211287369_跌坎消力池尾坎坡度对泄洪消能影响的三维数值模拟
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－ ｄｏｗｎ ｓｔｉｌｌｉｎｇ ｐｏｏｌ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｅｎｄ ｓｉｌｌ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ. Ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌ ｕｎｄｅｒ ｎｏｒｍａｌ ａｎｄ
ｄｅｓｉｇｎ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌｓ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄꎬａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｌａｗｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎬ
１ 研究对象
对于低水头建筑物ꎬ如来流无推移质ꎬ为提高消
能率ꎬ便于施工及控制成本ꎬ消力池尾坎可采用直立
式结构. 但在多泥沙、推移质河流则需同时兼顾消能
及排沙要求ꎬ尾坎需要设置一定的坡度
[４]
. 近年来ꎬ众
多学者针对提高消能率、降低临底流速ꎬ对底流消能
存在的问 题 进 行 了 大 量 的 优 化 研 究. 洪 振 国、 苟 勤
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｉｌｌｉｎｇ ｐｏｏｌ
ＤＩＡＯ ＹｉꎬＴＩＡＮ Ｚｈｏｎｇ
( Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ ａｎｄ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｒｉｖｅｒｓ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｉｃｈｕａｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈｅｎｇｄｕ ６１００６５ꎬＣｈｉｎａ)
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｔｉｌｌｉｎｇ ｐｏｏｌ ｗｉｔｈ ｓｔｅｐ － ｄｏｗｎ ｆｌｏｏｒꎻｓｌｏｐｅ ｏｆ ｅｎｄ ｓｉｌｌꎻｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎꎻｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎻｏｕｔ￣
收稿日期:２０２３￣０３￣０１
通信作者:田忠(１９７７ － ) ꎬ男ꎬ湖南保靖人ꎬ研究员ꎬ研究方向:工程水力学. Ｅ － ｍａｉｌ:ｔｉａｎｚｈｏｎｇ＠ ｓｃｕ ｅｄｕ ｃｎ
和促使水流在池中发生强制水跃中发挥明显作用ꎬ这
用的一种常见消能形式ꎬ通过下泄水流在消力池前端
样一方面减少消力池开挖的深度ꎬ又缩短了消力池的
产生水跃ꎬ水流之间发生漩滚掺混和强烈紊动达到消
长度ꎬ同时让高速的水位能量得到进一步消减. 但当
. 与其他消能形式相比ꎬ具有入池流态稳
尾坎高度到达某一程度时ꎬ尾坎处水流容易发生跌水
２０２３ 年 ５ 月
第 ４９ 卷第 ３ 期
西南民族大学学报( 自然科学版)
自然科学版)
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ 西南民族大学学报(
Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｍｉｎｚｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ)
Ｍａｙ. ２０２３
第４９４９Ｎｏ.
卷３
Ｖｏｌ.
ｄｏｉ:１０ １１９２０ / ｘｎｍｄｚｋ ２０２３ ０３ ０１６
尾坎下游河道水位偏低ꎬ则出池水流可能形成较明显的二次跌落ꎬ对尾坎后河床造成一定的冲刷ꎬ因此消力池的尾坎
坡度需要结合下游河道水位情况综合考虑ꎬ做到在提高消力池的消能率的同时ꎬ尽量避免出池水流较大的二次跌落ꎬ
确保出池水流与下游河道水流平顺衔接. 论文研究成果可供类似工程参考.
关键词:跌坎消力池ꎻ尾坎坡度ꎻ泄洪消能ꎻ水力特性ꎻ出池流速ꎻ数值模拟
连续方程:
(１)
.
动量方程:
(２)
.
ｋ 方程:
(３)
.
ε 方程:
.
