三峽水庫近壩區泥沙輸移數值模擬分析

羅倫，沈思敏

（1．廣東水科院勘測設計院，廣東 廣州 510635；2．廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635）

三峽水利樞紐是世界上規模最大的水利工程，其泥沙輸移問題一直是眾多學者關注的熱點。王玲等和魏麗等對三峽水庫長江上游水沙變化進行了分析，董年虎等對三峽水庫不平衡泥沙的輸移規律進行了研究，馬琳等對三峽電站過機泥沙含量進行了初步監測分析，黃仁勇等對三峽水庫庫區水沙輸移進行了數值模擬研究。本文搜集大壩上游廟河水文站多年水文泥沙的基礎資料，采用MIKE 軟件MT 模塊對近壩區水域泥沙輸移進行了數值模擬研究。

1 工程概況及控制方程

1.1 工程概況

圖1為三峽工程樞紐布置示意圖。水電站采用壩后式布置方案，其中左電廠和右電廠分別有14 臺和12 臺機組。

圖1 三峽工程樞紐布置圖

1.2 控制方程

本文水動力模型主要控制方程為水流連續性方程和不可壓縮的Navier-Stokes 方程，在泥沙模擬研究論文中已給出。MIKE 軟件中泥沙輸運（MT 模塊）的控制方程如下：

2 泥沙輸運模型建立及率定

2.1 研究區域及網格

本文選取了廟河水文站至壩前部分水域（長度為18.4 km，邊線為175 m 高程線）為研究區域，用MIKE軟件建立的研究區域數學模型如圖2所示。

圖2 研究區域數值化地形圖

研究區域采用非結構化三角形網格，設定網格內角在27°以上，并對壩前200 m 內區域和某些水深變化大的區域進行局部加密。通過不同數目的網格無關性驗證，確定采用的總網格節點數為234300，研究區域整體網格如圖3所示。

圖3 研究區域整體網格圖

2.2 模擬計算設置

本研究采用有限體積法對控制方程進行離散，采用二階迎風格式進行空間離散。上游和下游分別采用入口流量和出口流量的邊界條件。泥沙模型的主要參數為沉速，水平紊動擴散系數，沉積及侵蝕系數等，需根據驗證資料進行率定。根據現有資料將泥沙沉速定為常數，時間步長為60s。

2.3 模型的率定與驗證

本次選擇2010年7月19日的洪峰過程工況來對模型進行率定，得到最終模型采用的主要參數見下表1。圖4為當日不同機組進水口泥沙含量模擬值與實測值對比圖，發現曲線整體趨勢一致，模擬結果接近實測值，說明采用此泥沙運輸模型對各機組進水口泥沙含量模擬預測是可行的。

表1 懸沙模型采用的主要參數

圖4 不同機組進水口泥沙模擬與實測值對比圖（2010．7．19）

3 工況計算與分析

3.1 工況的選擇

本文按照水庫的調度方式選擇四種典型工況來進行近壩區泥沙輸運數值模擬計算，選定的工況如表2所示。

表2 選定的四種工況

3.2 不同工況計算結果分析

當機組同步進行檢修時，可減少分次檢修的不便，故認為各機組泥沙分布均勻的工況為有利機組同步檢修的工況。

3．2．1 175m 運行工況結果分析

圖5、圖6和圖7、圖8分別為在175m 水位工況1和工況2 條件下，模擬得到的壩前流場和泥沙場分布圖。從圖5和圖7中可看出，在開啟的機組進水口處流速較大。從圖6和圖8中可看出，壩前泥沙含量分布整體呈現從中間向兩側逐漸減小的分布。

圖5 工況1 壩前流場分布圖

圖6 工況1 壩前泥沙場分布圖

圖7 工況2 壩前流場分布圖

圖8 工況2 壩前泥沙場分布圖

為進一步分析，繪制工況1 和工況2 各機組進水口處含沙量數據的柱狀圖9和圖10。從圖9中可看出，1#至26#機組進水口處泥沙含量呈“駝峰”型式，其中在14#機組進水口處泥沙含量達到峰值。從圖10中可看出，1#至26#機組進水口處泥沙含量左岸側小，中間分布較均勻。以上分析發現工況1 條件下，位于主流中間機組較位于兩岸機組進水口處含沙量差別較大，不利于同步檢修機組。工況2 條件下，中間機組進水口處含沙量分布較均勻，有利機組同步檢修。

圖9 工況1 各機組進水口位置含沙量數據圖

圖10 工況2 各機組進水口位置含沙量數據圖

3．2．2 145m 運行工況結果分析

圖11、圖12和圖13、圖14分別為在145m 水位工況3 和工況4 條件下，模擬得到的壩前流場和泥沙場分布圖。圖11和圖12中可看出，在開啟的機組進水口處流速較大，壩前泥沙含量分布整體呈現從中間大兩側小的分布。對比圖11和圖12，圖13和圖14中開啟泄洪深孔后，壩前水域左岸機組段、中間溢流壩段、右岸機組段附近流速都較大，泥沙分布也發生部分變化，說明深孔開啟會改變壩前流場和泥沙場分布。

圖11 工況3 壩前流場分布圖

圖12 工況3 壩前泥沙場分布圖

圖13 工況4 壩前流場分布圖

圖14 工況4 壩前泥沙場分布圖

圖15和圖16為工況3 和工況4 各機組進水口位置處含沙量數據圖。從圖15中可看出，左岸和右岸機組的泥沙含量分別有相應的峰值，其中左岸較右岸含沙量高。從圖16中可看出，1#～26#機組進水口處含沙量分布呈 “先增大，后減小”的趨勢，在15#機組進水口處含沙量最大，兩側1#和26#機組含沙量最小，主流附近各機組含沙量分布較均勻。

圖15 工況3 各機組進水口位置含沙量數據圖

圖16 工況4 各機組進水口位置含沙量數據圖

4 結論

本文采用MIKE 軟件MT 模塊對三峽水庫近壩區水域流場及各機組進水口處泥沙分布特性進行模擬分析。結果表明：

（1）在枯水期175m 水位運行工況下，工況2（開啟3#、7#、13#、15#、20#、26#機組）條件下能使各機組泥沙含量分布較均勻，對機組同步檢修有利；工況1（開啟7#、10#、13#、15#、18#、20#機組）會導致位于主流中間的機組較位于兩岸的機組進水口位置處含沙量差別較大，不利于同步檢修機組。

（2）在豐水期145m 水位，未開啟泄洪深孔的情況下，可看到左岸和右岸的機組的泥沙含量分別有相應的峰值，其中左岸較右岸泥沙含量高。深孔的開啟可以改變壩前流場和泥沙分布情況。