多閘孔連續尾坎溢流壩優化調度數值模擬研究

郭紅民，柳 滔，2，胡海松，伍學文，張 楊，楊 瑩，張淑梅

(1.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002；2.廣西右江水利開發有限責任公司，廣西南寧530000；3.安徽省建筑工程質量監督檢測站，安徽合肥230000；4.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北武漢430000)

1 研究背景

閘門的調度運行是大壩管理中的一項重要工作，它不僅關系到水庫泄洪能力的問題，還對大壩的安全至關重要。在大壩閘門調度運行方面，此前已有大量研究，主要是針對閘門調度的機理[1- 2]、水庫泄流量大小[3]、控制上下游水位[4]等方面進行的研究，同時由于每個工程的特點不同，針對具體實際工程應結合自身的特點、條件進行研究，對于像南甲水庫這樣多閘孔連續尾坎溢流壩閘門調度運行研究還很少。

鑒于閘門優化調度工況組合多，成果精度高，若采用物理模型試驗則試驗周期長、花費高、且受模型縮尺及測試設備的影響，試驗成果精度難以保證，為此本文以實際工程南甲水庫泄洪試驗的成果為基礎，采用數值模擬的方法，根據實際工程情況，在可能的調度范圍內概括擬定了大(Q=900 m3/s)、中(Q=600 m3/s)、小(Q=300 m3/s)三級流量，在正常運行水位(560 m)下進行泄洪消能調度的研究，給出了各級流量時的優化調度方案，同時總結了多閘孔連續尾坎消能的一些特征，可為類似工程的研究提供參考。

2 工程概況

南甲水庫位于貴州省劍河縣太擁鎮南東村，巫密河中游處，大壩為混凝土重力壩，壩軸線長168 m，由河床溢流壩段和兩岸非溢流壩段組成，水庫正常蓄水位560.00 m，溢流堰頂高程554.00 m，壩頂高程568.00 m，溢流壩段總長53 m，設4個中墩(厚2 m)分為5孔泄洪，單孔凈寬9.0 m，邊墩按8.0°向內側收。采用連續尾坎挑流消能，反弧半徑為20.0 m，挑射角為15°，挑流鼻坎頂高程539.00 m。

3 數學模型

3.1 控制方程

連續方程

(1)

動量方程

(2)

紊動能k方程

(3)

紊動能耗散率ε方程

(4)

3.2 模型建立

數學模型是按南甲水庫的實際地形和工程構造以1∶1的比例建立的。基于專業流體計算軟件Flow- 3D，采用RNGk-ε[5]模型，并結合VOF[6]法對閘門調度運行展開研究工作。整個模型采用矩形網格進行劃分，平均網格單元為1.83 m，網格數量約為100萬。對壩體部分及其上下游附近區域做嵌套加密，平均網格單元為0.28 m，網格數量約為1 500萬。

3.3 參數設置

(1)邊界條件。整體計算區域上方采用大氣壓邊界；進水口即上游所在面采用流量邊界；出水口即下游所在面采用自由出流邊界；模型底部所在面采用固體邊界。

(2)初始條件。壩體以上河道設定初始水位為560 m；壩體以下河道設定初始水位為530 m；進水口流量分為900、600、300 m3/s 3種計算工況。

3.4 模型驗證

為驗證數學模型的可靠性，將模擬結果與實測試驗結果進行對比論證。圖1為來流量為1 690 m3/s時五孔全開情況下壩體上游的水流流態，兩者基本相似；圖2為同工況下的閘孔挑流水面線，兩者基本吻合。表1是相應挑流水舌的挑距和入水寬度，實測值與模擬值的相對誤差最大為6.47 %。同時還對壩面及下游河道相應部位的流速大小及分布進行了驗證，所得結果吻合較好。綜上，所建數學模型滿足進一步研究的需要。

圖1 上游流態

圖2 挑射水流水面線

水舌特征實測值/m模擬值/m誤差/%挑距近左岸29.028.61.38中部38.637.04.14近右岸27.826.06.47入水寬度34.834.50.86

4 計算工況

根據物理模型試驗結果，在上游水位為正常水位(560 m)運行時，溢流壩5個閘孔的開度可調節范圍為0～6 m，相應可調度下泄流量的范圍為0～1 086 m3/s，相應平均單孔可調度下泄流量的范圍為0～237.2 m3/s，單孔閘門運行時的起挑流量約為26 m3/s，再考慮到下泄1、2、5 a和10 a一遇洪水時的相應下泄流量分別為325、429、848 m3/s和1 250 m3/s，因此，本文在這一范圍內擬定了大(900 m3/s)、中(600 m3/s)、小(300 m3/s)三級流量來進行數值模擬研究。