以上各张量表达式中ꎬｉ ＝ １ꎬ２ꎬ３ꎬ即{ ｘ ｉ ＝ ｘꎬｙꎬｚ} ꎬ
力池的临底流速较高ꎬ底板承受的冲刷破坏及可能引
况ꎬ同时ꎬ该设计型式无论对于大流量工况或是小流
起的空蚀破坏压力很大ꎬ近年来ꎬ底流消力池出现破
量工况ꎬ均能使消力池内形成完整水跃ꎬ且跃后水流
坏的案例时有发生ꎬ且有增多的趋势. 跌坎消力池是
衔接很平顺ꎬ消能效果得到很大改善.
能的目的
[１]
为了降低传统底流消力池底板临底流速ꎬ以提高消力
由于尾坎坡度对消力池的泄洪消能效果较为敏
池泄洪消能安全性的一种改进体型消力池ꎬ研究及工
感ꎬ本文对中低水头泄洪闸跌坎型消力池的三个特征
程实践已经验证ꎬ跌坎消力池由于能够显著降低消力
工况ꎬ进行三维数值模拟研究. 对各体型工况下临底
池底板临底流速ꎬ因而得到了快速发展ꎬ取得较好效
流速、流态、消力池内紊动能紊动耗散率等水力特性
ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌꎬＨｏｗｅｖｅｒꎬｔｈｅ ｓｔｅｅｐｅｒ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ｓｉｌｌꎬｔｈｅ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｔｈｅ ｕｐｗａｒｄ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗｉｎｇ ｏｕｔ
ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌ ｉｓ. Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌｏｗꎬｔｈｅ ｏｕｔｆｌｏｗ ｗａｔｅｒ ｍａｙ ｆｏｒｍ ａ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｓｅｃ￣
下游以 １ ∶４ 的坡度与长 ７０ ｍ 的消力池连接ꎬ消力池
前端设 ２ ｍ 跌坎ꎬ后端接 ５０ ０ ｍ 长的钢筋混凝土防
冲护固段.
２ 数值求解方法
２ பைடு நூலகம் 控制方程
ｋ － ε 双方程紊流模型是模拟紊流的有效工具ꎬ
由于模拟的天然河道水流有自由水面ꎬ 因而需采用
ＶＯＦ 模型进行计算. 在 ＶＯＦ 模型中ꎬ由于水和气共有
中图分类号:ＴＶ１３５. ２
文献标志码:Ａ 文章编号:２０９５￣４２７１(２０２３)０３￣０３４８￣０７
３Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｅｎｄ ｓｉｌｌ ｏｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ
定、消能效率高、对地质条件适应性强、尾水波动小、
现象ꎬ即水面二次跌落ꎬ可能对下游河床造成严重冲
泄洪雾 化 影 响 小 等 特 点ꎬ 在 工 程 中 得 到 了 广 泛 应
刷. 对此ꎬ彭睿 [１４] 通过加高尾坎后将尾坎下游改为１∶５
用 [３] . 由于底流消能的高流速主流位于水流底部ꎬ消
的斜坡ꎬ这样既避免了坎后跌水现象ꎬ改善了冲刷情
果ꎬ如向家坝水电站
[３]
的多股多层跌坎淹没射流消力
进行分析ꎬ探讨尾坎坡度对降低底流消力池临底流
池. 跌坎消力池水流高流速主流区距底板有一定高
速、底板压强ꎬ提升消力池内水力特性指标的作用ꎬ为
度ꎬ消力池内水流波动较传统底流消力池增大ꎬ消力
后续工程实践提供了参考依据.
池尾坎坡度对池内水流流态及消能效果有较大影响.
