流调整段,以恢复原先流态,而方案16中糙条消能工仅有1条完全阻碍弯道主水流,其余糙条只起到分散水流作用,且距离边墙较远,使得水流调整段提前,表现出两岸水位分布极度不均匀。综上所述,方案17下的消力池内整体水流流态达到最佳,为最优方案。
图9 方案14—方案17下消力池典型断面参数对比情况

Fig.9 Comparison of typical sectional parameters of stilling pool under scheme 14-17

2.4 最优方案水力特性分析

2.4.1 水流流态变化

提取最优方案下消力池水流流态和典型断面水面横向分布模拟结果,见图10、图11。图10表明,校核洪水位工况下,体型优化、布置糙条后的消力池水流平顺下泄,整体水流流态较好,完全解决了原方案下消力池内存在的水流溢出边墙问题。图11表明,以8#和12#典型断面为例,糙条不连续布置形式下,水流沿糙条横向布置方向波动幅度变大,缓解了因进口水流跌落引起的顺水流方向水面波动和末端壅水等不良水力现象,且较原方案而言,左岸水位下降幅度大于右岸上升幅度,控制了横向水面超高,消力池中末端最大两岸水位差发生部位前移至断面13#,出口处两岸水位差大幅减小,仅为0.02 m,此时左岸水位较原方案降低了30.22%,并且出口采用矩形敞口形式后,断面过流宽度增大,形成出口平均水深较原方案降低了49.97%,同时,水流光滑衔接下泄,连接处未出现水流溢出边墙现象。这表明转弯段消力池内布置9根交错糙条消能工后,对水流起到了阻碍作用,水流与糙条发生碰撞,扰乱了消力池内原先的水流结构,迫使各断面水流重分布,具体表现为左岸水流顺糙条布置部位向右岸流动,同时,右岸水流向左岸和流道中心靠近,两股水流汇集时便会导致水流在横向上产生波动现象。
图10 最优方案下消力池水流流态

Fig.10 Flow pattern of the stilling pool under the optimal scheme

图11 最优方案下消力池内典型断面水面横向分布

注:0.7表示水汽比为7∶3,即该断面70%的水面线,无单位。

Fig.11 Typical cross-section transverse distribution of water surface in the stilling pool under the optimal Scheme

2.4.2 流速分布

通过提取最优方案和方案7中转弯段消力池各断面的平均水深值,通过流量公式计算出断面对应的平均流速值与原方案进行对比分析,见图12。
图12 最优方案和方案7与原方案平均流速对比

Fig.12 Comparison of average flow rate among the optimal scheme, scheme 7, and the original scheme

图12表明,方案7和原方案相比,出口改用矩形敞口型式,虽出口断面高程没有变化,但过流能力明显增强,降低了池内各断面的水深,较均匀地提高了池内断面平均流速,但方案7中水流仍受到弯道离心力和惯性力作用,自7#断面仍因壅水问题造成断面平均流速降低现象;最优方案与方案7相比可知,最优方案于6#断面取得了种方案中最低水流平均速度,为1.77 m/s,且通过布置交错糙条消能工后,主水流受其阻碍,池内水流平均速度较方案7普遍降低,平均流速最大降幅发生在6#断面,为20.51%,最小降幅出现在13#断面,为4.07%,因此糙条对水流流速具有一定的重分布作用,为池内获取较均匀的流速分布和动能重分配奠定了一定的基础。这是由于在糙条消能工作用下,原先受弯道离心力和惯性力作用影响的水流在6#、7#断面之间水域形成的大漩涡被扩散为无数个小漩涡,糙条布置区和周围水体间存在一定流速梯度,促使紊动剪切程度增加,耗散了水流能量,进而导致流速降低。

2.4.3 消能率分析

消能率可衡量工程辅助措施对消力池水流多余能量的耗散程度,计算公式如下。
η = Δ E E 1 = E 1 - E 2 E 1 × 100 % 　 。  
其中:E1=h1+Δh+α1 v 1 2 2 g;E2=h2+α2 v 2 2 2 g。
式中:E1、E2为消力池进出口断面的能量;h1、h2分别为进出口断面的位置水头,以出口断面势能为0;Δh为两断面的高程差;v1、v2分别为进出口断面的平均流速;取α1=α2=1。
经计算,最优方案在校核洪水位工况下消能率可达62.63%,与原方案消力池对比,耗散了消力池内多余水流能量,降低了池内整体流速,减弱了消力池水流对下游泄槽水流流态的影响,进而完成了转弯段消力池的初步消能任务,在满足工程设计的前提下,为溢洪道长期安全稳定运行提供了有力保障。

