泄洪閘下游消能措施的數(shù)值模擬研究

魏 雄

(塔里木河流域巴音郭楞管理局 孔雀河下游管理站，新疆 尉犁 841500)

1 研究背景

目前，水力學(xué)的研究方法主要有3種，分別是物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬研究、理論計(jì)算分析。在以原型為基礎(chǔ)模型建立準(zhǔn)確的情況下，數(shù)值模擬的方式更加經(jīng)濟(jì)可靠，可重復(fù)性高，可以再現(xiàn)水流的復(fù)雜變化過(guò)程。

針對(duì)閘壩消能的問(wèn)題目前學(xué)者們已經(jīng)通過(guò)相關(guān)研究，可以作為本文研究的初步理論和可行性基礎(chǔ)。在物理模型方面，對(duì)消力池底板抬高的做法有助于提高消能效果，對(duì)水庫(kù)溢洪道消能工采取導(dǎo)墻及挑流面進(jìn)行優(yōu)化研究，優(yōu)化后的消能效果更好[1-3]。數(shù)值模擬方面，對(duì)獅子崖水庫(kù)溢流壩挑流消能方案、古委水庫(kù)泄水建筑物泄洪消能設(shè)計(jì)進(jìn)行的數(shù)值模擬研究分析，均可以得出其優(yōu)化前后方案的比較結(jié)果，可為水庫(kù)閘壩的調(diào)整及改善提供理論參考[4-5]。

以上對(duì)閘壩的消能優(yōu)化措施的研究，在物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面分別進(jìn)行研究和探討，為數(shù)值模擬研究提供了可靠的理論基礎(chǔ)。本文主要對(duì)閘壩下游河道某處進(jìn)行擴(kuò)寬處理，來(lái)研究其消能的排水效果。

2 數(shù)學(xué)模型

目前對(duì)于數(shù)值模擬的方法很多，本文主要采用在水流沖刷性模擬較合理的Flow-3d計(jì)算軟件，同時(shí)對(duì)于紊流模型選擇較常用的RNGk-ε，因?yàn)槠湓谀M自由表面及水位波動(dòng)方面具有較好的擬合性，能再現(xiàn)復(fù)雜的水流過(guò)程[6]。由于只考慮計(jì)算的水位、流速及沖刷的影響，本次計(jì)算模型網(wǎng)格劃分采用規(guī)則的結(jié)構(gòu)化方法，將以XYZ三維方向?qū)δＰ瓦M(jìn)行劃分，具體子單元網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.25 m，整個(gè)網(wǎng)格總數(shù)量約為500×104個(gè)。

2.1 邊界條件

上游河道設(shè)置流量邊界及初始水位，下游河道設(shè)置為自由出流邊界，模型上方設(shè)置大氣壓力邊界，模型其他位置設(shè)置固體邊界。

2.2 初始條件

依據(jù)閘壩資料設(shè)置上游初始水位15 m，模型閘壩下游河道初始水位為10 m；給定的初始流量為Q=120 m3/s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s。

2.3 工程背景及模型的驗(yàn)證

2.3.1 工程背景

清水河在出山口克爾古提水文站處建有清水河引水樞紐，樞紐至東西支分岔口河段，東岸伴行有塔哈其干渠，西岸伴有清水河干渠，此段為河流漫灘，無(wú)明顯河槽。清水河?xùn)|西支泄洪閘設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，西支泄洪閘設(shè)計(jì)泄洪流量125 m3/s；東支泄洪閘設(shè)計(jì)泄洪流量75 m3/s。清水河?xùn)|西支泄洪閘合計(jì)設(shè)計(jì)泄洪流量200 m3/s，校核泄洪流量225 m3/s。

2.3.2 模型驗(yàn)證

為研究閘壩下游河道擴(kuò)寬處理對(duì)泄洪消能的影響，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行試驗(yàn),以清水河?xùn)|西支泄洪閘為驗(yàn)證對(duì)象，將數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，具體結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 泄洪閘下游水位