跌坎消力池尾坎坡度对泄洪消能影响的三维数值模拟
刁 奕ꎬ田 忠
( 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室ꎬ四川 成都 ６１００６５)
摘 要:采用的 ｋ － ε 双方程紊流数学模型与 ＶＯＦ 法追踪自由水面ꎬ对中低水头胸墙闸坝式跌坎型消力池在三个尾坎
坡度下的泄洪消能进行了三维数值模拟研究. 模拟计算了正常和设计水位情况下三种局开运行工况的消力池水力特
ｏｎｄａｒｙ ｆａｌｌꎬｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｓｅｒｉｏｕｓ ｓｃｏｕｒ. Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ｓｉｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ
ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｒｉｖｅｒ. Ｗｈｉｌｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌꎬｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ
ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎬｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅꎬｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ. Ｔｈｅ
ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ｓｉｌｌ ｉｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ
章 [１ － ６] 等对不同体型的底流消能体型进行研究ꎬ提出
传统底流消能对消力池长度要求高、跌坎型底流消能
对底板冲刷小等优缺点. 刘清朝等
[７ － ８]
用 ＶＯＦ 模型
模拟了自由水面的水跃问题. 李会平 [９] 、韩守都 [１０] 等
基于实际工程对消力池尾坎位置及尾坎高度进行试
验研究ꎬ研究表明增设尾坎可提高跃后水深ꎬ使消力
基金项目:国家自然科学基金项目(５１８７９１７８)
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刁奕ꎬ等:跌坎消力池尾坎坡度对泄洪消能影响的三维数值模拟
第３ 期
３４９
ｌｅｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
底流消能是水利水电领域中低水头工程广泛采
能率. 王均星 [１３] 通过模型试验证明ꎬ尾坎在削弱能量
本文研究的泄洪闸消力池最大水头 ４８ ｍꎬ共三
孔泄洪闸ꎬ泄洪闸沿坝轴线总长 ３９ ０ ｍꎬ三孔闸共用
消力池ꎬ模拟跌坎高度 ２ ｍꎬ水平入流. 闸室型式为胸
墙式平底板宽顶堰ꎬ每个闸孔口宽 ７ ０ ｍꎬ高 １７ ０ ｍꎬ
闸室顺水流方向长 ６５ ０ ｍꎬ消力池总宽度 ３１ ｍ. 闸室
池内水流流态稳定ꎬ从而避免远驱水跃ꎬ减小下游河
床的冲刷ꎬ提高消力池的消能效果. 但一味的降低和
前移尾坎以达到减少工程量的目的ꎬ均不利于消力池
消能和底板稳定. 王军 [１１] 、邢建营 [１２] 等研究了消力池
长度受限情况下的底流消能工程ꎬ对传统底流消能方
式进行改进ꎬ通过增设跌坎、尾坎以增加消力池内消
相同的速度场和压力场ꎬ因而对水气两相流可以像单
相流那样采用一组方程来描述流场. 对于本文采用的
ｋ － ε 紊流模型ꎬ连续方程、动量方程和 ｋ 、 ε 方程 [１５]
分别表示如下:
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３５０
第 ４９ 卷
西南民族大学学报( 自然科学版)
性ꎬ获得了消力池底板压力、流场分布、沿程水面线、紊动能及紊动能耗散率等水力参数的变化规律. 数模计算结果显
示ꎬ尾坎坡度对消力池的泄洪消能效果较为敏感. 尾坎坡度变陡会明显提高消能效果ꎬ对来流无推移质的消力池可适
当加大尾坎坡度ꎬ有助于提高消能率及适当缩短消力池长度ꎬ但尾坎坡度越大ꎬ出池水流向上壅水的趋势越明显ꎬ如果
ｄｒｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｆｌｏｗ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｖｏｉｄｅｄ ａｓ ｆａｒ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅꎬｓｏ ａｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｏｕｔｆｌｏｗ
ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｒｉｖｅｒ ｆｌｏｗ. Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ.
ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌ. Ａ ｓｔｅｅｐｅｒ ｓｌｏｐｅ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎꎬＩｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｐｏｏｌ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｄｏｅｓ ｎｏｔ
ｃａｒｒｙ ｂｅｄ ｌｏａｄꎬｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｔｅｅｐｅｒꎬｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｈｅｌｐ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｔｏ ｓｈｏｒｔｅｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｋ － ε ｔｗｏ － ｅｑｕａｔｉｏｎ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ＶＯＦ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｒａｃｅ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅꎬｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎ￣
ｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｏｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｗａｔｅｒ ｈｅａｄ ｓｌｕｉｃｅ ｄａｍ ｗｉｔｈ ｓｔｅｐ
ｄｅｓｉｇｎ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌｓ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄꎬａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｌａｗｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎬ
１ 研究对象
对于低水头建筑物ꎬ如来流无推移质ꎬ为提高消
能率ꎬ便于施工及控制成本ꎬ消力池尾坎可采用直立
式结构. 但在多泥沙、推移质河流则需同时兼顾消能
及排沙要求ꎬ尾坎需要设置一定的坡度
[４]
. 近年来ꎬ众
多学者针对提高消能率、降低临底流速ꎬ对底流消能
存在的问 题 进 行 了 大 量 的 优 化 研 究. 洪 振 国、 苟 勤
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｉｌｌｉｎｇ ｐｏｏｌ
ＤＩＡＯ ＹｉꎬＴＩＡＮ Ｚｈｏｎｇ
( Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ ａｎｄ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｒｉｖｅｒｓ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｉｃｈｕａｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈｅｎｇｄｕ ６１００６５ꎬＣｈｉｎａ)
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｔｉｌｌｉｎｇ ｐｏｏｌ ｗｉｔｈ ｓｔｅｐ － ｄｏｗｎ ｆｌｏｏｒꎻｓｌｏｐｅ ｏｆ ｅｎｄ ｓｉｌｌꎻｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎꎻｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎻｏｕｔ￣
收稿日期:２０２３￣０３￣０１
通信作者:田忠(１９７７ － ) ꎬ男ꎬ湖南保靖人ꎬ研究员ꎬ研究方向:工程水力学. Ｅ － ｍａｉｌ:ｔｉａｎｚｈｏｎｇ＠ ｓｃｕ ｅｄｕ ｃｎ
和促使水流在池中发生强制水跃中发挥明显作用ꎬ这
用的一种常见消能形式ꎬ通过下泄水流在消力池前端
样一方面减少消力池开挖的深度ꎬ又缩短了消力池的
产生水跃ꎬ水流之间发生漩滚掺混和强烈紊动达到消
长度ꎬ同时让高速的水位能量得到进一步消减. 但当
. 与其他消能形式相比ꎬ具有入池流态稳
尾坎高度到达某一程度时ꎬ尾坎处水流容易发生跌水
２０２３ 年 ５ 月
第 ４９ 卷第 ３ 期
西南民族大学学报( 自然科学版)
自然科学版)
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ 西南民族大学学报(
Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｍｉｎｚｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ)
Ｍａｙ. ２０２３
第４９４９Ｎｏ.
卷３
Ｖｏｌ.
ｄｏｉ:１０ １１９２０ / ｘｎｍｄｚｋ ２０２３ ０３ ０１６
尾坎下游河道水位偏低ꎬ则出池水流可能形成较明显的二次跌落ꎬ对尾坎后河床造成一定的冲刷ꎬ因此消力池的尾坎
坡度需要结合下游河道水位情况综合考虑ꎬ做到在提高消力池的消能率的同时ꎬ尽量避免出池水流较大的二次跌落ꎬ
确保出池水流与下游河道水流平顺衔接. 论文研究成果可供类似工程参考.
关键词:跌坎消力池ꎻ尾坎坡度ꎻ泄洪消能ꎻ水力特性ꎻ出池流速ꎻ数值模拟
连续方程:
(１)
.
动量方程:
(２)
.
ｋ 方程:
(３)
.
ε 方程:
.
以上各张量表达式中ꎬｉ ＝ １ꎬ２ꎬ３ꎬ即{ ｘ ｉ ＝ ｘꎬｙꎬｚ} ꎬ
力池的临底流速较高ꎬ底板承受的冲刷破坏及可能引
况ꎬ同时ꎬ该设计型式无论对于大流量工况或是小流
起的空蚀破坏压力很大ꎬ近年来ꎬ底流消力池出现破
量工况ꎬ均能使消力池内形成完整水跃ꎬ且跃后水流
坏的案例时有发生ꎬ且有增多的趋势. 跌坎消力池是
衔接很平顺ꎬ消能效果得到很大改善.