3 结论

本文以溢洪道转弯段消力池为研究对象,采用数值模拟研究方法,对17种试验方案结果进行分析,主要得出以下结论:
(1)消力池池深加大0.75 m且出口改为矩形敞口形式后,有效解决了原先池内存在的水流溢出边墙问题,但无法完全解决池中水流壅水现象,建议在实际工程中,选择多种措施来初步解决转弯段消力池内因受弯道离心力和惯性力引起的不良水流现象。
(2)在消力池优化体型基础上,池内布置9根交错糙条后,消力池整体水流流态得到进一步改善,末端壅水问题得到有效解决。
(3)最优方案下,消力池具体参数如下:池深6.55 m、出口为矩形敞口型式,布置9根交错糙条(长度为6.0 m,高度为2.0 m,厚度为0.24 m)。该方案下,消力池消能率可达62.63%,出口断面平均水深较原先降低了49.97%,两岸水位差趋近于0。说明交错糙条消能工不仅能对转弯段消力池内进行动能调整,使池内水流紊乱,削减大量水流能量,同时能控制两岸水位差,拥有良好的消能导流作用。
(4)综上,在实际工程中,若存在溢洪道转弯段必须带有消力池案例时,下泄水流受弯道离心力和惯性力作用影响,将面临较复杂的水流问题,此时可考虑同时通过优化消力池体型和布置工程辅助措施改善不良水力现象。本文研究成果可为同类工程设计提供参考与借鉴。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
张建民. 高坝泄洪消能技术研究进展和展望[J]. 水力发电学报, 2021, 40(3): 1-18.

(ZHANG Jian-min. Hydraulics of High-speed Flows: Recent Achievements and Future Outlook[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2021, 40(3): 1-18.) (in Chinese)

[2]
王皓冉, 谢辉, 陈永灿, 等. 消力池底板混凝土磨蚀智能检测与数值仿真[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2023, 63(7): 1095-1103.

(WANG Hao-ran, XIE Hui, CHEN Yong-can, et al. Intelligent Detection and Numerical Simulation Analysis of Concrete Abrasion of a Stilling Basin Floor[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2023, 63(7): 1095-1103.) (in Chinese)

[3]
杜振康, 尹进步, 朱光明, 等. 不同扩散角下单侧渐扩消力池水力特性研究[J]. 水资源与水工程学报, 2022, 33(2): 144-151.

(DU Zhen-kang, YIN Jin-bu, ZHU Guang-ming, et al. Hydraulic Characteristics of Unilateral Divergent Stilling Basin under Different Diffusion Angles[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2022, 33(2): 144-151.) (in Chinese)

[4]
李瑶, 杨胜发, 付旭辉. 弯曲溢洪道挑流消能试验研究[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 413-421.

(LI Yao, YANG Sheng-fa, FU Xu-hui. Experiment Research on Ski-jump Energy Dissipation of Curved Flow[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 413-421.) (in Chinese)

[5]
张靖, 滕晓敏, 张庆华. 透水斜槛参数对溢洪道弯道水流改善效果的影响[J]. 水利水电科技进展, 2022, 42(3):25-31.

(ZHANG Jing, TENG Xiao-min, ZHANG Qing-hua. Impact of Permeable Oblique Sill Parameters on Bend Flow Improvement Effect in a Spillway[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2022, 42(3): 25-31.) (in Chinese)

[6]
杨磊, 徐宏亮, 唐培磊, 等. 许家崖水库溢洪道消能防冲方案模型试验研究[J]. 水力发电学报, 2014, 33(6): 149-154.

(YANG Lei, XU Hong-liang, TANG Pei-lei, et al. Model Tests on Energy Dissipation and Anti-erosion Schemes of Xujiaya Reservoir Spillway[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2014, 33(6):149-154.) (in Chinese)

[7]
何梦星, 林颖典, 黄天炜, 等. 弯道对植被群河道水流结构影响的试验研究[J]. 水力发电学报, 2022, 41(11):11-20.

(HE Meng-xing, LIN Ying-dian, HUANG Tian-wei, et al. Effect of Curved Channel on Flow Structure with Vegetation Patch[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2022, 41(11): 11-20.) (in Chinese)

[8]
曹玉芬, 高术仙, 白玉川. 正弦派生曲线弯道水流结构特征实验研究[J]. 水力发电学报, 2020, 39(4):21-32.

(CAO Yu-fen, GAO Shu-xian, BAI Yu-chuan. Experimental Study on Flow Structures in Sine-generated Meandering Channel[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2020, 39(4): 21-32.) (in Chinese)

[9]
周建银, 邵学军, 假冬冬, 等. 弯道出流横向流速的衰减长度[J]. 水科学进展, 2014, 25(3): 392-400.