由圖1可知，將實(shí)測(cè)的閘壩泄洪水位波動(dòng)與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，兩者誤差在1.73%～2.22%之間。本文數(shù)學(xué)模型建立準(zhǔn)確可靠，可以為泄洪閘下游水流消能措施進(jìn)行研究。

3 泄洪閘下游消能措施數(shù)值模擬

3.1 水流流線(xiàn)

對(duì)泄洪閘下游河道進(jìn)行擴(kuò)寬處理，以增加下游部分瞬時(shí)存水量，形成一個(gè)類(lèi)似消力池，以降低泄洪大流量下對(duì)下游的沖刷。為研究泄洪對(duì)下游水位的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，具體見(jiàn)圖2。

根據(jù)圖2可知，沿泄洪閘水流流動(dòng)方向，流線(xiàn)在閘室附近處較高，隨后在河道擴(kuò)寬段處降低變得平緩，之后流線(xiàn)緩慢變動(dòng)，對(duì)下游河道影響減小。因此，在泄洪閘下游擴(kuò)寬河道對(duì)減緩河道流線(xiàn)變化和波動(dòng)效果較好。

3.2 沿層流速

泄洪閘下游流速是較關(guān)鍵的參數(shù)，流速的波動(dòng)快慢、大小將影響下游的河床及邊坡的穩(wěn)定。為此，本文就泄洪閘下游河道擴(kuò)寬處理后的流速進(jìn)行模擬。試驗(yàn)選擇沿水流方向10個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行匯總，具體見(jiàn)圖3。

圖2 擴(kuò)寬后下游流線(xiàn)圖(單位：m)

圖3 擴(kuò)寬后下游平均流速

由圖3可知，由于泄洪閘下游水流碰撞及交匯消耗部分能量，沿水流方向流速在緩慢減小。同時(shí)可知，下游擴(kuò)寬后在測(cè)點(diǎn)3開(kāi)始流速減小較明顯，流速相對(duì)較穩(wěn)定。

3.3 消能率

對(duì)于水力學(xué)消能率的計(jì)算方式有很多，本文采用比較通用的消能率計(jì)算公式。具體公式如下：

式中：E1、E2分別為上下游計(jì)算斷面的總能量；H1、H2分別為上下游計(jì)算斷面的水深；v1、v2分別為上下游計(jì)算斷面的平均流速；α1、α2分別為上下游進(jìn)出口斷面流速系數(shù)，取1[6]。

同時(shí)根據(jù)計(jì)算公式，將各個(gè)斷面的能量進(jìn)行劃分，具體見(jiàn)表1。

由表1可知，泄洪閘下游擴(kuò)寬后對(duì)瞬時(shí)泄洪進(jìn)入下游有提高消能的效果，擴(kuò)寬部分河寬使得下游的水流交匯橫斷面積增加，水流的相互碰撞、匯流機(jī)會(huì)增加，消耗部分能量。泄洪閘下游河道擴(kuò)寬有助于水流能量的消耗，在施工及技術(shù)上方便可靠。

表1 消能率

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值比較可知，在對(duì)于泄洪閘這類(lèi)的復(fù)雜水力學(xué)問(wèn)題，可以借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬，經(jīng)濟(jì)方便、準(zhǔn)確性較高。

2) 對(duì)泄洪閘下游河道進(jìn)行擴(kuò)寬處理后，沿水流方向流線(xiàn)在閘室附近較高，隨后在河道擴(kuò)寬段降低變得平緩，之后流線(xiàn)緩慢變動(dòng)，對(duì)下游河道影響減小。

3) 泄洪閘泄洪水流進(jìn)入下游，下游擴(kuò)寬后使得下游水流交匯橫斷面積增加，因此水流的相互碰撞、匯流時(shí)間及次數(shù)增加，消耗部分水流能量，增加下游的消能率且保證水流流速穩(wěn)定。因此，在泄洪閘下游擴(kuò)寬河道對(duì)減緩河道流線(xiàn)變化和波動(dòng)效果較好。