能的目的
[１]
为了降低传统底流消力池底板临底流速ꎬ以提高消力
由于尾坎坡度对消力池的泄洪消能效果较为敏
池泄洪消能安全性的一种改进体型消力池ꎬ研究及工
感ꎬ本文对中低水头泄洪闸跌坎型消力池的三个特征
程实践已经验证ꎬ跌坎消力池由于能够显著降低消力
工况ꎬ进行三维数值模拟研究. 对各体型工况下临底
池底板临底流速ꎬ因而得到了快速发展ꎬ取得较好效
流速、流态、消力池内紊动能紊动耗散率等水力特性
ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌꎬＨｏｗｅｖｅｒꎬｔｈｅ ｓｔｅｅｐｅｒ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ｓｉｌｌꎬｔｈｅ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｔｈｅ ｕｐｗａｒｄ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗｉｎｇ ｏｕｔ
ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌ ｉｓ. Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌｏｗꎬｔｈｅ ｏｕｔｆｌｏｗ ｗａｔｅｒ ｍａｙ ｆｏｒｍ ａ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｓｅｃ￣
下游以 １ ∶４ 的坡度与长 ７０ ｍ 的消力池连接ꎬ消力池
前端设 ２ ｍ 跌坎ꎬ后端接 ５０ ０ ｍ 长的钢筋混凝土防
冲护固段.
２ 数值求解方法
２ பைடு நூலகம் 控制方程
ｋ － ε 双方程紊流模型是模拟紊流的有效工具ꎬ
由于模拟的天然河道水流有自由水面ꎬ 因而需采用
ＶＯＦ 模型进行计算. 在 ＶＯＦ 模型中ꎬ由于水和气共有
中图分类号:ＴＶ１３５. ２
文献标志码:Ａ 文章编号:２０９５￣４２７１(２０２３)０３￣０３４８￣０７
３Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｅｎｄ ｓｉｌｌ ｏｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ
定、消能效率高、对地质条件适应性强、尾水波动小、
现象ꎬ即水面二次跌落ꎬ可能对下游河床造成严重冲
泄洪雾 化 影 响 小 等 特 点ꎬ 在 工 程 中 得 到 了 广 泛 应
刷. 对此ꎬ彭睿 [１４] 通过加高尾坎后将尾坎下游改为１∶５
用 [３] . 由于底流消能的高流速主流位于水流底部ꎬ消
的斜坡ꎬ这样既避免了坎后跌水现象ꎬ改善了冲刷情
果ꎬ如向家坝水电站
[３]
的多股多层跌坎淹没射流消力
进行分析ꎬ探讨尾坎坡度对降低底流消力池临底流
池. 跌坎消力池水流高流速主流区距底板有一定高
速、底板压强ꎬ提升消力池内水力特性指标的作用ꎬ为
度ꎬ消力池内水流波动较传统底流消力池增大ꎬ消力
后续工程实践提供了参考依据.
池尾坎坡度对池内水流流态及消能效果有较大影响.
