青峪口水庫(kù)壩軸線布置水力學(xué)數(shù)值計(jì)算研究

石 磊，田金章，陳 遠(yuǎn)

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 概述

在水庫(kù)、水電站建設(shè)過程中，泄水建筑物的布置一直是工程布置的一個(gè)重要問題，合理的布置泄水建筑物，能極大的節(jié)省工程投資、方便工程的運(yùn)營(yíng)以及改善周邊的環(huán)境；不同擋水壩體結(jié)構(gòu)的泄水建筑物布置方式不同，對(duì)于混凝土重力壩，由于其壩身可以布置泄水結(jié)構(gòu)，所以在工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用壩身泄水的布置方案；根據(jù)工程泄水規(guī)模的不同，壩身泄水建筑物布置也不相同；但在工程中設(shè)計(jì)過程中，混凝土重力壩壩身泄水建筑物一般布置在原始河床部位，這樣不但進(jìn)流條件好，而且泄洪消能建筑物也相對(duì)方便布置。此外，由于混凝土重力壩壩身泄水建筑物往往垂直于壩軸線布置，因此，在工程設(shè)計(jì)過程中，壩址盡量選擇在平直的河段，避免選擇在彎道河段，這樣可以使得水流很好的歸槽，對(duì)原始河道沖刷小，節(jié)省工程投資[1-8]。

在工程實(shí)踐中，有些水庫(kù)、水電站工程大壩由于地質(zhì)條件及環(huán)境等因素的限制，壩址不能夠布置在平直河段，這種情況下，合理的選擇壩軸線在壩址區(qū)域平面的布置角度將變得尤為重要。為獲得不同壩軸線方案的泄水水力條件，工程中往往采用水工模型試驗(yàn)或者數(shù)值模擬兩種方法[7-14]。文中針對(duì)青峪口水庫(kù)工程壩軸線的布置，采用數(shù)值模擬方法，開展不同壩軸線布置方案的對(duì)比分析。

2 概況

2.1 工程概況

青峪口水庫(kù)是一座以防洪為主，結(jié)合供水，兼顧發(fā)電的Ⅱ等大二型水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容 14 733萬m3，防洪庫(kù)容 8 134萬m3，年供水量 1 868萬m3。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高74.1 m。

在工程前期勘測(cè)設(shè)計(jì)過程中，因水庫(kù)上游存在環(huán)境保護(hù)區(qū)，下游存在重點(diǎn)居民生活區(qū)，可供壩址選擇的河段相對(duì)有限，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，水庫(kù)壩址最終布置在彎道河段。此外，水庫(kù)汛限水位和高水位時(shí)泄流量均較大、且運(yùn)行調(diào)度復(fù)雜。泄水建筑物的布置存在泄水歸槽難度大、流速分布不均勻以及下游河道沖刷等問題[9-10]。

2.2 研究?jī)?nèi)容

大壩泄水建筑物由溢流表孔與泄洪深孔組成，鑒于溢流表孔、泄洪深孔占用了大部分河道的寬度，壩軸線在彎道河段的布置，一直是工程整體布置的核心問題，選擇合適的壩軸線布置，將能很好的解決水庫(kù)泄洪、消能及下游河道沖刷問題。

推薦方案大壩泄水結(jié)構(gòu)位于壩身中部，包含3個(gè)8 m×8 m(寬×高)的泄洪深孔以及3個(gè)12 m×19 m(寬×高)的溢流表孔，泄洪深孔靠近發(fā)電廠房壩段，溢流表孔位于泄洪深孔壩段右側(cè)(工程布置見圖1)，溢流表孔與泄洪深孔均采用底流消能，消力池底板頂高程均為345.0 m。

圖1 推薦方案工程平面布置示意

比較方案壩軸線相較于推薦方案逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)5°，溢流表孔、泄洪深孔及其他相關(guān)建筑物結(jié)構(gòu)布置與推薦方案一致。

為詳細(xì)對(duì)比分析以上兩種布置方案泄洪消能以及下游河道沖刷等水力學(xué)問題的差異程度，采用數(shù)值計(jì)算分別模擬以上兩種方案[11-16]。數(shù)值模擬采用遞進(jìn)式漸進(jìn)網(wǎng)格，在保證計(jì)算精度的同時(shí)可加快計(jì)算進(jìn)度。推薦方案和比較方案均建立詳細(xì)尺寸模型，采用上下游水位控制獲得水流特性；上游采用庫(kù)水位邊界，下游采用水位流量關(guān)系推算水位邊界(計(jì)算模型見圖2)。

