S型河道對溢流壩挑流水力特性影響研究

陳 龍

(塔里木河流域和田管理局，新疆 和田 848000)

1 研究背景

S型河道是一種復雜的河道形式，由于S型河道影響上游水流，因此建在S型河道的溢流壩的下游水流特性也會發生不同的變化。目前，已有學者對彎道水流進行大量的研究。如嚴培[1]等通過MIKE軟件模擬單曲彎道和3種新型彎道水流，得到彎道水流沖刷的基本規律；白玉川[2]等通過對常曲率U型彎道水流沖刷進行試驗，得到U型彎道水流結構的基本規律；周勤[3]對小南海S型溢洪道進行研究，得到了在強慣性離心力的影響下的水力特性分布情況。

以上都是針對具體彎道形式對大壩運行期水流產生不同的影響進行研究，而以S型河道為例對溢流壩挑流水力特性影響研究還很少。因此，本文以某S型河道為例，建立數學模型研究其相關水力特性，以期得出相關規律，為類似工程建設提供理論參考。

2 數學模型

本文模擬水流運動采用Flow-3d計算軟件中的RNGk-ε模型，因為其在模擬自由表面上具有較好的時時追蹤性[4]。把整個模型的域分成若干個單元網格，F=0代表其中單元網格沒有流體；F=0～1代表其中單元網格有部分的流體；F=1代表其中單元網格全部充滿流態[5]。網格劃分采用結構化矩形網格形式進行描述，平均網格單元為0.5 m，網格數量約為200×104。具體的模擬計算方程如下：

2.1 控制方程

gi+fi

2.2 參數設置

邊界條件：彎道上游設置流量邊界且給定初始水位，溢流壩下游設置壓力邊界，模型正上方設置大氣壓力邊界，模型底部采用固體邊界。

初始條件：彎道溢流壩上游給定初始水位80 m，溢流壩下游河道給定初始水位50 m，給定初始流量Q=800 m3/s。

2.3 模型驗證

為驗證所建數學模型的有效性和準確性，將數值模擬結果與實測數據進行對比分析，具體見表1。

表1是Q=800 m3/s時彎道溢流壩挑流堰頂流速。溢流壩堰頂實測平均流速和數值模擬結果對比，誤差范圍在2.76%～2.88%之間，兩者相對誤差較小，模型建立較準確可靠。

表1 溢流壩堰頂流速

3 U型彎道水流數值模擬

該模型是建在S型彎道處的溢流壩，為研究在S型彎道處的水流對溢流壩挑流產生的影響，通過FLOW-3d軟件全真模擬溢流壩的挑流過程。通過軟件分析溢流壩上游正前方水流流速、挑流水舌、下游河道壓強變換情況，得到S型河道對溢流壩挑流水力特性影響的基本規律，具體建模見圖1。

圖1 S型彎道處溢流壩模型

4 模擬結果及分析

4.1 溢流壩壩體前端流速

由于水流在彎道處的橫縱比的影響，S型彎道水流在溢流壩壩體前端的流速也會發生不同的變化。為了更好研究由于S型彎道對溢流壩壩體前端水流流速的影響，根據數值模擬結果得到流速圖，具體見圖2。

圖2 溢流壩正前端平均流速

由圖2可知，由于水流受慣性離心力的影響，溢流壩前端中部流速最大，右岸比左岸的流速大。

4.2 挑流水舌

由于水流的慣性離心力的影響，導致水流在溢流壩泄洪挑流水舌挑據發生變化。為研究這種變化特點，本文進一步研究了水舌特征，具體見表2。

根據表2可知，中部水流較集中，能量較大，挑距離最遠為27 m，因此由于S型彎道的影響右岸相對比左岸挑距遠。

表2 挑射水流水舌特征

4.3 下游河道壓強

對于水庫溢流壩泄流，挑流水舌對下游河道沖刷受S彎道水流的影響。為觀察河道斷面的壓強分布情況，通過Flow-3d模擬后采用tecplot軟件進行切片處理[7]，具體見圖3。

圖3 下游河道壓強分布

根據圖3可知，下游河道壓強最大值為65 kPa，分布在近右岸到中部之間，相對右岸壓強值較左岸大。

5 結 論

本文通過Flow-3d軟件對S型河道水流對溢流壩挑流的影響進行數值模擬研究，得到如下結論：

1) 受S型河道水流慣性離心力的影響，溢流壩前端中部流速最大，右岸比左岸的流速大；中部水流較集中，能量較大，挑距離最遠，而右岸相對比左岸挑距遠；下游河道壓強最大值為65 kPa，分布在近右岸到中部之間，相對右岸壓強值較左岸大。

2) 應盡量避免在S型河道處修建大壩，如因受地形及資源限制，則必須對S型彎道處的溢流壩進行改善水流處理，以保證水流穩定性和大壩安全性。