表2 下泄流量為300 m3/s時各工況水力特征

注：E1、E2分別為1- 1和2- 2斷面的能量，η=(E1-E2)/E1×100%，下同。

綜合以往研究成果，在流量為300 m3/s時，以少開孔原則進行多閘孔調度研究，即二孔、三孔，相應閘門開度分別為2.42 、1.52 m。在流量為600 m3/s時，以少開孔和均開原則進行多閘孔調度研究，即三孔、四孔、五孔均開，相應閘門開度分別為3.50、2.42、1.86 m。在流量為900 m3/s時，以少開孔和均開原則進行多閘孔調度研究，即四孔、五孔均開，相應閘門開度分別為4.15、3.04 m。其中，開2個及以上閘孔時均為同步均勻開啟，且各閘孔開度一致。為減小計算工作量，考慮閘孔的對稱性特征，認為開啟2、3號閘孔和3、4號閘孔的效果相同，溢流壩的閘孔從右岸到左岸依次編號為1、2、3、4、5號，見圖3。

圖3 溢流壩閘孔編號

5 計算結果分析

在正常運行水位，下泄流量為300 m3/s情況下，水流從閘孔開始下泄，并在壩面逐漸發生擴散，相鄰兩孔的水流會在閘墩末端發生交匯，且交匯后的水流挑射距離比不交匯時有所增加，相隔一孔及以上時則不會發生交匯。下泄流量為300 m3/s時各工況水力特征見表2。由表2可知，隨著開孔數的增加，壩面所受最大負壓呈減小趨勢，從最大-0.31 kPa減小到-0.25 kPa，但都在規定允許的范圍內。另外，消能率則隨開孔數的增加而增大，但增加不明顯，幅度在1.0%以內。從下泄水流對下游的擾動和對河床的沖刷來說，隨著開孔數的增加情況趨好，流速從最大19 m/s減小到17 m/s，河床所受壓強從最大60 kPa減小到57 kPa。在開孔數一定時，對比各工況下的水力特征可得出閘門開啟的優選方案，開二孔、三孔時的優選分別為開2、3號(3、4號)或2、3、4號閘孔。但從挑距和經濟性方面來說，只開2、3號(3、4號)孔挑距較遠，有利于減少壩基的沖刷，也更節省開啟和維護費用。

表3 下泄流量為600 m3/s時各工況水力特征

表4 下泄流量為900 m3/s時各工況水力特征

隨著下泄流量增加1倍(600 m3/s)，下泄水流間隔一孔時也會在尾坎處發生交匯，但交匯后的水流挑射距離有所增加但不明顯，相隔二孔及以上時則不會交匯。下泄流量為600 m3/s時各工況水力特征見表3。由表3可知，壩面所受最大負壓隨開孔數的增加呈減小趨勢，從最大-0.48 kPa減小到-0.37 kPa，較300 m3/s時有所增加，但仍都在規定允許的范圍內；消能率則在開孔數由三增加到四時有所增大(幅度在1.0%以內)，在五孔均開時又有所減小；下泄水流對下游的擾動和對河床的沖刷則隨開孔數的增加而情況趨好，流速從最大19 m/s減小到18 m/s，河床所受壓強從最大66 kPa減小到62 kPa，但較300 m3/s時均有所增加。從水力特征上看，五孔均開的水力特征要比部分開三孔工況(工況17)和開四孔工況略差，建議開三孔或四孔即可。另外在開孔數一定時，對比各工況下的水力特征可得出閘門開啟的優選方案，開三孔、四孔時的優選方案為分別為開2、3、4，1、2、3、4(2、3、4、5)號閘孔。綜上考慮，五孔均開在600 m3/s時不占優勢，從水力特征、閘門開啟的運行成本來看，最佳方案為開2、3、4號。

隨著下泄流量進一步增加(900 m3/s)，為保證滿足泄量，最少需開啟四孔泄流，此時各工況水力特征見表4。從表4可知，工況22、23中，由于下泄水流相對集中，下游河道流速及河床壓強顯著增加，不利于河床岸坡穩定，而五孔均開(工況24)其水力特征都得到了較大改善，這說明在900 m3/s下的閘門調度，五孔均開優勢明顯。

6 結 論

本文通過對南甲水庫多閘孔連續尾坎溢流壩閘門優化調度運行的數值模擬研究，可得出如下結論：

(1)當水庫在正常蓄水位運行且下泄中小流量時，可根據需要及開啟便利，連續開啟或間隔開啟溢流壩中間2～3個閘孔進行泄洪相對有利，但無論連續開啟還是間隔開啟，均宜盡量保持各閘孔開度一致。

(2)當水庫在正常蓄水位運行且下泄較大流量時，由于下泄流量較大，為使水流均勻下泄，減小沖刷，宜5個閘孔全開泄洪較好，并應盡量保持各閘孔的開度一致。

(3)對比三級流量下的消能率變化可知，消能率隨下泄流量的增加呈減小的趨勢，且在中小流量時減小趨勢不明顯，從小流量增加到中流量時減小幅度在5.0%左右，在流量較大時減小趨勢變大，從中流量增加到大流量時減小幅度可達到15.91%，這種規律可為類似工程在進行閘門優化調度研究時提供參考。