其中，研究不同方案溢流表孔進(jìn)流條件時(shí)，按大壩校核洪水位403.3 m時(shí)，表、深孔聯(lián)合下泄11 590 m3/s考慮。研究消能及下游河道沖刷問題時(shí)，根據(jù)工程消能防沖設(shè)計(jì)要求，分別按溢流表孔、泄洪深孔單獨(dú)控泄4 200 m3/s考慮。

3 溢流表孔進(jìn)流條件研究

對(duì)泄水建筑物及上游模擬區(qū)域進(jìn)行建模，模擬范圍如圖3所示。針對(duì)大壩校核洪水位403.3 m時(shí)，表、深孔聯(lián)合泄流11 590 m3/s工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，推薦方案和比較方案的溢流表孔閘孔流態(tài)及3孔縱向剖面如圖4～圖5所示。

圖3 上游庫(kù)區(qū)模擬區(qū)域示意

圖4 推薦方案溢流表孔流態(tài)示意

圖5 比較方案溢流表孔流態(tài)示意

計(jì)算結(jié)果表明，兩個(gè)方案計(jì)算的溢流表孔泄流能力基本一致，推薦方案左表孔、中表孔和右表孔左右邊墻同一樁號(hào)的最大水面高程差分別為3.4 m、2.7 m和3.3 m；比較方案左表孔、中表孔和右表孔左右邊墻同一樁號(hào)的最大水面高程差分別為3.1 m、2.2 m和4.0 m。比較方案閘孔左右兩側(cè)水面線的最大高差達(dá)4.0 m，在樁號(hào)0+42 m附近；而推薦方案閘室左右兩側(cè)水面線的最大高差值為3.4 m，在樁號(hào)0+7 m附近，兩方案的最大水面高程差相差0.6 m。從溢流表孔進(jìn)流的對(duì)稱性來看，推薦方案比比較方案稍優(yōu)。

4 消力池及下游河道流態(tài)流速研究

4.1 溢流表孔單獨(dú)控泄

分別計(jì)算溢流表孔在下泄消能防沖設(shè)計(jì)流量為4 200 m3/s條件下，推薦方案和比較方案的溢流表孔消力池內(nèi)流態(tài)、流速、池內(nèi)水面線，消力池下游河道右岸邊的流速等參數(shù)。計(jì)算結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 推薦方案消力池流態(tài)正視示意

圖7 推薦方案沿程流態(tài)示意

圖8 比較方案消力池流態(tài)正視示意

圖9 比較方案沿程流態(tài)示意

計(jì)算結(jié)果表明，在溢流表孔單獨(dú)下泄消能防沖設(shè)計(jì)流量為4 200 m3/s條件下，推薦方案和比較方案的消力池內(nèi)流態(tài)基本相似，流態(tài)均較正常。表孔單獨(dú)泄流時(shí)，兩方案消力池內(nèi)水面線基本吻合，消力池池內(nèi)水面高程基本維持在365.5 m左右。兩方案最大流速也相差不大，推薦方案消力池尾坎斷面最大臨底流速為5.56 m/s，壩軸線旋轉(zhuǎn)5°的比較方案尾坎斷面最大臨底流速為5.84 m/s，均位于尾坎斷面中部。

消力池下游河道及右岸邊的臨底流速分布見表1所示，根據(jù)流速成果，在溢流表孔下泄消能防沖設(shè)計(jì)流量為4 200 m3/s條件下，推薦方案消力池下游河道右岸坡頂最大臨底流速為5.06 m/s，右岸坡腳最大臨底流速為5.26 m/s，均在樁號(hào)0+560 m附近；而比較方案的右岸坡頂最大臨底流速為4.62 m/s，在樁號(hào)0+500 m附近，右岸坡腳最大臨底流速為5.47 m/s，在樁號(hào)0+560 m附近；推薦方案右岸坡頂最大流速5.06 m/s大于比較方案的坡頂最大流速4.62 m/s，而推薦方案的坡腳最大流速5.26 m/s則小于比較方案的坡腳最大流速5.47 m/s；對(duì)右岸邊坡最大流速而言，推薦方案的流速小于比較方案。

表1 溢流表孔控泄4 200 m3/s時(shí)下游河道流速分布 m/s

4.2 泄洪深孔單獨(dú)控泄

分別計(jì)算泄洪深孔單獨(dú)下泄消能防沖設(shè)計(jì)流量4 200 m3/s條件下，推薦方案和比較方案的消力池內(nèi)流態(tài)、流速、池內(nèi)水面線，消力池下游河道右岸邊的流速等參數(shù)(計(jì)算結(jié)果如圖10～圖13所示)。