(ZHOU Jian-yin, SHAO Xue-jun, JIA Dong-dong, et al. Attenuation Length of Transverse Velocity in the Outlet Section of a Bend[J]. Advances in Water Science, 2014, 25(3): 392-400.) (in Chinese)

[10]
周建银, 邵学军, 假冬冬, 等. 弯道出流横向流速发展过程的解析解[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2014, 47(7): 583-588.

(ZHOU Jian-yin, SHAO Xue-jun, JIA Dong-dong, et al. An Analytical Solution of Transverse Velocity in Straight Open Channel Situated Downstream of a Bend[J]. Journal of Tianjin University (Science and Technology), 2014, 47(7):583-588.) (in Chinese)

[11]
曹玉芬, 白玉川, 高术仙. 连续弯道水槽水流结构与床面形态试验研究[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2020, 53(12):1226-1235.

(CAO Yu-fen, BAI Yu-chuan, GAO Shu-xian. Experimental Study of Flow Structure and Bed Topography in Continuous Curve Flume[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology), 2020, 53(12): 1226-1235.) (in Chinese)

[12]
PRADHAN A, KUMAR KHATUA K, SANKALP S. Variation of Velocity Distribution in Rough Meandering Channels[J]. Advances in Civil Engineering, 2018, 2018: 1569271.

[13]
黄春花, 孙颖, 陈肇和, 等. 急流弯道双曲底板的体形设计[J]. 水利学报, 2003, 34(8): 1-5.

(HUANG Chun-hua, SUN Ying, CHEN Zhao-he, et al. Double Curvature Slab of Bended Channel for Preventing Shock Wave[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2003, 34(8): 1-5.) (in Chinese)

[14]
高学平, 井书光, 贾来飞. 溢洪道弯道水流影响因素研究[J]. 水力发电学报, 2014, 33(4): 132-138.

(GAO Xue-ping, JING Shu-guang, JIA Lai-fei. Study on Factors Influencing the Flow over Bend Spillway[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2014, 33(4):132-138.) (in Chinese)

[15]
魏祖涛, 侍克斌, 陈成林, 等. 溢洪道加糙对水流流态影响的试验研究[J]. 水资源与水工程学报, 2010, 21(5): 76-78.

(WEI Zu-tao, SHI Ke-bin, CHEN Cheng-lin, et al. Experiment on Effect of Artificial Roughness on Water Flow Characteristic[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2010, 21(5): 76-78.) (in Chinese)

[16]
李凡琦, 牧振伟, 孙德旭, 等. 基于正交设计的糙条消能工评价方法[J]. 排灌机械工程学报, 2020, 38(5): 481-487.

(LI Fan-qi, MU Zhen-wei, SUN De-xu, et al. Orthogonal Design of Experiment-based Evaluation Method for Rough-strip Energy Dissipators[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2020, 38(5): 481-487.) (in Chinese)

[17]
张红红, 牧振伟, 李凡琦, 等. 基于量纲分析的糙条高度计算方法[J]. 排灌机械工程学报, 2020, 38(9): 904-909.

(ZHANG Hong-hong, MU Zhen-wei, LI Fan-qi, et al. Rough-strips Height Calculation Method Based on Dimensional Analysis[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2020, 38(9): 904-909.) (in Chinese)

[18]
张红红, 牧振伟, 李凡琦, 等. 糙条消能工对弯道水流动能调整试验研究[J]. 水资源与水工程学报, 2020, 31(3): 162-168.

(ZHANG Hong-hong, MU Zhen-wei, LI Fan-qi, et al. Experimental Study on the Flow Energy Adjustment with Rough Strip Energy Dissipators in a Curved Channel[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2020, 31(3): 162-168.) (in Chinese)

[19]
ZHANG H MUZ, FAN F, et al. Analysis of Main Influencing Factors of Energy Dissipation and Flow Diversion Effects of Rough-strip Energy Dissipators in Curved Spillways Based on Plackett-Burman Design[J]. Water Supply, 2023, 23(2): 482-505.

[20]
樊帆, 牧振伟, 张红红, 等. 溢洪道弯段糙条消能工消能率试验研究[J]. 长江科学院院报, 2021, 38(12): 104-110.

DOI

(FAN Fan, MU Zhen-wei, ZHANG Hong-hong, et al. Experimental Research on Energy Dissipation Rate of Rough Strip Energy Dissipator in Spillway Bend[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2021, 38(12): 104-110.) (in Chinese)

DOI

[21]
孙德旭, 牧振伟, 李凡琦, 等. 弯段溢洪道导流墩联合糙条消能工水力特性试验研究[J]. 水资源与水工程学报, 2019, 30(2): 166-171.