跌坎消力池尾坎坡度对泄洪消能影响的三维数值模拟
刁 奕ꎬ田 忠
( 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室ꎬ四川 成都 ６１００６５)
摘 要:采用的 ｋ － ε 双方程紊流数学模型与 ＶＯＦ 法追踪自由水面ꎬ对中低水头胸墙闸坝式跌坎型消力池在三个尾坎
坡度下的泄洪消能进行了三维数值模拟研究. 模拟计算了正常和设计水位情况下三种局开运行工况的消力池水力特
ｏｎｄａｒｙ ｆａｌｌꎬｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｓｅｒｉｏｕｓ ｓｃｏｕｒ. Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ｓｉｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ
ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｒｉｖｅｒ. Ｗｈｉｌｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌꎬｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ
ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎬｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅꎬｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ. Ｔｈｅ
ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ｓｉｌｌ ｉｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ
章 [１ － ６] 等对不同体型的底流消能体型进行研究ꎬ提出
传统底流消能对消力池长度要求高、跌坎型底流消能
对底板冲刷小等优缺点. 刘清朝等
[７ － ８]
用 ＶＯＦ 模型
模拟了自由水面的水跃问题. 李会平 [９] 、韩守都 [１０] 等
基于实际工程对消力池尾坎位置及尾坎高度进行试
验研究ꎬ研究表明增设尾坎可提高跃后水深ꎬ使消力
基金项目:国家自然科学基金项目(５１８７９１７８)
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刁奕ꎬ等:跌坎消力池尾坎坡度对泄洪消能影响的三维数值模拟
第３ 期
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ｌｅｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
底流消能是水利水电领域中低水头工程广泛采
能率. 王均星 [１３] 通过模型试验证明ꎬ尾坎在削弱能量
本文研究的泄洪闸消力池最大水头 ４８ ｍꎬ共三
孔泄洪闸ꎬ泄洪闸沿坝轴线总长 ３９ ０ ｍꎬ三孔闸共用
消力池ꎬ模拟跌坎高度 ２ ｍꎬ水平入流. 闸室型式为胸
墙式平底板宽顶堰ꎬ每个闸孔口宽 ７ ０ ｍꎬ高 １７ ０ ｍꎬ
闸室顺水流方向长 ６５ ０ ｍꎬ消力池总宽度 ３１ ｍ. 闸室
池内水流流态稳定ꎬ从而避免远驱水跃ꎬ减小下游河
床的冲刷ꎬ提高消力池的消能效果. 但一味的降低和
前移尾坎以达到减少工程量的目的ꎬ均不利于消力池
消能和底板稳定. 王军 [１１] 、邢建营 [１２] 等研究了消力池
长度受限情况下的底流消能工程ꎬ对传统底流消能方
式进行改进ꎬ通过增设跌坎、尾坎以增加消力池内消
相同的速度场和压力场ꎬ因而对水气两相流可以像单
相流那样采用一组方程来描述流场. 对于本文采用的
ｋ － ε 紊流模型ꎬ连续方程、动量方程和 ｋ 、 ε 方程 [１５]
分别表示如下:
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第 ４９ 卷
西南民族大学学报( 自然科学版)
性ꎬ获得了消力池底板压力、流场分布、沿程水面线、紊动能及紊动能耗散率等水力参数的变化规律. 数模计算结果显
示ꎬ尾坎坡度对消力池的泄洪消能效果较为敏感. 尾坎坡度变陡会明显提高消能效果ꎬ对来流无推移质的消力池可适
当加大尾坎坡度ꎬ有助于提高消能率及适当缩短消力池长度ꎬ但尾坎坡度越大ꎬ出池水流向上壅水的趋势越明显ꎬ如果
ｄｒｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｆｌｏｗ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｖｏｉｄｅｄ ａｓ ｆａｒ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅꎬｓｏ ａｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｏｕｔｆｌｏｗ
ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｒｉｖｅｒ ｆｌｏｗ. Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ.
ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｏｌ. Ａ ｓｔｅｅｐｅｒ ｓｌｏｐｅ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎꎬＩｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｐｏｏｌ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｄｏｅｓ ｎｏｔ
ｃａｒｒｙ ｂｅｄ ｌｏａｄꎬｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｔｅｅｐｅｒꎬｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｈｅｌｐ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｔｏ ｓｈｏｒｔｅｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｋ － ε ｔｗｏ － ｅｑｕａｔｉｏｎ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ＶＯＦ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｒａｃｅ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅꎬｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎ￣
ｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｏｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｗａｔｅｒ ｈｅａｄ ｓｌｕｉｃｅ ｄａｍ ｗｉｔｈ ｓｔｅｐ