圖10 推薦方案消力池流態(tài)正視示意

圖12 比較方案消力池流態(tài)正視示意

圖13 比較方案沿程流態(tài)示意

計(jì)算結(jié)果表明，在泄洪深孔單獨(dú)下泄消能防沖設(shè)計(jì)流量4 200 m3/s條件下，推薦方案和比較方案的消力池內(nèi)流態(tài)基本相似，流態(tài)均較正常。比較方案溢流表孔消力池內(nèi)水面線較推薦方案高約0.5 m，水面高程基本維持在366.5 m左右。在消力池尾坎斷面，兩方案的橫向臨底流速分布規(guī)律基本相似，最大流速也相差不大，均位于消力池末端的海漫出口處，最大流速在7.0～7.7 m/s波動(dòng)。

消力池下游河道及右岸邊的臨底流速分布見表2所示。

表2 泄洪深孔控泄4 200 m3/s時(shí)下游河道流速分布 m/s

根據(jù)表2可知，在泄洪深孔下泄消能防沖設(shè)計(jì)流量4 200 m3/s條件下，在消力池末端流速分布上，比較方案在樁號(hào)0+250 m左區(qū)流速較推薦方案變小；在下游河道流速分布上，推薦方案消力池下游河道右岸坡頂最大臨底流速為5.87 m/s，右岸坡腳最大臨底流速為5.08 m/s，均在樁號(hào)0+560 m附近；而比較方案的右岸坡頂和坡底最大臨底流速為5.80 m/s、5.03 m/s，在樁號(hào)0+560 m附近。兩方案在最大流速位置分布上差別不大，而在樁號(hào)0+360 m～450 m坡頂范圍內(nèi)，比較方案流速比原設(shè)計(jì)方案要略大一些。對(duì)右岸邊坡流速分布而言，推薦方案的流速小于比較方案。

5 數(shù)值計(jì)算研究結(jié)論

通過數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)青峪口水庫(kù)大壩壩軸線布置推薦方案和壩軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)5°的比較方案的泄洪水流特性進(jìn)行了計(jì)算分析，初步結(jié)論如下：

1)在校核洪水位403.3 m、表孔及深孔聯(lián)合泄流方式下，兩種布置方案的泄流能力基本相當(dāng)。由于表孔位于右岸彎道附近，表孔泄洪時(shí)存在非對(duì)稱進(jìn)流現(xiàn)象，各溢流表孔閘孔左右兩側(cè)同一樁號(hào)的水面高程均會(huì)產(chǎn)生一定的差值，推薦方案閘孔兩側(cè)水面線最大高程差為3.4 m；而比較方案閘孔兩側(cè)水面線最大高程差為4.0 m；就溢流表孔進(jìn)流條件而言，推薦方案稍優(yōu)于壩軸線旋轉(zhuǎn)5°的比較方案。

2)在溢流表孔下泄消能防沖設(shè)計(jì)流量4 200 m3/s條件下，兩種布置方案的消力池內(nèi)流態(tài)、流速分布、池內(nèi)水面線等均基本相當(dāng)，池內(nèi)水面高程基本維持在365.5 m左右；在消力池下游河道右岸邊坡段，推薦方案的最大臨底流速為5.26 m/s，而比較方案的最大臨底流速為5.47 m/s，兩方案泄洪水流對(duì)右岸坡的沖刷效果基本相當(dāng)。

3)在泄洪深孔下泄消能防沖設(shè)計(jì)流量4 200 m3/s條件下，兩種布置方案的消力池內(nèi)流態(tài)、流速分布等均基本相當(dāng)，比較方案消力池內(nèi)水面線較推薦方案高約0.5 m，水面高程基本維持在366.5 m左右；在消力池下游河道右岸邊坡段，兩方案在最大流速位置分布上差別不大，在0+360 m～430 m坡頂流速分布范圍內(nèi)，比較方案流速比推薦方案要略大一些。對(duì)下游河道右岸邊坡水流流速分布而言，推薦方案的流速小于比較方案。

6 結(jié)語

1)數(shù)值模擬計(jì)算方法的結(jié)果顯示，推薦方案壩軸線布置在溢流表孔進(jìn)流、下游河道流速等水力條件方面優(yōu)于比較方案；相對(duì)較好的水力條件使得推薦方案更加經(jīng)濟(jì)。

2)通過采用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)青峪口整體工程布置進(jìn)行三維水力學(xué)計(jì)算，解決了工程壩軸線布置選擇的問題，可為國(guó)內(nèi)外類似工程提供參考。