(SUN De-xu, MU Zhen-wei, LI Fan-qi, et al. Experimental Study on Hydraulic Characteristics of Diversion Pier Combined with Rough-strips Energy Dissipator in the Bend Spillway[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2019, 30(2): 166-171.) (in Chinese)

[22]
马豪, 牧振伟, 樊帆, 等. 连续弯段溢洪道糙条消能工整流特性试验研究[J]. 长江科学院院报, 2024, 41(3): 71-78.

DOI

(MA Hao, MU Zhen-wei, FAN Fan, et al. Experimental Study on Flow Rectification Characteristics of RoughStrip Energy Dissipator in Continuous Curved Spillway[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024, 41(3): 71-78.) (in Chinese)

[23]
黄智敏, 何小惠, 黄健东, 等. 阳江抽水蓄能电站下库溢洪道消能研究[J]. 水力发电学报, 2007, 26(5): 92-96.

(HUANG Zhi-min, HE Xiao-hui, HUANG Jian-dong, et al. Research on Energy Dissipation of Downstream Reservoir Spillway of Yangjiang Pumped Storage Plant[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2007, 26(5): 92-96.) (in Chinese)

[24]
刘伯承, 李广宁, 韩延成, 等. 湿陷性黄土地区明渠陡槽加墩消能工优化试验[J]. 长江科学院院报, 2024, 41(5):95-102.

DOI

(LIU Bo-cheng, LI Guang-ning, HAN Yan-cheng, et al. Experimental Study on Optimizing Energy Dissipation by Adding Pier to Steep Chute of Open Channel in Wet Collapsible Loess Area[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024, 41(5):95-102.) (in Chinese)

[25]
俞晓伟, 牧振伟, 高尚. 低弗劳德数梯形墩-悬栅消力池水力特性[J]. 长江科学院院报, 2023, 40(1):107-115.

DOI

(YU Xiao-wei, MU Zhen-wei, GAO Shang. Hydraulic Characteristics of Trapezoidal Pier-suspended Grid Stilling Basin with Low Froude Number[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2023, 40(1): 107-115.) (in Chinese)

DOI

[26]
周凯, 牧振伟, 周镇, 等. 底流消力池墩栅联合消能工水力特性数值模拟研究[J]. 水资源与水工程学报, 2023, 34(2): 142-148, 156.

(ZHOU Kai, MU Zhen-wei, ZHOU Zhen, et al. Numerical Simulation of Hydraulic Characteristics of Pier-fence Joint Dissipators in Underflow Dissipation Basins[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2023, 34(2): 142-148, 156.) (in Chinese)

[27]
吴战营, 牧振伟. 消力池内悬栅辅助消能工优化试验[J]. 水利水电科技进展, 2014, 34(1): 27-31.

(WU Zhan-ying, MU Zhen-wei. An Experimental Study on Optimization of Suspended Grid Auxiliary Energy Dissipator in Stilling Basin[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2014, 34(1): 27-31.) (in Chinese)

[28]
梁洪儒, 谭燕平, 刘星, 等. 低水头坝消力池内悬栅辅助消能工的优化试验研究[J]. 水力发电学报, 2018, 37(1): 79-86.

(LIANG Hong-ru, TAN Yan-ping, LIU Xing, et al. Optimization Tests of Suspension Beam Array Auxiliary Energy Dissipaters in Low-head Dam Stilling Basin[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2018, 37(1): 79-86.) (in Chinese)

[29]
罗永钦. 突跌渐扩消力池体型优化及水力特性分析[J]. 水力发电学报, 2016, 35(2): 61-66.

(LUO Yong-qin. Shape Optimization and Hydraulic Characteristic Analysis of Stilling Basins with Backward Step and Diffusing Walls[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2016, 35(2): 61-66.) (in Chinese)

[30]
GHAZANFARI-HASHEMI R S, MONTAZERI NAMIN M, GHAEINI-HESSAROEYEH M, et al. A Numerical Study on Three-dimensionality and Turbulence in Supercritical Bend Flow[J]. International Journal of Civil Engineering, 2020, 18(3): 381-391.

[31]
张文皎, 刘磊, 武彩萍, 等. 开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性及优化布置研究[J]. 水利水运工程学报, 2022(6): 25-34.

(ZHANG Wen-jiao, LIU Lei, WU Cai-ping, et al. Study on Hydraulic Characteristics Simulation and Optimal Layout of Open-wide Single Chute Spillway[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(6): 25-34.) (in Chinese)

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