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溢流面板堆石坝作为面板坝的改进坝型能够很好地解决在“V”形山谷建坝时的泄洪问题,并能大大降低造价。随着榆树沟水库的建成和成功运行,国内溢流面板坝的数量也在逐年增加。本文针对溢流面板堆石坝光滑式溢洪道、传统型台阶式溢洪道和折线型台阶溢洪道三种不同布置形式的溢洪道进行对比分析。
采用结构和非结构网格相结合形式对计算区域进行网格划分,运用RNGκ-ε双方程紊流数学模型和VOF模型相结合的方法对其进行模拟计算,重点对计算区域内的速度场、压强场、掺气浓度以及紊动耗散率进行分析。其结论如下:
光滑式溢洪道:在相同单宽流量下,2号掺气槽内的掺气浓度和掺气规模都比1号掺气槽的较大,两掺气槽内的掺气浓度随着流量的增加先增加后迅速减小,整个溢洪道流场比较平稳,在掺气槽的部位形成稳定的顺时针漩涡,其速度随着单宽流量的增加而增大,掺气槽内压强值随着流量的增加而增大,在掺气槽水平段的两端出现两个负压区,在竖直段上除接近凹角部位为正压外均为负压,其顶端出现负压最大值。
传统型台阶式溢洪道:台阶式溢洪道水流自堰顶下泄,流经一段无掺气区后到达掺气点后进行掺气,在溢洪道的下游有一段稳定的掺气区。下泄水流在每一个台阶的水平段上都有一个冲击点,并在这个冲击点处水流被分成两束,一束水流被迫流入台阶内部,在台阶的内部形成比较稳定的顺时针横轴漩涡区,一束水流随下泄水流流向下游;比较光滑式溢洪道和台阶式溢洪道速度值,台阶溢洪道的流速要远小于光滑溢洪道的流速,说明台阶段具有很好的消能作用。压强在台阶水平面水流冲击点处出现最大值;台阶竖直面靠近凹角压强为正值,竖直段的中上部形成一个比较大的负压区,受到上个台阶水流的影响在竖直段的顶端处出现一个比较小的正压。
折线型台阶溢洪道:溢洪道内的流场沿中轴面呈对称分布,台阶凹角的内部形成两个较大漩涡,两漩涡的横轴分别垂直于边墙和平行于台阶竖直面,呈三元流流态,在溢洪道中轴面上两漩涡基本消失。折线型溢洪道的负压区比传统型小,且集中在台阶凹角内竖直面的上部,中轴面上没有负压区;最大正压出现在台阶水平面水流冲击点处;压强极值比传统型台阶大。紊动耗散率在溢洪道沿程上缓慢增大,在接近台阶底部基本保持不变;在单个台阶内部,由于台阶内部凹角两漩涡的影响,紊动耗散率在宽度方向上分布不同,紊动耗散率在台阶边墙和1/4轴面处有三个较大值区域,在中轴面上变为两个。
由以上分析可得,台阶式溢洪道比光滑式溢洪道不管是掺气浓度还是在消能减蚀都有很大的优势,而折线型台阶式溢洪道和传统型相比,水流在宽度方向上的不均匀分布更增强了台阶段的消能作用,并且台阶内负压区规模减小。